CN116184932A - 一种超声波焊接控制方法及超声波焊接系统 - Google Patents

一种超声波焊接控制方法及超声波焊接系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于超声波焊接技术领域，具体涉及一种超声波焊接控制方法及超声波焊接系统，其中，控制方法包括：通过位置运动模式控制焊头由初始位置开始运动，以使焊头抵接于端子，焊头与端子之间产生预压力；通过速度运动模式控制焊头继续运动至焊接位置，以使焊头与端子之间达到预设焊接压力；所述焊头停止运动，并通过控制装置控制超声波发生装置发出超声波；通过焊接模式控制所述焊头对所述端子进行焊接，并通过检测装置检测是否达到预设焊接阈值，若是，则所述超声波发生装置停止发出超声波，焊接结束；若否，则返回上一步；本发明能够实现对焊接运动的精准控制，提高焊接精度；通过多种焊接模式组合控制，保证了焊接强度和焊接质量。

Description

一种超声波焊接控制方法及超声波焊接系统
技术领域
本发明属于超声波焊接技术领域，具体涉及一种超声波焊接控制方法及超声波焊接系统。
背景技术
目前，由于锡焊连接方法存在焊点电阻较大、耗能高以及工艺复杂等问题，绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)负载端子与陶瓷铜板通常采用超声波焊接连接。
传统的超声波焊接方法是通过控制驱动装置带动焊接装置运动，直接从焊接设备启动原点以位置模式或速度模式中的单一控制模式到达焊接物体，并且超声波焊接只采用单一的焊接控制模式来实现焊接的目的。由于IGBT端子的厚度、形状或材料不完全一致，在焊接时无法实现精准控制，造成焊接形变不一致，即焊接深度不一，发生陶瓷铜板焊裂的情况，影响超声波焊接的焊接质量。
现有的超声波焊接控制方法能够实现普通超声波焊接，但难以实现对焊接运动的精准控制，无法满足高精度焊接的客户需求。为此，有必要对其进行改进，以克服实际应用中的不足。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种超声波焊接控制方法及超声波焊接系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种超声波焊接控制方法，应用于超声波焊接系统，所述超声波焊接控制方法包括：
S10、通过位置运动模式控制焊头由初始位置开始运动，以使焊头抵接于端子，焊头与端子之间产生预压力；
S20、通过速度运动模式控制焊头继续运动至焊接位置，以使焊头与端子之间的压力达到预设焊接压力；
S30、所述焊头停止运动，并通过控制装置控制超声波发生装置发出超声波；
S40、通过焊接模式控制所述焊头对所述端子进行焊接，并通过检测装置检测是否达到预设焊接阈值，若是，则所述超声波发生装置停止发出超声波，焊接结束；若否，则返回步骤S30。
作为优选方案，所述S10包括：
S101、通过位置运动模式控制焊头由初始位置运动至第一目标位置；
S102、通过速度运动模式控制所述焊头由第一目标位置运动至第二目标位置，以使所述焊头抵接于端子，所述焊头与所述端子之间产生预压力；
作为优选方案，S10之后还包括：
S201、通过位置运动模式控制所述焊头由第二目标位置运动至焊接位置，以使所述焊头与所述端子之间的压力达到预设焊接压力。
作为优选方案，步骤S30之前还包括：
判断所述焊头与所述端子之间的压力是否达到预设焊接压力，若是，则进入步骤S40；若否，则所述焊头继续以位置运动模式运动，以使所述焊头与所述端子之间的压力达到预设焊接压力。
作为优选方案，所述预压力小于等于预设焊接压力。
作为优选方案，所述步骤S40中的焊接模式包括深度模式、时间模式、功率模式或能量模式中的任意两种或多种模式的组合。
作为优选方案，所述焊接模式包括深度模式和能量模式，具体包括：
通过检测装置获取焊接深度H以及焊接能量E，并通过控制装置比较所述焊接深度H与预设焊接深度ΔH，以及所述焊接能量E与预设焊接能量ΔE；
若所述焊接深度H大于等于所述预设焊接深度ΔH，则所述控制装置控制所述超声波发生装置停止发出超声波；若焊接深度H小于所述预设焊接深度ΔH，且所述焊接能量E大于等于所述预设焊接能量ΔE，所述控制装置控制所述超声波发生装置停止发出超声波。
