DE102013222876B4

DE102013222876B4 - Vibrationsschweißsystem mit automatischer Überwachung

Info

Publication number: DE102013222876B4
Application number: DE102013222876.7A
Authority: DE
Inventors: John Patrick Spicer; Debejyo Chakraborty; Michael Anthony Wincek; Hui Wang; Jeffrey A. Abell; Jennifer Bracey; Wayne W. Cai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: DE102013222876A1

Abstract

Vibrationsschweißsystem, umfassend: eine Vibrationsschweißeinrichtung (10) mit einem Schweißhorn (14) und einem Schweißamboss (16), welche ausgestaltet ist, um eine Schweißnaht auf einem zwischen dem Schweißhorn (14) und dem Schweißamboss (16) eingespannten Werkstück (30, 130) zu bilden; einen Schweißroboter (50) mit einem Arm (53), auf dem das Schweißhorn (14) angeordnet ist,; und eine erste Vielzahl von Sensoren (25), die in Bezug auf die Vibrationsschweißeinrichtung (10) positioniert sind, während das Werkstück (30, 130) zwischen dem Schweißhorn (14) und dem Schweißamboss (16) eingespannt ist; dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Arm (53) des Schweißroboters (50) auch der Schweißamboss (16) angeordnet ist, wobei der Schweißroboter (50) ausgestaltet ist, um das Schweißhorn (14) und den Schweißamboss (16) selektiv zu einer Kontrollstation (54) zu bewegen, um einen Status-Zustand der Vibrationsschweißeinrichtung (10) zu bestimmen; wobei das Vibrationsschweißsystem ferner umfasst: die Kontrollstation (54); eine zweite Vielzahl von Sensoren (25), die in Bezug auf die Kontrollstation (54) positioniert sind, wobei die zweite Vielzahl von Sensoren (25) eine druckempfindliche Anordnung (25B) umfasst; und eine Hostrechner-Vorrichtung (40) in Kommunikation mit der ersten und der zweiten Vielzahl von Sensoren (25), wobei die Hostrechner-Vorrichtung (40) einen Prozessor (42) und einen physischen, nicht flüchtigen Speicher (44) umfasst, in dem Anweisungen zum Überwachen der Vibrationsschweißeinrichtung, um den Status-Zustand zu bestimmen, aufgezeichnet sind; wobei die Hostrechner-Vorrichtung (40) ausgestaltet ist, um die Anweisungen von dem Speicher (44) über den Prozessor (42) auszuführen, um dadurch: einen ersten Satz von Signalen von der ersten Vielzahl von Sensoren (25) zu empfangen, während das Schweißhorn (14) aktiv die Schweißnaht auf dem Werkstück (30, 130) bildet; dem Roboter (50) selektiv zu befehlen, das Schweißhorn (14) und den Amboss (16) zu der Kontrollstation (54) zu bewegen; ...

Description

ERKLÄRUNG ZU BUNDESSTAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der U.S.-Regierung unter einer/m Vereinbarung/Projekt DE-EE000 2 217, Department of Energy American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) 2009, Battery Pack Manufacturing B511 gemacht. Die U.S.-Regierung besitzt bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vibrationsschweissvorrichtung mit automatischer Überwachung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der DE 10 2010 050 387 A1 bekannt.
Ferner ist aus der US 2004/0 112 874 A1 eine Schweißstation mit einem Schweißarm bekannt, an dem zwei Schweißspitzen vorgesehen sind, wobei die Schweißstation zur Überprüfung der Schweißspitzen zu einer Überwachungsstation bewegt werden kann, wo unterschiedliche Tests vorgenommen werden.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften US 2003/0 015 501 A1 und US 6 780 122 B2 verwiesen.
