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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/259 267, eingereicht am 9. November 2009, welche hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein den Prozess des Vibrationsschweißens und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Online-Qualitätsüberwachung und -Steuerung eines Vibrationsmetallschweißprozesses.
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Hintergrund
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Der Prozess des Vibrationschweißens verwendet gesteuerte Schwingungen oder Vibrationen in einem speziellen Bereich von Frequenzen und Richtungen, um benachbarte Kunststoff- oder Metallwerkstücke zu fügen. Ultraschallschweiß- und andere Vibrationsschweißprozesse beinhalten, dass Werkstücke unter Druck bewegt werden, während Vibrationen durch die Werkstücke übertragen werden, um auf so eine Oberflächenreibung zu erzeugen. Die Oberflächenreibung erzeugt schließlich Wärme und erweicht benachbarte Abschnitte der Werkstücke, um schließlich die Werkstücke zu fügen.
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In einem Vibrationsschweißsystem ist ein/e Schweißhorn oder -sonotrode direkt mit einem oder mehreren Schweißköpfen verbunden oder integral damit gebildet. Der/die Schweißkopf/köpfe kann/können eine oder mehrere strukturierte Schweißspitze/n oder Rändelung/en, d. h. die Flächen, die mit den Werkstücken physisch in Kontakt stehen, wenn sie geschweißt werden, umfassen. Die Werkstücke sind durch einen feststehenden Schweißamboss gestützt. Das Vibrationsschweißen ist für die Industrie, z. B. beim Fügen von verschiedenen eingebauten Komponenten während der Fertigung eines Fahrzeuges, von großem Nutzen. Die Effizienz, Konsistenz und Zuverlässigkeit/Haltbarkeit eines vibrationsgeschweißten Teils, einschließlich einer mehrzelligen Fahrzeugbatterie, jedoch nicht darauf beschränkt, ist stark von der Methodik und der Konstruktion der Schweißwerkzeuge abhängig, die verwendet werden, um die verschiedenen Punktschweißstellen oder geschweißten Fügestellen in dem fertigen Teil zu bilden.
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Zusammenfassung
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Es ist hierin demgemäß ein optimiertes Vibrationsschweißverfahren und -system vorgesehen. Es sind eine Echtzeit-, zerstörungsfreie Qualitätsüberwachung und -steuerung während des Ultraschallmetallschweißens und anderer Vibrationsschweißprozesse mittels des vorliegenden Verfahrens vorgesehen, das als ein Algorithmus oder ein Satz von Befehlen ausgeführt sein kann, der in einem physischen, computerausführbaren Medium aufgezeichnet ist und durch ein Host-System automatisch ausgeführt wird, wie hierin beschrieben. Während der Bildung einer vibrationsgeschweißten Fügestelle, z. B. eines Schweißpunktes, mehrerer Schweißpunkte, einer geschweißten Naht etc., werden verschiedene Messungen vorgenommen, wobei die Messungen kollektiv eine Schweißsignatur definieren. Dann werden Merkmalsätze aus der Schweißsignatur extrahiert, um in Echtzeit/Online während der aktiven Bildung einer geschweißten Fügestelle zu bestimmen, ob die geschweißte Fügestelle annehmbar ist.
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Das vorliegende Verfahren umfasst, dass ein Satz von sensorischen Daten von Steuerungssignalen und/oder Sensoren, z. B. Temperatur-, akustischen, elektrischen, mechanischen oder anderen geeigneten Sensoren, die in Bezug auf die Schweißgrenzfläche oder in unmittelbarer Nähe zu der geschweißten Fügestelle positioniert sind, während der aktiven Bildung der geschweißten Fügestelle erfasst wird. Diese Werte definieren kollektiv die Schweißsignatur. In einer möglichen Ausführungsform kann ein abgeschirmtes oder isoliertes Thermoelement innerhalb eines feststehenden Abschnittes eines Schweißsystems, z. B. innerhalb einer Wand des Ambosses, eingebettet sein. Es kann ein Thermoelement für jeden Schweißpunkt vorgesehen sein, der gebildet wird, z. B. drei Thermoelemente für eine Batteriefahne, die drei Schweißpunkte benötigt. In einer weiteren Ausführungsform können akustische Sensoren oder elektrische Sensoren verwendet werden, um weitere Schweißparameter zu messen, die verwendet werden können, um die gesamte Schweißsignatur zu definieren.
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Der Amboss kann z. B. eine Vielzahl von Löchern oder Bohrungen definieren, in die ein Thermoelement oder ein anderer Sensor in unmittelbarer Nähe zu der Schweißgrenzfläche eingesetzt sein kann, sodass präzise sensorische Messungen von innerhalb des Schweißsystems beschafft werden können. Alternativ kann der Amboss segmentiert sein, wobei die Sensoren zwischen benachbarten Segmenten des Ambosses eingesetzt und verbunden sind und wobei die Segmente vereinigt sind, um einen massiven Amboss zu bilden. Die Messungen von den Sensoren können dem Host-System zugeführt werden, um die Schweißsignatur zu definieren, und Merkmalsätze können aus der Signatur extrahiert werden, um die Qualität der geschweißten Fügestelle, während sie gebildet wird, zu bestimmen oder vorherzusagen.