作为优选方案，所述检测装置检测所述焊接深度H以及所述焊接能量E，并传输至所述控制装置；规定所述焊头对所述端子开始焊接的深度为0，通过所述控制装置进行深度累计，以获取所述焊接深度H；规定所述焊头对所述端子开始焊接的能量为0，通过所述控制装置进行能量累计，以获取所述焊接能量E。
作为优选方案，所述步骤S40之后还包括步骤S50：
所述焊头与所述端子脱离接触，所述焊头返回至初始位置。
本发明还提供一种超声波焊接系统，包括：
超声波发生装置，用于发出超声波；
控制装置，用于控制焊头以位置运动模式或速度运动模式由初始位置运动至焊接位置；以及用于控制焊头以焊接模式对端子进行焊接；以及
检测装置，用于检测焊接深度、焊接时间、焊接功率或焊接能量；并将检测数据传输至控制装置，以实现上述任一方案所述的超声波焊接控制方法。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的超声波焊接控制方法通过伺服控制运动模式能够避免因焊头运动过快压坏支撑端子的陶瓷铜板，同时能够避免因焊头运动过慢影响工作效率，能够实现焊接运动的闭环精准控制。
本发明的超声波焊接控制方法采用多个优先级对应焊接模式组合控制焊接过程，避免因采用单一焊接模式一直焊接导致陶瓷铜板焊裂，保证了焊接强度和焊接质量，提高了超声波焊接的使用范围。
本发明的超声波焊接控制方法能够实现对焊接运动的精准控制，提高了焊接精度，能够保持对IGBT端子焊接深度一致性，有利于实现标准化生产。
附图说明
图1是本发明实施例一的超声波焊接控制方法的流程图；
图2是本发明实施例二的超声波焊接控制方法的流程图；
图3是本发明实施例一的超声波焊接控制方法的多种焊接模式原理图；
图4是本发明实施例一的超声波焊接控制方法的两种焊接模式原理图；
图5是本发明实施例一的超声波焊接控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例一：
为了提升超声波焊接精度，实现精准控制，提供了一种超声波焊接控制方法，图1示出了超声波焊接控制方法的流程图。
本实施例的超声波焊接控制方法应用于超声波焊接系统，超声波焊接控制方法包括：
S10、通过位置运动模式控制焊头由初始位置开始运动，以使焊头抵接于端子，焊头与端子之间产生预压力；
S20、通过速度运动模式控制焊头继续运动至焊接位置，以使焊头与端子之间的压力达到预设焊接压力；
S30、所述焊头停止运动，并通过控制装置控制超声波发生装置发出超声波；
S40、通过焊接模式控制所述焊头对所述端子进行焊接，并通过检测装置检测是否达到预设焊接阈值，若是，则所述超声波发生装置停止发出超声波，焊接结束；若否，则返回步骤S30。
本实施例的超声波焊接控制方法包括伺服控制运动阶段和超声波焊接阶段。其中，为了有效控制焊头运动，达到精准焊接的目的，伺服控制运动阶段采用两段式控制模式。也即初始位置至目标位置采用第一段控制模式，目标位置至焊接位置采用第二段控制模式。
具体地，伺服控制模式首先采用位置运动控制模式，通过控制装置带动焊头由初始位置运动至目标位置，初始位置与目标位置之间的距离一般为0～150mm，优选距离为100mm，焊头运行速度一般为1～1500mm/s，优选速度为1000mm/s。需要说明的是，初始位置即为焊头处于最顶部，此时焊头与端子之间的距离最大。目标位置即为焊头与端子之间距离较为接近时，一般为0～100mm，优选为50mm时。
当焊头由初始位置运动至目标位置时，焊头与端子之间的距离较为接近，若一直保持原有的运行速度，容易导致焊头压坏支撑端子的陶瓷铜板。此时伺服控制模式切换为速度运动控制模式，运行速度一般为1～100mm/s，优选速度为75mm/s，通过控制装置带动焊头由目标位置运动至焊接位置。焊接位置即为焊头与端子开始接触，焊头与端子之间产生预压力，其中，焊头的预压力约为1～2000N，例如，预压力可以为1N、1000N、2000N等。焊接前的预压需要保持0.01s～2s，便于提高焊接质量。
通过速度运动控制模式能够精确控制焊头的运动速度，以使焊头轻微触碰端子，保证焊头与端子接触时压力可控。