HINTERGRUND
Vibrationsschweißen ist eine Technik, bei der Schwingungsenergie in einem speziellen Frequenzbereich auf ein eingespanntes Werkstück angewendet wird. Der Frequenzbereich ist typischerweise Ultraschall. Die Oberflächenreibung zwischen den schwingenden benachbarten Oberflächen des eingespannten Werkstückes erzeugt Wärme, die schließlich die benachbarten Oberflächen des Werkstückes erweicht und bindet. Das Vibrationsschweißen in einem gut beherrschten Verfahren unter Verwendung einer einwandfrei funktionierenden Schweißeinrichtung produziert typischerweise Schweißnähte mit einer hoch konsistenten und wiederholbaren Schweißqualität. Während es jedoch verschiedene Ansätze gibt, die Steuerung eines Vibrationsschweißprozesses sicherzustellen, können solche Ansätze weniger optimal für die Zwecke einer fortlaufenden Überwachung eines Wartungsstatus- oder eines anderen Status-Zustandes der Vibrationsschweißeinrichtung sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Vibrartionsschweißsystem anzugeben, das eine besonders zuverlässige Überwachung des Schweißprozesses erlaubt.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Vibrationsschweißsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierin sind ein Vibrationsschweißsystem und -verfahren zum automatischen Überwachen eines Status-Zustandes einer Garnitur von Ultraschall- oder anderen Vibrationsschweißeinrichtungen offenbart. Das/die vorliegende System und Methodik können in einer Produktionsumgebung verwendet werden, um die Schweißeinrichtungseinstellung, -wartung und -Echtzeit-Diagnostik schnell zu verifizieren und zu quantifizieren. Als Teil des vorliegenden Systems sind verschiedene Sensoren in Bezug auf die Vibrationsschweißeinrichtung in Kommunikation mit einer hier auch nur als Host-Vorrichtung bezeichneten Hostrechner-Vorrichtung, z. B. einem/r oder mehreren Computern/Rechenvorrichtungen mit der erforderlichen Hardware und Software, die benötigt werden, um die das vorliegende Verfahren verkörpernden, aufgezeichneten, computerlesbaren Anweisungen auszuführen, positioniert, wie hierin im Detail erklärt. Einige der Sensoren können nahe einer Schweißprozesslinie wie z. B. an oder in der Nähe einer Kontrollstation positioniert sein, sodass ein Schweißroboter eine bestimmte Schweißeinrichtung, z. B ein/en Schweißhorn und -amboss, einfach zu der Kontrollstation bewegen kann und periodisch Zustandsüberwachungsschritte nicht am Montageband durchführen kann. Andere Schritte können am Band durchgeführt werden, während gerade eine Schweißnaht gebildet wird.
Die Host-Vorrichtung führt Schritte des Verfahrens in regelmäßigen vorgeschriebenen Intervallen aus, um sicherzustellen, dass die Vibrationsschweißeinrichtung eine erwünschte Leistungskonsistenz beibehält, und um schließlich sicherzustellen, dass jegliche mithilfe der Schweißeinrichtung gebildeten Schweißnähte ein gleichbleibendes und wiederholbares Qualitätsniveau aufweisen. Durch Ausführen der verschiedenen das vorliegende Verfahren verkörpernden Schritte kann die Host-Vorrichtung schnell potentielle Schweißprozess/einrichtungsprobleme diagnostizieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen mit einer Regelkreis-Prozesssteuerung können das vorliegende System und Verfahren verwendet werden, um die Grundursache/n solcher Probleme genau zu erkennen. Die Fähigkeit, dies in Echtzeit zu tun, kann in Verbindung mit bestehenden Schweißprozess-Steuertechniken eine schnelle Korrekturmaßnahme in Bezug auf die Schweißeinrichtung erleichtern.
Im Speziellen ist hierin ein Vibrationsschweißsystem offenbart, welches eine Vibrationsschweißeinrichtung mit zumindest einem Schweißhorn und einem Schweißamboss aufweist. Das System umfasst auch eine Host-Vorrichtung, eine Kontrollstation und einen Roboter mit einem Arm, der mit dem Schweißhorn und -amboss verbunden ist. Der Roboter dreht oder bewegt das Schweißhorn und den Amboss anders in vorgeschriebenen Intervallen zu der Kontrollstation, z. B. durch Verschwenken von einem Prozess-Förderband zu der Kontrollstation ein Mal pro Schicht. Außerdem umfasst das System eine erste und eine zweite Vielzahl von Sensoren. Die erste Vielzahl von Sensoren ist in Bezug auf die Vibrationsschweißeinrichtung positioniert. Die zweite Vielzahl von Sensoren, die in Bezug auf die Kontrollstation positioniert sein kann, kann eine druckempfindliche Anordnung und/oder Druckmessdose umfassen.