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In einer weiteren Ausführungsform können die Schweißsteuerungsparameter oder andere interne Steuerungsvariablen während der Bildung einer geschweißten Fügestelle automatisch modifiziert werden, um die Endqualität der geschweißten Fügestelle in Echtzeit zu ändern. Wenn z. B. bestimmt wird, dass eine Temperatur an dem Ort der geschweißten Fügestelle unter eine kalibrierte Schwelle abfällt, kann das Host-System einem/r Schweißcontroller/Leistungsversorgung signalisieren, bestimmte Schweißparameter, z. B. eine mechanische Schwingung und/oder eine Klemmkraft, automatisch zu ändern, um die Schweißqualität sicherzustellen. Die auf die Werkstücke während der Bildung des Schweißpunktes angewendete Klemmkraft kann durch eine Servovorrichtung, z. B. über einen Elektromotor mit einer beinahe augenblicklichen Drehmomentverfügbarkeit, bereitgestellt sein, um das Überwachen und das Steuerungsansprechen innerhalb des Schweißsystems weiter zu optimieren.
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Der Vorhersagewert aus den Temperaturmessungen kann durch Verwendung einer oder mehrerer zusätzlicher Messungen weiter verbessert werden. Es sind verschiedene Messungen innerhalb des vorgesehenen Schutzumfanges der Erfindung möglich, wie z. B. des Verschiebens eines Schweißkopfes und/oder der während der Bildung des Schweißpunktes in einem Werkstück gebildeten Einbuchtungstiefe, des dynamischen Widerstandes, der zwischen der Sonotrode und dem Amboss gemessen wird, einer angewendeten Klemmkraft, Kraftmessdosenmessungen, akustischer Werte, thermographische Messungen, Lasershearographie und andere optische und/oder interferometrische Messungen etc.
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Diese Messungen können kollektiv als eine eindeutige Schweißsignatur für jeden Schweißfügepunkt betrachtet werden, wobei die Schweißsignatur mit einer vorbestückten Bibliothek von validierten Schweißsignaturen korreliert wird, um die Qualität der resultierenden Schweißfügestelle vorherzusagen. Die Signaturen von weiteren genehmigten oder guten Schweißstellen können der Bibliothek zur Verwendung in zukünftigen Vorhersagen hinzugefügt werden. Es können neuronale Netzwerke, gewichtete Formeln, Vorhersagealgorithmen, eine lineare Regressionsanalyse, eine Hauptkomponentenanalyse, Optimierungsschemen, statistische Mess- und Klassifizierungsschemen und/oder andere geeignete Techniken von dem Host-System verwendet werden, um den Merkmalsatz aus der Schweißsignatur zu extrahieren und letztlich die Qualität der Schweißfügestelle, während sie gebildet wird, vorherzusagen.
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Es ist hierin insbesondere ein Verfahren zur Steuerung eines Ultraschallschweiß- oder anderen Vibrationsschweißsystems vorgesehen. Das Vibrationsschweißsystem produziert eine geschweißte Fügestelle oder einen Schweißpunkt an oder entlang einer Schweißgrenzfläche des Werkstückes mithilfe von mechanischen Hochfrequenzvibrationen oder -schwingungen. Das Verfahren umfasst, dass ein Satz von sensorischen Daten, d. h. Daten, die durch den Schweißcontroller oder die Leistungsversorgung während der Bildung des/r Schweißpunktes/e erzeugt werden, und/oder Daten von innerhalb des Schweißsystems, z. B. innerhalb eines feststehenden Schweißambosses, mithilfe einer Vielzahl von Sensoren, die in Bezug auf die Schweißgrenzfläche positioniert sind, erfasst wird.
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In einer möglichen Ausführungsform kann zumindest einer der Sensoren als ein Thermoelement, ein akustischer oder anderer Sensor ausgebildet sein und zumindest teilweise innerhalb einer Wand des Ambosses, z. B. in einer Bohrung, oder zwischen Segmenten des Ambosses positioniert, eingeschlossen sein. Ein Host-System kann einen vorhandenen Merkmalsatz aus der Schweißsignatur extrahieren und den vorhandenen Merkmalsatz mit validierten Merkmalsätzen, die in einer Bibliothek enthalten sind, vergleichen und korrelieren. Dann, wenn der vorhandene Merkmalsatz mit einem validierten Merkmalsatz aus der Bibliothek nicht ausreichend übereinstimmt, wird von dem Host-System eine Steuerungsaktion ausgeführt.
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Es ist hierin auch ein Vibrationsschweißsystem vorgesehen, das eine Schweißleistungsversorgung und eine Sonotrode aufweist, die geeignet sind, eine geschweißte Fügestelle, z. B. einen oder mehrere Schweißpunkte in Werkstücken mithilfe von Hochfrequenzvibrationen oder -schwingungen zu bilden. Das System umfasst ein Host-System, das ausgebildet ist, um das Verfahren auszuführen, wie oben dargelegt.