步骤S30之前还包括：
判断焊头与端子之间的压力是否达到预设焊接压力，若是，则进入步骤S30；若否，则焊头继续以位置运动模式运动，以使焊头与端子之间的压力达到预设焊接压力。能够有利于提高控制精度，避免焊头运动至焊接位置时压力过载，导致焊头焊接端子时压坏支撑端子的陶瓷铜板。其中，焊头的预设焊接压力的范围为10～2500N，例如，预设焊接压力可以为10N、1000N、2500N等。
进一步地，预压力小于等于预设焊接压力。控制装置控制焊头由目标位置继续下降，此时预压力逐渐增大，当预压力达到预设焊接压力时，伺服控制停止工作，此时到达焊接位置，并开始触发超声，进入超声波焊接阶段。
由于现有的超声波焊接模式采用单模式控制来确定何时停止焊接过程。通过检测单一焊接模式参数变化进行控制停止发出超声波，控制精度较低，并且当单一焊接模式失效时无法对端子起到保护作用。
步骤S40中的焊接模式包括深度模式、时间模式、功率模式或能量模式中的任意两种或多种模式的组合。
焊接模式分为多个高低排序的优先级，高的优先级对应的焊接模式中焊接值先达到预设焊接阈值，则停止超声波焊接。当高的优先级对应的焊接模式中的焊接值未达到预设焊接阈值，此时低的优先级对应的焊接模式作为保护机制，其焊接值若达到预设焊接阈值，则停止超声波焊接。将常用的焊接模式设为高优先级，不常用的焊接模式设为低优先级。
本实施例采用多种焊接模式组合控制，包括深度模式、时间模式、功率模式或能量模式的组合应用于控制何时停止焊接过程。需要说明的是，其他焊接模式或者焊接模式的组合也可用于确定何时停止焊接过程，不限于上述焊接模式的组合方式。
本实施例的超声波焊接阶段采用深度模式、时间模式、功率模式或能量模式中的多种焊接模式组合的方式进行焊接，若其中第一优先级对应的焊接模式达到预设焊接阈值时，控制装置控制焊头停止焊接过程；若第一优先级对应的焊接模式未达到预设焊接阈值，第二优先级对应的焊接模式达到预设焊接阈值，则控制装置同样地控制焊头停止焊接过程，依次类推，通过多种焊接模式组合的方式进行焊接，起到多重保护机制，以防止焊头焊接端子时对端子的破坏。
如图3示出了多种焊接模式原理图，以下以深度模式作为第一优先级、时间模式作为第二优先级、功率模式作为第三优先级、能量模式作为第四优先级进行说明其工作过程。需要说明的是，在实际应用中还可以以时间模式作为第一优先级，其它三种焊接模式随机组合作为第二优先级或较低优先级，不限于上述焊接模式优先级的组合方式，具体可以根据实际需求进行设置。
当焊接深度H达到预设焊接深度ΔH，比如0.2mm时，停止焊接过程；若焊接深度H未达到预设焊接深度ΔH，但此时的焊接时间T达到预设焊接时间ΔT，比如0.4ms时，则同样停止焊接过程；若焊接时间T也未达到预设焊接时间ΔT，但此时焊接功率P达到预设焊接功率ΔP，比如5000W时，则同样停止焊接过程；若焊接功率P也未达到预设焊接功率ΔP，但此时焊接能量E达到预设焊接能量ΔE，比如5000J时，则同样停止焊接过程。通过多种焊接模式高低优先级排序的组合方式，能够在保证焊接强度的同时，避免陶瓷铜板焊裂。
在本实施例的多种焊接模式组合控制下，如果焊接过程仅在预设焊接阈值中的一个得到满足时停止焊接，那么这仍然是不同于公知的单一焊接模式控制的方式，因为在多种焊接模式组合控制中，多于一个焊接参数被检测，并且多种焊接模式组合控制能够允许焊接过程中根据优先级排序检测焊接参数达到预设焊接阈值时被选择性地停止。换言之，如果多种焊接模式中的不同优先级预设焊接阈值从一个焊接过程到另一个焊接过程得到满足，则多种焊接模式控制可选择性地停止焊接过程。
超声波焊接阶段采用多种焊接模式组合控制的方式，以一个焊接模式作为高的优先级，通过一个或多个焊接模式作为低的优先级，低的优先级能够起到保护功能，避免焊头对端子一直保持焊接动作而导致陶瓷铜板焊裂，保证了焊接强度和焊接质量，提高了超声波焊接的使用范围。
进一步地，如图4示出了两种焊接模式原理图，超声波焊接阶段以深度模式和能量模式的双控制焊接模式为例，进一步说明具体的实施过程。