Die Host-Vorrichtung, die in Kommunikation mit der ersten und der zweiten Vielzahl von Sensoren steht, weist einen Prozessor und einen konkreten, nicht transitorischen Speicher auf, in dem Anweisungen zum Überwachen eines Status-Zustandes der oben angeführten Vibrationsschweißeinrichtung aufgezeichnet sind. Die Host-Vorrichtung ist ausgestaltet, um die Anweisungen von dem Speicher auszuführen, um dadurch einen ersten Satz von Signalen von der ersten Vielzahl von Sensoren zu empfangen, wenn das Schweißhorn aktiv eine Schweißnaht auf einem Werkstück bildet; d. h., während das Schweißhorn an dem Prozess zum Bilden der Schweißnaht beteiligt ist.
Die Ausführung der Anweisungen bewirkt, dass der Roboter das Schweißhorn und den Amboss in dem vorgeschriebenen Intervall zu der Kontrollstation bewegt, um die zweite Vielzahl von Sensoren zu aktivieren, wenn sowohl das Schweißhorn als auch der Amboss an der Kontrollstation positioniert sind, und um einen zweiten Satz von Signalen über die zweite Vielzahl von Sensoren zu empfangen. Daraufhin bestimmt die Host-Vorrichtung den Status-Zustand der Schweißeinrichtung, z. B. als eine Funktion des ersten und des zweiten Satzes von Signalen. Die erste Vielzahl von Sensoren umfasst einen akustischen Sensor. Die Host-Vorrichtung ist ausgestaltet, um ein voraufgezeichnetes akustisches Basisliniensignal, z. B. über einen Lautsprecher, an den akustischen Sensor zu übertragen, und um das übertragene voraufgezeichnete akustische Basisliniensignal über den akustischen Sensor aufzuzeichnen. Die Host-Vorrichtung vergleicht das aufgezeichnete Signal mit dem voraufgezeichneten Basisliniensignal, um eine Signalschwankung zwischen den verglichenen Signalen zu bestimmen.
Die erste Vielzahl von Sensoren kann auch (einen) Temperatursensor(en) umfassen, welche/r nahe der Schweißeinrichtung verbunden ist/sind. In einer anderen Ausführungsform kann die Vibrationsschweißeinrichtung einen Schwinger wie z. B. einen piezoelektrischen Stapel, der mit dem Schweißhorn verbunden ist, umfassen. Der Schwinger bewirkt, dass das Schweißhorn schwingt. In diesem Fall kann die erste Vielzahl von Sensoren einen Temperatursensor in der Form eines Thermofühlers oder Thermistors umfassen, der mit dem piezoelektrischen Stapel verbunden ist. Es kann ein anderer Temperatursensor verwendet werden, um die Temperatur eines Schweißcontrollers zu messen. Die Temperaturen aller drei Elemente, d. h. des Schweißhorns, des Schwingers und des Controllers, können die Schweißfrequenz und damit die letztendliche Schweißqualität beeinflussen und werden daher hierin als Steuerparameter beim Bestimmen des Status-Zustandes der Schweißeinrichtung verwendet.
Optional kann auch ein dreiachsiges Gyroskop mit einem Schweißkopf des Schweißhorns verbunden sein und verwendet werden, um das Nicken, Gieren und Rollen des Schweißkopfes als Teil des ersten Satzes von Signalen zu messen. Es kann ein Wegsensor mit dem Schweißkopf verbunden sein und verwendet werden, um einen Trennungsabstand zwischen dem Werkstück und dem Schweißkopf, auch als Teil des ersten Satzes von Signalen zu messen, und um eine einwandfreie Schweißnahtpositionierung in Bezug auf das Werkstück sicherzustellen.