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Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Seitenansichtdarstellung eines Vibrationsschweißsystems gemäß der Erfindung;
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2 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Schweißambosses, der zur Verwendung innerhalb des in 1 gezeigten Vibrationsschweißsystems geeignet ist;
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3 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines mehrzelligen Batteriemoduls, das mithilfe des in 1 gezeigten Systems vibrationsgeschweißt werden kann;
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4 ist eine schematische Darstellung eines neuronalen Netzwerkes, das verwendet werden kann, um die Schweißqualität in dem System von 1 zu überwachen und zu steuern;
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5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Überwachen und Steuern der Qualität einer geschweißten Fügestelle mithilfe des Systems von 1 beschreibt; und
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6 ist ein Diagramm der Schweißqualität gegen eine gemessene Schweißstelleneigenschaft.
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Detaillierte Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Komponenten bezeichnen, und beginnend mit 1 ist ein Vibrationsschweißsystem 10 gezeigt, das ausgebildet ist, um geschweißte Fügestellen mithilfe von Vibrationsenergie im Ultraschallfrequenzbereich oder in einem anderen geeigneten Frequenzbereich zu bilden. Das Schweißsystem 10 umfasst eine Schweißleistungsversorgung 12, die eine verfügbare Quellenleistung in eine Form umwandelt, die dem Vibrationsschweißen dienlich ist. Wie ein Fachmann einsehen wird, kann eine Leistungsversorgung, die in einem Vibrationsschweißprozess verwendet wird, wie z. B. die Leistungsversorgung 12, mit einer beliebigen geeigneten Energiequelle wie z. B. einer 50–60 Hz Wandsteckdose elektrisch verbunden sein. Die Leistungsversorgung 12 kann einen Schweißcontroller 112 umfassen, der üblicherweise, jedoch nicht unbedingt integral mit der Leistungsversorgung ist.
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Die Leistungsversorgung 12 und der Schweißcontroller 112 wandeln die Quellenleistung schließlich in ein geeignetes Leistungssteuerungssignal (Pfeil 23) um, das (eine) vorbestimmte Wellenformcharakteristik/a aufweist, die zur Verwendung in dem Vibrationsschweißprozess geeignet ist/sind, z. B., je nach spezieller Anwendung, eine Frequenz von mehreren Hertz (Hz) bis ungefähr 40 KHz oder viel höhere Frequenzen.
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Das Leistungssteuerungssignal (Pfeil 23) wird von der Leistungsversorgung 12, oder, genauer gesagt, von dem Schweißcontroller 112 an einen Wandler 13 mit der notwendigen mechanischen Struktur zum Produzieren eines mechanischen Vibrations- oder Schwingungssignals (Pfeil 57) in einem oder mehreren Schweißköpfen 118 übertragen. Der Schweißkopf 118 kann integral mit einem Schweißhorn oder einer Sonotrode (S) 18 gebildet oder damit verbunden sein, wobei das mechanische Schwingungssignal (Pfeil 57) in Ansprechen auf das Steuerungssignal (Pfeil 23) erzeugt wird. Das mechanische Schwingungssignal (Pfeil 57) kann durch die verschiedenen Wellenformcharakteristika davon im Hinblick auf die Richtung der Schwingung als auch die Amplitude und Frequenz/Wellenlänge beschrieben werden. Wie hierin verwendet, werden das Leistungssteuerungssignal (Pfeil 23) und das mechanischen Schwingungssignal (Pfeil 57) als interne Steuerungssignale, d. h. Signale, die durch das und innerhalb des in 1 gezeigte/n System/s 10 erzeugt werden, betrachtet.
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Das Vibrationsschweißsystem 10 von 1 kann auch einen Verstärker 16 umfassen, der geeignet ist, die Amplitude der Vibration zu verstärken und/oder die Richtung einer angewendeten Klemmkraft (Pfeil 59) zu ändern, wie nachfolgend beschrieben. Das heißt, das mechanische Schwingungssignal (Pfeil 57) kann anfänglich eine relativ niedrige Amplitude, z. B. einen Bruchteil eines Mikrometers bis zu einigen Millimetern, aufweisen, die dann über den Verstärker 16 verstärkt werden kann, um die erforderliche mechanische Schwingung zu produzieren. Das mechanische Schwingungssignal (Pfeil 57) wiederum wird auf den einen oder die mehreren Schweißkopf/köpfe 118 der Sonotrode 18 übertragen.