将深度模式设为高的优先级，能量模式设为低的优先级，通过检测装置获取焊接深度H以及焊接能量E，并通过控制装置比较焊接深度H与预设焊接深度ΔH，以及焊接能量E与预设焊接能量ΔE；若焊接深度H大于等于预设焊接深度ΔH，控制装置控制超声波发生装置停止发出超声波，超声波焊接结束。若焊接深度H未达到预设焊接深度ΔH，而焊接能量E大于等于预设焊接能量ΔE，控制装置控制超声波发生装置停止发出超声波，超声波焊接结束。
通过检测装置检测焊接深度H以及焊接能量E，并将焊接深度H以及焊接能量E传输至控制装置；规定焊头对端子开始焊接的深度为0，通过控制装置进行深度累计，以获取焊接深度H；规定焊头对端子开始焊接的能量为0，通过控制装置进行能量累计，以获取焊接能量E。
通过超声波焊接的深度模式能够避免焊接深度过大导致陶瓷铜板焊裂，能量模式能够保证IGBT端子与陶瓷铜板的焊接强度，提高了焊接质量。以深度模式作为高优先级，能量模式作为低优先级，并对深度模式起到保护作用，当深度模式的焊接值未达到对应预设焊接阈值时，通过能量模式作为保护机制，若能量模式的焊接值未达到对应预设焊接阈值时，控制装置能够控制焊头停止超声波焊接。
其中，在焊接过程中焊头的焊接压力一般为30～5000N，例如，焊接压力可以为30N、1000N、5000N等，焊接压力可以为恒定压力，也可以为变压力，以使端子发生形变，便于提高焊接质量。
本实施例的步骤S40之后还包括步骤S50：焊头与端子脱离接触，控制系统控制焊头以位置运动模式或速度运动模式返回至初始位置。焊头对端子的一个焊接工序完成，可以继续进入下一个端子的焊接工序。
本实施例能够实现对焊接运动的精准控制，提高了焊接精度，能够保持对IGBT端子焊接深度一致性，有利于实现标准化生产。
相应地，如图5所示，本实施例还提供一种超声波焊接系统，包括：
超声波发生装置，用于发出超声波；
控制装置，用于控制焊头以位置运动模式或速度运动模式由初始位置运动至焊接位置；以及用于控制焊头以焊接模式对端子进行焊接；以及
检测装置，用于检测焊接深度、焊接时间、焊接功率或焊接能量；并将检测数据传输至控制装置，以实现本实施例的超声波焊接控制方法。
本实施例中的控制装置可以为PLC控制器或PLC控制器与运动控制器结合。检测装置包括光栅尺或传感器，用于检测焊头的焊接深度、焊接能量、焊接时间或焊接功率。此外，检测装置还包括压力传感器，用于检测焊接时焊头的压力。
本发明的超声波焊接控制系统能够实现对焊接运动的精准控制，提高了焊接精度，能够有利于实现标准化生产。
实施例二：
如图2所示，本实施例提供一种超声波焊接控制方法，与实施例一的不同之处在于：
S10包括：
S101、通过位置运动模式控制焊头由初始位置运动至第一目标位置；
S102、通过速度运动模式控制所述焊头由第一目标位置运动至第二目标位置，以使所述焊头抵接于端子，所述焊头与所述端子之间产生预压力。
进一步地，S10之后还包括：
S201、通过位置运动模式控制所述焊头由第二目标位置运动至焊接位置，以使所述焊头与所述端子之间的压力达到预设焊接压力。
为了有效控制焊头运动，达到精准焊接的目的，本实施例的伺服控制运动阶段采用三段式控制模式。也即初始位置至第一目标位置采用第一段控制模式，第一目标位置至第二目标位置采用第二段控制模式，第二目标位置至焊接位置采用第二段控制模式。
具体地，伺服控制模式首先采用位置运动控制模式，通过控制装置带动焊头由初始位置运动至第一目标位置，初始位置与第一目标位置之间的距离一般为0～150mm，优选距离为100mm，焊头运行速度一般为1～1500mm/s，优选速度为1000mm/s。需要说明的是，初始位置即为焊头处于最顶部，此时焊头与端子之间的距离最大。
当焊头由初始位置运动至第一目标位置时，焊头与端子之间的距离较为接近，若一直保持原有的运行速度，容易导致焊头压坏支撑端子的陶瓷铜板。此时伺服控制模式切换为速度运动控制模式，运行速度一般为1～100mm/s，优选速度为75mm/s，通过控制装置带动焊头由第一目标位置运动至第二目标位置。第二目标位置即为焊头与端子开始接触，当焊头与端子之间产生预压力时焊头开始停止运动。
通过速度运动控制模式能够精确控制焊头的运动速度，以使焊头轻微触碰端子，保证焊头与端子接触时压力可控。其中，焊头的预压力约为1～2000N，例如，预压力可以为1N、1000N、2000N等。焊接前的预压需要保持0.01s～2s，便于提高焊接质量。