Die Host-Vorrichtung kann optional aufgezeichnete Bildverarbeitungsanweisungen oder eine Code/Computervisions-Logik umfassen. In diesem Fall kann die Host-Vorrichtung ausgestaltet sein, um ein Abdruckmuster auf dem Schweißhorn über selektives Ausführen des Bildverarbeitungscodes zu detektieren und zu quantifizieren. Wie im Stand der Technik bekannt, gibt es verschiedene Software-Ansätze zum Erkennen eines Musters oder Bildes einschließlich neuronaler Netzwerkverarbeitung oder Bildvergleiche mit Datenbanken bekannter guter/schlechter Abdruckmuster. Solch ein Abdruckmuster kann für verschiedene Diagnosezwecke einschließlich Sauberkeit, Ausrichtung, Werkzeugverschleiß etc. verwendet werden.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines Status-Zustandes einer Vibrationsschweißeinrichtung umfasst, dass eine Schweißnaht auf einem Werkstück mithilfe der Vibrationsschweißeinrichtung gebildet wird und ein erster Satz von Signalen von einer ersten Vielzahl von Sensoren empfangen wird, während die Schweißnaht auf dem Werkstück aktiv gebildet wird, umfassend, dass zumindest eine Temperatur der Vibrationsschweißeinrichtung empfangen wird. Das Verfahren umfasst auch, dass einem Schweißroboter befohlen wird, das Schweißhorn und den Schweißamboss zu einer Kontrollstation zu bewegen, und eine zweite Vielzahl von Sensoren, umfassend eine druckempfindliche Anordnung, selektiv aktiviert wird, wenn das Schweißhorn und der Schweißamboss die Kontrollstation erreichen.
Das Verfahren umfasst außerdem, dass ein zweiter Satz von Signalen von einer zweiten Vielzahl von Sensoren, die in Bezug auf die Kontrollstation positioniert sind, empfangen wird, umfassend, dass zumindest eine gemessene Schweißkraft von der druckempfindlichen Anordnung empfangen wird. Der erste und der zweite Satz von Signalen werden mithilfe des Prozessors verarbeitet, um dadurch einen Zustand der Vibrationsschweißeinrichtung zu bestimmen.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Illustration einer beispielhaften Vibrationsschweißeinrichtungsgarnitur, die überwacht werden kann, wie hierin dargelegt.
2 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines beispielhaften Werkstückes in der Form eines mehrzelligen Batterieblockabschnittes, der unter Verwendung der in 1 gezeigten Vibrationsschweißeinrichtung geschweißt werden kann.
3 ist eine schematische Illustration eines Systems zum Überwachen eines Zustandes der in 1 gezeigten Vibrationsschweißeinrichtung.
4A ist eine schematische Illustration einer beispielhaften druckempfindlichen Anordnung, die verwendet werden kann, um einen Zustand der in 1 gezeigten Vibrationsschweißeinrichtung zu messen.
4B ist eine schematische Illustration eines Abschnittes des Ausganges der druckempfindlichen Anordnung von 4A.
4C und 4D sind schematische Illustrationen eines optionalen Messinstruments zum Bestimmen einer Ausrichtung der Schweißeinrichtung.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Überwachen eines Zustandes der in 1 gezeigten Vibrationsschweißeinrichtung beschreibt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern in den verschiedenen Fig. durchweg gleiche Komponenten bezeichnen, ist in 1 eine Vibrationsschweißeinrichtungsgarnitur 10 schematisch gezeigt. Die Vibrationsschweißeinrichtung 10 kann z. B. verwendet werden, um Schweißnähte bei der Fertigung eines Werkstückes zu bilden, wobei in 2 ein beispielhaftes Werkstück 130 in der Form eines Abschnitts eines mehrzelligen Batterieblocks gezeigt ist. Während andere Arten von Werkstücken ultraschallgeschweißt werden können, ohne von dem vorgesehenen erfindungsgemäßen Schutzumfang abzuweichen, ist das beispielhafte Werkstück 130 von 2 typischerweise von der Art eines geschweißten Systems, in dem qualitativ hochwertige/dauerhafte Schweißnähte in einem wiederholbaren Prozess gebildet werden müssen.
Eine Host-Vorrichtung 40 steht in Kommunikation mit der Vibrationsschweißeinrichtung 10 und Sensoren 25, die in Bezug auf die Vibrationsschweißeinrichtung 10 positioniert sind. Jeder Sensor 25 besitzt eine andere Funktion, wobei ein Satz von beispielhaften Sensoren 25B–K unten stehend mit Bezugnahme auf 3 im Detail beschrieben ist. Die Host-Vorrichtung 40, d. h. ein Computer, umfasst auch einen Prozessor 42 und einen konkreten, nicht transitorischen Speicher 44, in dem Anweisungen aufgezeichnet sind, welche das vorliegende Verfahren 100 verkörpern, von dem ein Beispiel in 5 gezeigt ist. Die Host-Vorrichtung 40 führt periodisch die Anweisungen über den Prozessor 42 aus, um dadurch einen Wartungsstatus- oder einen anderen Status-Zustand der Vibrationsschweißeinrichtung 10 zu überwachen. Als Teil dieses Prozesses kann die Vibrationsschweißeinrichtung 10 an einer nahe gelegenen Kontrollstation 54 überprüft werden, wobei ein derartiges Überprüfen unten stehend mit Bezug auf die 3, 4A und 4B in größerem Detail beschrieben ist.