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Der Schweißkopf 118 ist die eigentliche vibrierende oder schwingende Vorrichtung in dem Schweißsystem 10, die verwendet wird, um eine vibrationsgeschweißte Fügestelle in Verbindung mit einer angewendeten Klemmkraft (Pfeil 59) zu bilden. Die Klemmkraft (Pfeil 59) kann durch einen äußeren Mechanismus angewendet werden, der in der Ausführungsform von 1 als eine Servovorrichtung 20, z. B. ein Elektromotor oder irgendeine andere servogesteuerte Vorrichtung mit einer schnellen Ansprechzeit, ausgebildet ist. Es wird eine geschweißte Fügestelle in der Nähe einer Schweißgrenzfläche 17 zwischen jedem einer Vielzahl von Werkstücken 22 gebildet. Das System 10 kann verwendet werden, um Metalle oder Thermoplaste zu schweißen oder zu fügen, wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist, indem die Orientierung der durch die Sonotrode 18 ausgesendeten Vibrationen variiert wird. Das heißt, für Thermoplaste neigen die durch die Sonotrode 18 ausgesendeten Vibrationen dazu, rechtwinklig zu der geschweißten Fläche zu stehen, während für Metalle die Richtung allgemein tangential dazu stehen kann.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 1 kann jeder Schweißkopf 118 direkt an einer oder mehreren Schweißspitzen 21, d. h. der Fläche des Schweißkopfes, die mit den Flächen der Werkstücke 22 während der Bildung der vibrationsgeschweißten Fügestelle an oder entlang der Schweißgrenzfläche 17, welche je nach Art der Werkstücke aus einer oder mehreren Grenzflächen bestehen kann, tatsächlich in Kontakt steht, angebracht oder integral damit gebildet sein. Die Schweißspitzen 21 können derart strukturiert oder ausgebildet sein, dass sie Rändelungen, Zähne und/oder andere Reibungsmuster oder Merkmale umfassen, um eine ausreichende Griffigkeit an den Werkstücken 22 vorzusehen. Die Werkstücke 22 können einen mehrschichtigen Stapel, d. h. mit einer Vielzahl von Schichten, deren Anzahl durch die in 2 gezeigte Anzahl nicht begrenzt sein soll, bilden. Um den Vibrationsschweißprozess weiter zu erleichtern, kann/können ein oder mehrere Werkstücke 22 auf einer feststehenden Fläche oder einem Schweißamboss 24 positioniert sein. Während sie der Einfachheit wegen in 1 nicht gezeigt ist, kann der Amboss 24 auch ähnliche Rändelungen, Zähne und/oder andere Reibungsmuster oder Merkmale umfassen, um eine ausreichende Griffigkeit an den Werkstücken 22 vorzusehen, wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist.
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Innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung messen, ermitteln oder erfassen in Bezug auf die Schweißgrenzfläche 17 positionierte Sensoren 25 anderweitig einen Satz von äußeren sensorischen Daten 11, wobei die sensorischen Daten an ein Host-System 26 übertragen werden. Das Host-System 26 hat Zugriff auf eine Bibliothek 30 von zuvor validierten Schweißsignaturen und/oder Merkmalsätzen davon und ist geeignet, das Verfahren 100 auszuführen, das nachfolgend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben ist, um die Qualität der vorhandenen Schweißstelle in Echtzeit zu bewerten. Während das Host-System 26 in 1 zum besseren Verständnis getrennt von dem Schweißcontroller 112 gezeigt ist, können das Host-System und der Schweißcontroller in einer einzigen Vorrichtung integriert sein, oder die verschiedenen Elemente können über eine Vielfalt von verschiedenen Vorrichtungen verteilt sein, ohne von dem vorgesehenen erfindungsgemäßen Schutzumfang abzuweichen.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 1 extrahiert das Host-System 26 ausgewählte Merkmalsätze aus der Schweißsignatur, die aus den sensorischen Daten 11 gebildet ist, und vergleicht und korreliert die extrahierten Merkmalsätze mit der validierten Bibliothek 30. Danach kann das Host-System 26 je nach Bedarf eine oder mehrere Steuerungsaktionen ausführen, z. B. eine Anzeigevorrichtung 19 aktivieren oder verschiedene Steuerungsparameter in der Weise eines offenen Regelkreises oder eines geschlossenen Regelkreises über Steuerungssignale 15 modifizieren, wie unten stehend unter Bezugnahme auf 5 erläutert.
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Die Bibliothek 30 ist eine Sammlung von validierten gesamten Schweißsignaturen und/oder extrahierten Merkmalsätzen davon, z. B. verschiedene Paarungen oder Gruppierungen von ausgewählten Schweißarametern, die einen Abschnitt einer gesamten Schweißsignatur definieren. Die Daten in der Bibliothek 30 können während der Bildung eines Satzes von Probeschweißstellen erfasst werden, die später als Teil eines Validierungsprozesses, z. B. über Offline-Widerstandsmessungen und/oder Zugfestigkeitstests der Punktschweißstellen in einer Population von Probe- oder Testschweißstellen, getestet werden. Die Bibliothek 30 kann innerhalb eines Speichers des Host-Systems 26 resident sein oder bei Bedarf durch das Host-System leicht zugänglich gemacht werden.
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Das Host-System 26 kann als ein digitaler Computer mit einem Mikroprozessor oder einer Zentralrecheneinheit, einem Festwertspeicher (ROM), einem Arbeitsspeicher (RAM), einem mehrfach programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM), einem Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, einer Analog/Digital (A/D)- und einer Digital/Analog(DA)-Schaltung und einer Eingangs/Ausgangs-Schaltung und -vorrichtungen (E/A), wie auch einer geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltung ausgebildet sein. Jegliche Algorithmen, die in dem Host-System 26 resident oder dadurch zugänglich sind und irgendwelche Anweisungen oder einen Code umfassen, die/der das Verfahren 100 ausmachen/t, wie nachfolgend in Bezug auf 5 beschrieben, können auf einem physischen, von einem Computer lesbaren Medium gespeichert und automatisch ausgeführt werden, um die erforderliche Funktionalität bereitzustellen.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 1 sind die Sensoren 25 in unmittelbarer Nähe zu der Schweißgrenzfläche 17, d. h. an (einem) kritischen Punkt/en bei oder in der Nähe des gebildeten Schweißpunktes oder der geschweißten Fügestelle, positioniert, um die sensorischen Daten 11 genau zu messen. In einer Ausführungsform können die Sensoren 25 Thermoelementsensoren umfassen, die geeignet sind, Temperaturmesswerte als Teil von sensorischen Daten 11 zu messen. Eine spezielle Konfiguration für diese Ausführungsform ist in 2 gezeigt und nachfolgend erläutert.