伺服控制模式切换至位置运动控制模式，通过控制装置带动焊头由第二目标位置运动至焊接位置，从而完成对焊头的位置控制，为接下来的焊接阶段提供了保障。焊接位置即为焊头开始对端子进行超声波焊接的位置。
本实施例的超声波焊接控制方法中的伺服控制运动阶段通过三段式控制，能够实现对焊头由初始位置运动至焊接位置的精准控制，提高了工作效率。一方面能够避免因焊头运动过快压坏支撑端子的陶瓷铜板，另一方面能够避免因焊头运动过慢影响工作效率，能够实现焊接运动的闭环精准控制。
其它具体实施步骤可以参考实施例一。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波焊接控制方法，其特征在于，应用于超声波焊接系统，所述超声波焊接控制方法包括：
S10、通过位置运动模式控制焊头由初始位置开始运动，以使焊头抵接于端子，焊头与端子之间产生预压力；
S20、通过速度运动模式控制焊头继续运动至焊接位置，以使焊头与端子之间的压力达到预设焊接压力；
S30、所述焊头停止运动，并通过控制装置控制超声波发生装置发出超声波；
S40、通过焊接模式控制所述焊头对所述端子进行焊接，并通过检测装置检测是否达到预设焊接阈值，若是，则所述超声波发生装置停止发出超声波，焊接结束；若否，则返回步骤S30。
2.根据权利要求1所述的一种超声波焊接控制方法，其特征在于，所述S10包括：
S101、通过位置运动模式控制焊头由初始位置运动至第一目标位置；
S102、通过速度运动模式控制所述焊头由第一目标位置运动至第二目标位置，以使所述焊头抵接于端子，所述焊头与所述端子之间产生预压力。
3.根据权利要求2所述的一种超声波焊接控制方法，其特征在于，所述S10之后还包括：
S201、通过位置运动模式控制所述焊头由第二目标位置运动至焊接位置，以使所述焊头与所述端子之间的压力达到预设焊接压力。
4.根据权利要求3所述的一种超声波焊接控制方法，其特征在于，所述步骤S30之前还包括：
判断所述焊头与所述端子之间的压力是否达到预设焊接压力，若是，则进入步骤S40；若否，则所述焊头继续以位置运动模式运动，以使所述焊头与所述端子之间的压力达到预设焊接压力。
5.根据权利要求1所述的一种超声波焊接控制方法，其特征在于，所述预压力小于等于预设焊接压力。
6.根据权利要求1所述的一种超声波焊接控制方法，其特征在于，所述步骤S40中的焊接模式包括深度模式、时间模式、功率模式或能量模式中的任意两种或多种模式的组合。
7.根据权利要求6所述的一种超声波焊接控制方法，其特征在于，所述焊接模式包括深度模式和能量模式，具体包括：
通过检测装置获取焊接深度H以及焊接能量E，并通过控制装置比较所述焊接深度H与预设焊接深度ΔH，以及所述焊接能量E与预设焊接能量ΔE；
若所述焊接深度H大于等于所述预设焊接深度ΔH，则所述控制装置控制所述超声波发生装置停止发出超声波；若焊接深度H小于所述预设焊接深度ΔH，且所述焊接能量E大于等于所述预设焊接能量ΔE，所述控制装置控制所述超声波发生装置停止发出超声波。
8.根据权利要求7所述的一种超声波焊接控制方法，其特征在于，所述检测装置检测所述焊接深度H以及所述焊接能量E，并传输至所述控制装置；规定所述焊头对所述端子开始焊接的深度为0，通过所述控制装置进行深度累计，以获取所述焊接深度H；规定所述焊头对所述端子开始焊接的能量为0，通过所述控制装置进行能量累计，以获取所述焊接能量E。
9.根据权利要求1所述的一种超声波焊接控制方法，其特征在于，所述步骤S40之后还包括步骤S50：
所述焊头与所述端子脱离接触，所述焊头返回至初始位置。
10.一种超声波焊接系统，其特征在于，包括：
超声波发生装置，用于发出超声波；
控制装置，用于控制焊头以位置运动模式或速度运动模式由初始位置运动至焊接位置；以及用于控制焊头以焊接模式对端子进行焊接；以及
检测装置，用于检测焊接深度、焊接时间、焊接功率或焊接能量；并将检测数据传输至控制装置，以实现权利要求1-9中任一项所述的超声波焊接控制方法。
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