Die beispielhafte Vibrationsschweißeinrichtung 10 von 1 kann eine Schweißgerätvorrichtung 12 mit einer/m Sonotrode/Schweißhorn 14 und einem Schweißamboss 16 umfassen, wobei die Schweißgerätvorrichtung 12 die Stützstruktur und Unterstützung für das Schweißhorn 14 und den Schweißamboss 16 bereitstellt. Die Vibrationsschweißeinrichtung 10 kann auch einen Schweißcontroller 20 umfassen. Das Schweißhorn 14 ist typischerweise mit einem Schwinger 24, z. B. einem piezoelektrischen Stapel, verbunden. Signale von dem Schweißcontroller 20 bewirken, dass der Schwinger 24 mit einer kalibrierten Frequenz schwingt, was wiederum das Schweißhorn 14 mit der gleichen Frequenz in Schwingung versetzt, möglicherweise durch einen Booster 22 verstärkt.
Wie Fachleute einsehen werden, kann ein/e Schweißcontroller/Leistungsversorgung von der beim Vibrationsschweißen verwendeten Art wie z. B. der Schweißcontroller 20 von 1 mit einer geeigneten Energiequelle, typischerweise einer 50–60 Hz Wandsteckdose, elektrisch verbunden sein. Der Schweißcontroller 20 kann z. B. einen Schwingungserzeuger oder Zeitgeber 38 wie auch Spannungsgleichrichter, Transformatoren, Wechselrichter und/oder andere Hardware umfassen, die schließlich die Quellenleistung unabhängig von ihrer Form in Schwingungssteuersignale umwandelt. Die Steuersignale befehlen schließlich eine vorbestimmte Wellenform-Charakteristik/en, z. B., abhängig von der speziellen Schweißanwendung, ein periodisches Signal mit einer Frequenz von etwa 20 kHz bis etwa 40 kHz oder mehr.
Das in 1 gezeigte Schweißhorn 14 umfasst typischerweise einen Schweißkopf 21 mit einem strukturierten Rändelungsmuster, z. B. Erhebungen und/oder Wulsten, die zum Fassen und Halten eines zwischen dem Schweißhorn 14 und dem Amboss 16 eingespannten Werkstückes geeignet sind. Ein Ambosskopf 23 des Ambosses 16 umfasst typischerweise ein ähnliches Rändelungsmuster. Die Vibrationsschweißeinrichtung 10 kann auch einen Booster 22, d. h. einen mechanischen Verstärker umfassen, der die Amplitude jeder befohlenen mechanischen Schwingung von dem Schwinger 24 je nach Bedarf erhöht.
Die Host-Vorrichtung 40 von 1 empfängt Signale von jedem der Sensoren 25 und verarbeitet dann die empfangenen Signale bei der Ausführung des Verfahrens 100. Die verschiedenen Signale sind in 1 als ein Sauberkeitssignal (α), Ausrichtungs-, Werkzeugverschleiß- und Schweißkraftsignale (β und optional γ), Amplitudensignale (δ), Wegsignale (σ) und akustische Signale (o) angegeben. Weitere Signale können abhängig von der Anwendung ein Schweißhöhensignal (ψ), ein Schweißkopf-Lagesignal (ζ), d. h. Nicken, Gieren und Rollen, eine Schweißhorntemperatur (η), eine Schwingertemperatur (ε) und gegebenenfalls die Controllertemperatur (τ) des Schweißcontrollers 20 und/oder andere Temperaturen umfassen. Es kann auch die Temperatur jedes der Sensoren, die verwendet werden, um die verschiedenen oben angeführten Signale, z. B. die Wegsignale (σ) zu messen, gemessen werden, da die Kalibrierung einiger oder aller von den Sensoren 25 durch eine Temperaturänderung beeinflusst werden kann. Die Host-Vorrichtung 40 kann auch ein akustisches Prüfsignal (Pfeil 11) als Teil des Verfahrens 100 übertragen und kann auch ein Steuersignal (Pfeil 13) an eine externe Vorrichtung 17, z. B. einen Qualitätsindikator, ausgeben. Einige dieser Signale werden von der Kontrollstation 54 empfangen, wie nachfolgend mit Bezugnahme auf die 3 und 4A beschrieben, wobei alle diese Signale und ihre jeweiligen Sensoren 25 nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 in größerem Detail beschrieben sind.