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Es können zusätzliche Sensoren 125 in Bezug auf die Grenzfläche 17 positioniert sein, um ähnliche sensorische Daten 111 zu erfassen, wobei die tatsächliche Position von der speziellen Funktion und Struktur der Sensoren abhängig ist. Solche Sensoren 125 können Sensoren, die geeignet sind, einen dynamischen Widerstand, z. B. zwischen der Sonotrode 18 oder den Schweißköpfen 118 und dem Werkstück 22 während der Bildung der Schweißfügestelle zu messen, und/oder Sensoren umfassen, die eine Verschiebung der Sonotrode und/oder der Schweißköpfe während der Bildung der Schweißfügestelle messen, z. B. Sensoren auf der Basis von linear verstellbaren Differentialtransformatoren (LVDT, von linear variable differential transformer) der Art, die auf dem technischen Gebiet bekannt ist.
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Die Sensoren 125 können auch Kraftmessdosen, Laser, akustische Sensoren, Sensoren für akustische Emissionen, Wärmebildkameras etc. umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Die verschiedenen Sensoren 25, 125, die in dem Schweißsystem 10 von 1 verwendet werden, können mit dem kollektiven Satz von sensorischen Daten 11, 111, die an das Host-System 26 weitergeleitet werden, variieren, ohne von dem vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Indem es das vorliegende Verfahren 100 ausführt, vergleicht und korreliert das Host-System 26 automatisch die Merkmalsätze aus jeglichen Schweißsignaturen, die mithilfe der sensorischen Daten 11, 111 und je nach Bedarf mithilfe beliebiger interner Steuerungsdaten, z. B. des Leistungssteuerungssignals (Pfeil 23) und des mechanischen Schwingungssignals (Pfeil 57), erstellt wurden, um das Schweißsystem 10 in Echtzeit zu überwachen und/oder zu steuern. Genauer gesagt können die mithilfe des Schweißsystems 10 gebildeten Schweißstellen während ihrer aktiven Bildung und ohne dass die Werkstücke 22 zu einer anderen Überwachungsstation bewegt werden müssen, automatisch überwacht werden.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann der Amboss 24 von 1 in einer möglichen Ausführungsform speziell zur Verwendung mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Sensoren 25 geeignet sein. Der Amboss 24 kann beispielsweise Löcher oder Bohrungen 29 in einer festen Wand 31 des Ambosses definieren. Es können auch Bolzenlöcher 27 in dem Amboss 24 vorgesehen sein, um einen Satz von Befestigungselementen (nicht gezeigt) aufzunehmen und den Amboss so an einer feststehenden Fläche 35 derart zu befestigen, dass der Amboss während des Vibrationsschweißprozesses feststehend bleibt. Die Sensoren 25 können in die Bohrungen 29 in unmittelbarer Nähe zu der Schweißgrenzfläche 17 eingesetzt sein, wie in 1 gezeigt. Solch eine Positionierung kann besonders hilfreich sein, wenn die Sensoren 25 als Thermoelemente ausgebildet sind, die zum direkten Messen der Temperatur an der Grenzfläche 17 als Teil der sensorischen Daten 11 geeignet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Amboss 24 segmentiert sein, wie allgemein durch die Linien 60, 62 und 64 angezeigt. Es können Thermoelemente oder irgendwelche der weiteren oben angeführten Sensoren zwischen benachbarten Segmenten eingesetzt sein, in Position verbunden und die Segmente verbunden oder zusammengeklemmt sein, um den Amboss 24 zu bilden. Solch eine Option könnte hilfreich sein, um die Schwierigkeit der präzisen Positionierung der Sensoren 25 innerhalb der Bohrungen 29 in Bezug auf die Werkstücke 22 und die Grenzfläche 17 zu mindern.
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Es kann ein Sensor 25 für jede/n gebildete/n Schweißpunkt oder geschweißte Fügestelle vorgesehen sein. In der illustrativen Ausführungsform von 2 umfasst der Amboss 24 drei Bohrungen 29, die geeignet sind, drei Sensoren, d. h. den Sensor 25 von 1, aufzunehmen, sodass die Sensoren innerhalb der Wand 31 des Ambosses eingebettet sind. Fachleute werden jedoch einsehen, dass andere Positionen wie auch andere Sensortypen möglich sind, ohne von dem vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die Sensoren 125 können z. B. eine Wärmekamera umfassen, die nahe der Grenzfläche 17, jedoch außerhalb des Ambosses 24 positioniert ist. Es ist zu erwarten, dass die tatsächliche Position und Distanz eines gegebenen Sensors 25, 125 von der Grenzfläche 17 je nach Konstruktion und Isoliereigenschaften des gegebenen Sensors variiert.
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Unter Bezugnahme auf 3 kann gemäß einer noch weiteren Ausführungsform ein Schweißkopf 218 verwendet werden, um Schweißpunkte zu bilden, die Werkstücke 112 zusammenschweißen, die als eine elektrische Komponente ausgeführt sind, welche hier als eine mehrzellige Batterie 34 dargestellt ist, wenngleich auch andere elektrische Komponenten innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Batterie 34 umfasst einen Satz von leitfähigen Fahnen 138, 238 und ein längliches Verbindungselement 85. Die Sonotrode 18 und die restlichen Abschnitte des Schweißsystems 10 von 1 sind der Übersicht halber weggelassen. Das Verbindungselement 85 kann aus einem geeigneten leitfähigen Material gebaut sein und kann derart geformt, dimensioniert und/oder sonst wie ausgebildet sein, dass es eine Schiene oder Sammelschiene bildet, und ist an einer Verbinderplatte (nicht gezeigt) der Batterie 34 befestigt. Der Einfachheit halber sind in 3 nur die Abschnitte der Batterie 34 gezeigt, die sich über einer imaginären Ebene 37 erstrecken.
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Eine mögliche Verwendung für die Batterie 34 umfasst das Betreiben von verschiedenen eingebauten elektronischen Vorrichtungen und den Antrieb in einem Elektrohybridfahrzeug (HEV, von hybrid electric vehicle), einem Elektrofahrzeug (EV), einem Plug-in-Elektrohybridfahrzeug (PHEV) und dergleichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Batterie 34 könnte z. B. ausreichend dimensioniert sein, um die benötigte Spannung zum Betreiben eines Elektrofahrzeuges oder eines Benzin/Elektrohybridfahrzeuges, z. B. je nach geforderter Anwendung ca. 300 bis 400 Volt oder einen anderen Spannungsbereich, bereitzustellen.
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Die Batterie 34 kann eine Vielzahl von Batteriezellen umfassen, von denen jede eine/n positiv geladene/n Anschluss oder Fahne 238 und eine/n negativ geladene/n Anschluss oder Fahne 138 aufweist. Die speziellen Fahnen 238, 138, die positiv und negativ geladen sind, können hinsichtlich der in 3 gezeigten Konfiguration umgedreht sein, d. h. die Fahnen 238 sind negativ geladen und die Fahnen 138 sind positiv geladen, ohne von dem vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Unabhängig von ihren jeweiligen Ladungen sind die Fahnen 138, 238 Elektrodenausdehnungen einer Zelle und sind jeweils intern an die verschiedenen Anoden und Kathoden geschweißt, die diese spezielle Zelle umfasst, wie Fachleute ohne weiteres einsehen werden.
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Unter Bezugnahme auf 4 bildet das in 1 gezeigte Host-System 26 beim Ausführen des Verfahrens 100 zum Überwachen einer Schweißfügestelle und/oder Steuern des Schweißsystems 10 während eines Vibrationsschweißprozesses automatisch eine gesamte Schweißsignatur mithilfe der sensorischen Daten 11, 111 und extrahiert ausgewählte Merkmalsätze aus der Schweißsignatur. Wie oben angeführt, wird die gesamte Schweißsignatur aus einer Vielzahl von verschiedenen Schweißparametern erstellt. Das Host-System 26 vergleicht und korreliert dann die extrahierten Merk-malsätze mit jeglichen verfügbaren und relevanten internen Steuerungsdaten, z. B. dem Leistungssteuerungssignal (Pfeil 23 von 1) und dem Schwingungssignal (Pfeil 57 derselben Fig.), mit der Bibliothek 30. In einer Ausführungsform kann solch eine Merkmalsatzextraktion und -korrelation Berechnungsverfahren wie z. B. eine Finite-Elemente-Analyse, Differentialgleichungen, eine Regressionsanalyse, gewichtete Algorithmen, neuronale Netzwerke, eine Hauptkomponentenanalyse, Optimierungsalgorithmen, statistische Mess- und Klassifizierungssysteme etc. verwenden.
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Die Ausführungsform mit einem neuronalen Netzwerk ist in 4 veranschaulicht. Ein neuronales Netzwerk stellt ein Informationsverarbeitungsparadigma bereit. Das neuronale Netzwerk 40 kann in Echtzeit einen vorbestimmten gesamten oder kombinierten Satz von detektierbaren oder messbaren Schweißprozessvariablen betrachten, welche die oben angeführten sensorischen Daten 11, 111 umfassen. Das neuronale Netzwerk 40 kann dann bestimmen oder erkennen, ob ein spezielles Muster in der gesamten Schweißsignatur, die kollektiv durch die sensorischen Daten 11 und 111 definiert ist, oder in einem extrahierten Merkmalsatz solch einer Schweißsignatur repräsentiert ist, welches gemäß einem vorbestimmten Satz von Qualitätskriterien (1) annehmbar, gut oder genehmigt oder (2) nicht annehmbar, schlecht oder nicht genehmigt ist.