Die Host-Vorrichtung 40 von 1 kann, wie oben angeführt, den Prozessor 42 und den Speicher 44 umfassen. Der Speicher 44 kann jeden erforderlichen Festwertspeicher (ROM), einen Flash-, einen optischen und/oder einen anderen nicht transitorischen Speicher umfassen. Die Host-Vorrichtung 40 kann auch einen transitorischen Speicher, z. B. jeden erforderlichen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) etc. umfassen. Die Host-Vorrichtung 40 kann auch zusätzliche Schaltungen wie z. B. einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber (nicht gezeigt), Analog/Digital-Schaltungen, Digital/Analog-Schaltungen, einen Digitalsignalprozessor und die erforderlichen Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen sowie andere Signalaufbereitungs- und/oder Pufferschaltungen umfassen. Somit stellt die Host-Vorrichtung 40 die erforderlichen Hardware-Komponenten bereit, die benötigt werden, um die das vorliegende Verfahren 100 verkörpernden Prozessanweisungen auszuführen.
Bezug nehmend auf 2 ist in einer nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform ein Werkstück 130 als Abschnitt einer mehrzelligen Batterie mit einem länglichen, leitfähigen Verbindungselement 45 gezeigt. Ein vollständiges Batteriemodul kann eine erweiterte Serie von Verbindungselementen 45 umfassen, die in mehreren Reihen nebeneinander angeordnet sind. Jedes Verbindungselement 45 fügt entgegengesetzt geladene Batteriezellenfahnen 34, 134 von benachbarten Batteriezellen, wobei die Batteriezellenfahnen 34, 134 einzelne Elektrodenerweiterungen einer gegebenen Batteriezelle bilden. Jede Batteriezellenfahne 34, 134 ist innen, unter einer zwischengeschalteten Platte 29 mit den verschiedenen Anoden oder Kathoden verschweißt, welche die spezielle Batteriezelle umfassen, wie Fachleuten auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist. Die Batteriezellenfahnen 34, 134 können unter Verwendung der Vibrationsschweißeinrichtung 10 von 1 an eine Längsseitenwand 49 eines gegebenen Verbindungselements 45 geschweißt werden, wobei an jedem Verbindungselement 45 im Wesentlichen identische Schweißnähte 43 gebildet werden.
Bezug nehmend auf 3 kann in einem Beispiel eines Vibrationsschweißprozesses 33 die Vibrationsschweißeinrichtung 10 von 1 verwendet werden, um Schweißnähte auf einem Satz von Werkstücken 30 zu bilden, wenn sich die Werkstücke 30 entlang eines Förderbandes 32 in die Richtung des Pfeils A bewegen. Ein Schweißroboter 50 kann sich zwischen dem Förderband 32 und der Kontrollstation 54 bewegen, wie durch den Pfeil R angezeigt. Einige Komponenten der Vibrationsschweißeinrichtung 10 von 1 können auf einem Arm 53 des Roboters 50 angeordnet sein und umfassen zumindest das Schweißhorn 14 und den Amboss 16, die oben beschrieben sind. Im Normalbetrieb kann der Roboter 50 verwendet werden, um Schweißnähte auf den Werkstücken 30 zu bilden, wenn sich die Werkstücke 30 auf dem Förderband 32 bewegen, oder alternativ, wenn sich der Roboter 50 in Bezug auf die Werkstücke 30 bewegt. Periodisch, z. B. ein Mal pro Schicht oder ein Mal pro kalibrierter Anzahl von Schweißnähten, kann sich der Roboter 50 in Richtung der Kontrollstation 54 drehen und bestimmte Zustandsüberwachungsschritte durchführen. Die gemessenen Signale werden daraufhin an die Host-Vorrichtung 40 von 1 übertragen.