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Wie für Fachleute einzusehen sein wird, können neuronale Netzwerke wie z. B. das in 4 gezeigte neuronale Netzwerk 40 verwendet werden, um ein spezielles Ergebnis vorherzusagen und/oder um ein Muster zu erkennen, das durch einen suboptimalen, ungenauen und/oder einen relativ komplexen Satz von Eingangsdaten repräsentiert ist. Solche Eingangsdaten können z. B. aus den oben beschriebenen sensorischen Signalen 11 und/oder 111 wie auch aus beliebigen internen Signalen wie z. B. Schweißspannungs- und/oder -stromwerten von der Leistungsversorgung 12 von 1, Klemmkräften (Pfeil 39), der Umgebungstemperatur etc. bestehen.
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Das neuronale Netzwerk 40 kann in das Host-System 26 von 1 programmiert, darin gespeichert oder sonst wie für dieses zugänglich sein und ist durch das Verfahren 100 verwendbar, um ein Muster in den erfassten sensorischen Daten 11 genau vorherzusagen, zu klassifizieren oder sonst wie zu erkennen und ein Ausgangssignal (Pfeil 90) während der Bildung der Schweißpunkte/geschweißten Fügestelle zu erzeugen. Das neuronale Netzwerk 40 kann zumindest eine Eingangsschicht 50 mit einer Vielzahl von verschiedenen Eingangsneuronen oder -knoten 51 umfassen, die jeweils ausgebildet sind, um Daten, Messwerte und/oder andere vorbestimmte Informationen von außerhalb des neuronalen Netzwerkes 50 zu empfangen. Dieser Informations- oder Eingangssatz 45 kann eine detektierte Temperatur 61 an der Grenzfläche 17, einen dynamischen Widerstand 63, der zwischen der Sonotrode 18 und dem Amboss 24 von 1 gemessen wird, und eine Verschiebung 65 des Werkstückes 22 umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zumindest ein zusätzlicher Eingangsknoten 51 kann ausgebildet sein, um je nach Bedarf ein zusätzliches Stück oder Stücke von Eingangsdaten, einen Messwert oder eine andere Prozessinformation zu empfangen, wie durch die Variable 67 repräsentiert. Die Eingangsvariable 67 kann z. B. Messwerten von einem der oben dargelegten Sensoren 125, z. B. Infrarotkameramessungen, akustischen Messungen und dergleichen, entsprechen.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 4 umfasst das neuronale Netzwerk 40 ferner zumindest eine „verborgene” Schicht 52, die eine Vielzahl von verborgenen Neuronen oder verborgenen Knoten 53 enthält, die jeweils Informationen, die von den Eingangsknoten 51 der Eingangsschicht 50 in einer speziellen Weise ausgegeben werden, empfangen und weiterleiten, wobei die verborgenen Knoten die verarbeiteten Informationen an andere Neuronen oder Knoten einer oder mehrerer zusätzlicher verborgener Schichten (nicht gezeigt), falls verwendet, oder direkt an eine Ausgangsschicht 54 weiterleiten. Die Ausgangsschicht 54 enthält ebenso zumindest ein/en Ausgangsneuron oder Ausgangsknoten 55, das/der Informationen nach außerhalb des neuronalen Netzwerkes 40, wie z. B. an die Anzeigevorrichtung 19 (siehe 1) und/oder an eine Trainingsdatenbank, kommuniziert oder überträgt, wie durch das Verfahren 100 bestimmt, das nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 beschrieben ist. Die Knoten 53 und 55 können lineare, S-förmige oder andere Übertragungsfunktionen enthalten, die den Eingangssatz 45 verarbeiten, z. B. indem sie den verschiedenen Werten in dem Eingangssatz eine spezielle Wichtigkeit oder Gewichtung zuordnen, wie für Fachleute auf dem Gebiet verständlich sein wird.
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Nach dem Korrelieren, das heißt, nachdem das Host-System 26 mithilfe des extrahierten Merkmalsatzes oder der gesamten Schweißsignatur wie oben angegeben eine Schweißqualität vorhergesagt oder bestimmt hat, kann das Host-System dann in Ansprechen auf das Ergebnis (eine) Steuerungsaktion/en ausführen. Diese kann umfassen, dass die Anzeigevorrichtung 19 von 1, z. B. eine Audio- und/oder visuelle Anzeigetafel, ein Leuchtbalken, ein Mensch/Rechner-Schnittstellenpanel etc., aktiviert wird, der Schweißprozess vorübergehend ausgeschaltet wird, eine Nachricht übertragen wird etc. Weitere geeignete Steuerungsaktionen könnten umfassen, dass eine Steuerung mit offenem Regelkreis oder geschlossenem Regelkreis in Echtzeit über den Schweißprozess ausgeführt wird, um bestimmte interne Steuerungsvariablen, z. B. das Leistungssteuerungssignal (Pfeil 23) und/oder das Schwingungssignal (Pfeil 57) oder andere interne Signale, schnell zu ändern. Die Verwendung von Servosteuerungen wie z. B. der Servovorrichtung 20 von 1 kann die Ansprechzeiten optimieren, wenn solch eine Prozesssteuerung erwünscht ist. Die Bibliothek 30 kann mit bekannten genehmigten und nicht genehmigten Mustern der gesamten Schweißsignatur und/oder von validierten Merkmalsätzen davon vorbestückt sein, wobei das Host-System 26 während der Korrelation automatisch auf die Bibliothek bezieht.