Die an der Kontrollstation 54 gemessenen Signale können ein Hornreinigungssignal (α), das mithilfe der druckempfindlichen Anordnung 25B gemessen werden kann, und Ausrichtungs-, Werkzeugverschleiß- und Schweißkraftsignale (β) umfassen, die ebenfalls mithilfe der druckempfindlichen Anordnung 25B gemessen werden, wobei alternative Schweißkraftsignale (γ) optional mithilfe einer Druckmessdose 25C gemessen werden. Die Ausrichtung kann auch von einer Konfiguration mit zwei oder mehreren Druckmessdosen 25C bestimmt werden, die eingerichtet sind, um Fehlausrichtungen über Ungleichgewichte der Einspannbelastung, d. h. der statischen Einspannkraft F_C von 4A, zu erkennen. Ein Amplitudensensor 25D kann als ein kontaktloser Laserinterferometer-Sensor ausgeführt sein, der Amplitudensignale (δ), d. h. die Amplitude einer Bewegung/Schwingung des Horns 14, wenn das Horn 14 schwingt, misst. Die Amplitude wird entlang der Richtung der Längsachse des Horns 14 an dem freien/distalen Ende des Horns 14 gemessen. Solch ein Sensor kann einen einzelnen Punkt auf dem Ende des Horns 14 mit einer Abtastrate messen, die deutlich über der Schwingungsgeschwindigkeit liegt, z. B. mindestens 5 Mal schneller ist. In einer speziellen Ausführungsform kann für eine Schwingungsgeschwindigkeit von 20 kHz eine Abtastrate von 1 MHz verwendet werden, um eine sinusförmige Auslenkung von 0 bis 0,1 mm zu messen, wobei der Sensor 25D innerhalb von 5 cm bis 10 cm des Sensors 25D angeordnet ist.
Von diesen Signalen beschreibt das Hornreinigungssignal (α) die allgemeine Sauberkeit des Schweißhorns 14. An einer separaten Reinigungsstation (nicht gezeigt) kann die Schweißeinrichtung 10 auf einem blanken Kupferteil betätigt werden, um jeglichen Aufbau von Aluminium in den Rändelungen des Schweißhorns 14 zu entfernen. Schweißhörner mit einem übermäßigen Aufbau, der die Vertiefungen in jeglichen Rändelungsmustern des Horns 14 füllen wird, können ein Werkzeugrutschen, Kaltschweißnähte, aufgewölbte Schweißnähte, eine Änderung der Signalprofile und eine hohe Verdachtsrate erfahren. Daher kann die druckempfindliche Anordnung 25B verwendet werden, um die aus einem vorhergehenden Reinigungsprozess nicht am Montageband mithilfe einer automatischen Kontrolle, z. B. unter Verwendung von Bildverarbeitungsschritten, resultierende Werkzeugsauberkeit zu quantifizieren. Beispielsweise kann die Host-Vorrichtung 40 von 1 einen Bildverarbeitungscode 47 über den Prozessor 42 von dem Speicher 44 ausführen, um ein Abdruckmuster zu detektieren und zu quantifizieren. Wenn das Schweißhorn 14 noch immer verschmutzt ist, wie aus dem Abdruckmuster bestimmt, kann der Reinigungsprozess als Wartungsschritt wiederholt werden, bevor das Schweißen wieder aufgenommen wird.
Während sie der illustrativen Einfachheit halber als ein Signal (β) gezeigt sind, können die oben angeführten Ausrichtungs-, Werkzeugverschleiß- und Schweißkraftsignale als separate Signale β₁–β₃ ausgedrückt werden. Das Signal β₁ kann die Ausrichtung des Schweißhorns 14 und des Ambosses 16 in Bezug zueinander beschreiben, einen Wert, der optional mithilfe des in den 4C und 4D gezeigten und nachfolgend erklärten Messinstruments 36 detektiert werden kann, während das Signal β₂ den Werkzeugverschleiß beschreiben kann und das Signal β₃ die Schweißkraft beschreiben kann. Wie oben angeführt, können die Signale β₁–β₃ mithilfe einer druckempfindlichen Anordnung 25B gemessen werden, die ein kalibriertes Farbbild als eine Ausgabe erzeugen kann. Andere hierin verwendete Sensoren können Signaldatenpunkte wie z. B. Temperatur- oder Zeitseriensignale als Ausgaben erzeugen.