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Unter Bezugnahme auf 5 und mit Bezug auf die Struktur von 1 beginnt das vorliegende Verfahren 100 mit Schritt 102, in dem der Vibrationsschweißprozess eingeleitet wird. Der Schritt 102 umfasst jegliche erforderlichen Positionierungs- und Vorbereitungsschritte wie z. B. das Anordnen des Werkstückes 22 auf dem Amboss 24 und das Einleiten des Vibrationsschweißprozesses mit dem Schweißsystem 10. Das Verfahren 100 schreitet dann zu Schritt 104 weiter.
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Bei Schritt 104 erfassen die Sensoren 25, 125 die sensorischen Daten 11 bzw. 111 und übertragen oder leiten die sensorischen Daten an das Host-System 26 weiter. Sobald sie von dem Host-System 26 empfangen wurden, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 106 weiter, in dem das Host-System die sensorischen Daten 11, 111 mithilfe einer der oben erwähnten Herangehensweisen mit dem Inhalt der Bibliothek 30 korreliert.
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Unter kurzer Bezugnahme auf 6 ist ein Diagramm 70 für drei verschiedene Schweißpunkte bereitgestellt, wobei die Schweißqualität (vertikale Achse 80) gegen die spezielle gemessene Schweißeigenschaft, z. B. die Temperatur oder Verschiebung, d. h. die Horizontalachse 82, aufgetragen ist. Die Datenpunkte 71, 73 und 75 repräsentieren jeweils einen Messwert einer Eigenschaft und deren Qualität, z. B. die Zugfestigkeit, für eine gegebene geschweißte Fügestelle. Eine Regressionsanalyse, z. B. der kleinsten Quadrate, wie auf dem technischen Gebiet bekannt, könnte einen Korrelationskoeffizienten R bestimmen und den R2-Wert und eine Best-Fit-Linie, d. h. die Linien 72, 74 und 76, ermitteln.
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Das Diagramm 70 bringt zum Ausdruck, dass die Beziehung zwischen einer gegebenen Schweißqualität und einer Schweißigenschaft nicht unbedingt linear ist, oder dass die Beziehung für einen Abschnitt des Spektrums linear sein und in anderen Abschnitten nicht linear werden kann. Wenn die Eigenschaft z. B. eine Schweißtemperatur und die Qualität eine Zugfestigkeit ist, kann eine Erhöhung der Temperatur bis zu einem Punkt eine Erhöhung der Festigkeit zur Folge haben. Weitere Erhöhungen der Temperatur können eine geringe Auswirkung haben oder können die Schweißstellenfestigkeit herabsetzen. Es kann daher ein Bedarf an festen unteren und oberen Schwellenwerten für bestimmte Schweißeigenschaften bestehen, wobei solche Grenzen als kalibrierte Werte gespeichert sind, auf die während der Ausführung des vorliegenden Verfahrens 100 zugegriffen wird. Welche Korrelationstechnik auch immer verwendet wird, sobald der Schritt 106 abgeschlossen ist, schreitet das Verfahren 100 zu dem Schritt 108 weiter.
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Bei Schritt 108 nimmt das Host-System 26 eine Bestimmung der Qualität des/der gerade gebildeten Schweißpunkte/s/-fügestellen vor. Wenn das Host-System 26 bestimmt, dass die Schweißsignatur oder ein daraus extrahierter vorliegender Merkmalsatz, der durch die sensorischen Daten 11, 111 definiert ist, einer nicht annehmbaren Schweißstelle entspricht, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 110 weiter, andernfalls ist das Verfahren beendet oder das Verfahren kann optional zu Schritt 109 weiterschreiten.
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Bei Schritt 109 kann eine vorhergesagte gute oder genehmigte Schweißstelle von Schritt 108 der Bibliothek 30 hinzugefügt werden. Solch ein Schritt kann dabei hilfreich sein, die Vorhersagegenauigkeit des Verfahrens 100 zu optimieren, z. B. indem das neuronale Netzwerk 40 von 4 oder irgendeine der anderen möglichen Korrelationstechniken mit einer weiteren Schweißsignatur versehen wird, gegen die zu vergleichen ist. Alternativ kann die durch die sensorischen Daten 11, 111 definierte Schweißsignatur für eine zukünftige Validierung gekennzeichnet werden und der Bibliothek 30 nur dann hinzugefügt werden, nachdem sie unabhängig gegen eine kalibrierte Qualitätsmetrik validiert wurde.
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Bei Schritt 110 kann das Host-System 26 eine oder mehrere Steuerungsaktionen, wie oben erwähnt, automatisch ausführen, z. B. die Anzeigevorrichtung 19 aktivieren, den Schweißprozess vorübergehend ausschalten, eine Nachricht übertragen, eine Steuerung/Regelung mit offenem Regelkreis oder geschlossenem Regelkreis über den Schweißprozess ausführen etc. Das Verfahren 100 ist dann beendet.
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Während die besten Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, wird ein Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche praktisch umzusetzen.