In einer speziellen Ausführungsform kann die druckempfindliche Anordnung 25B ein kleiner, taktiler Oberflächensensor auf Nanopolymerbasis mit piezoelektrischen/Widerstandsdruckerfassungseigenschaften sein, der ein/e Druckverteilung und -ausmaß zwischen zwei in Kontakt stehenden oder zusammengepassten Oberflächen aufzeichnen und interpretieren kann. Wie hierin verwendet, bezieht sich „klein” in einer Ausführungsform auf ca. 5 cm × 5 cm. In solch einer Ausführungsform kann die druckempfindliche Anordnung 25B eine Matrix von 32 × 32 mit insgesamt 1024 Erfassungspunkten, kalibriert für 0 bis 150 psig, definieren, wie in 4B gezeigt.
Kurz Bezug nehmend auf die 4A und 4B illustriert 4A eine beispielhafte Konfiguration für die druckempfindliche Anordnung 25B. Das Schweißhorn 14 und der Amboss 16 können an der Kontrollstation 54 von 3 mit einer durch den Pfeil F_C angezeigten Spannkraft zusammengespannt werden. Die druckempfindliche Anordnung 25B kann als ein Paar von druckempfindlichen Sensoranordnungen 25B ₁, 25B ₂, die mit einem massiven Rahmen 28 verbunden sind, oder als eine andere Bauform ausgeführt sein, wie gezeigt, und eine feste und ebene Unterstützungsfläche bereitstellen, die eine für Messungen geeignete Grundlage bietet, sodass die druckempfindliche Anordnung 25B durch die Spannkraft (Pfeile F_C) zusammengedrückt wird. 4B zeigt die druckempfindliche Anordnung 25B auf der Seite des Schweißhorns 14, wobei drei verschiedene Zonen 58 die spezifischen Lagen der Rändelungen auf dem Horn 14 anzeigen, die mit der Sensoranordnung an dem Ort von drei verschiedenen Schweißnähten in Kontakt stehen. Solch eine Ausführungsform kann zweckdienlich beim Bilden von Schweißnähten in dem beispielhaften Werkstück 130 von 2 sein, wobei die drei verschiedenen Schweißnähte typischerweise gleichzeitig gebildet werden. Andere Bauformen können weniger oder mehre Rändelungsbereiche aufweisen.
Erneut Bezug nehmend auf 3 kann das Signal β, d. h. β₁ und β₂, das die Werkzeugausrichtung bzw. den Werkzeugverschleiß repräsentiert, auch hochentwickelte Bildbearbeitungstechniken verwenden, um das Niveau eines Werkzeugverschleißes zu quantifizieren. Ein ungleichmäßiger Verschleiß kann eine ungleichmäßigen Verteilung der Schweißenergie zur Folge haben, was die Signalprofile ändern und zu Kaltschweißnähten, insbesondere zwischen den Zellenfahnen 34 von 2, führen kann. Auf den Verschleiß wird eingegangen, indem die Verwendung eines gegebenen Werkzeuges auf eine bestimmte Anzahl von Zyklen vor einem Austausch begrenzt wird. Der vorliegende Ansatz misst den Werkzeugverschleiß direkt, um dadurch die Werkzeuglebensdauer zu verlängern.
Das Werkzeugausrichtungssignal, d. h. das Signal β₁, könnte aus mehreren Kraftmessungen normal zu der gerade kontaktierten Oberfläche bestehen, wobei diese Messungen verwendet werden, um eine Punktwolkenabschätzung zu extrahieren. Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, bezieht sich der Ausdruck „Punktwolke” auf einen Satz von Scheitelpunkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, z. B. dem kartesischen X, Y und Z-Koordinatensystem, das die äußere Oberfläche eines Objekts, in diesem Fall die Oberflächen des Schweißhorns 14 und des Ambosses 16 darstellt. Unter Verwendung solcher Messungen könnte die Host-Vorrichtung 40 die Kanten des Schweißhorns 14 und des Ambosses 16, deren Kontaktfläche und/oder deren Orientierung detektieren, um die korrekte Ausrichtung zu bestimmen.
In einer anderen Ausführungsform, wie in den 4C und 4D gezeigt, kann z. B. auf einem Schweißhorn 14 mit zwei Schweißbacken 21 die Host-Vorrichtung 40 programmiert sein, das Schweißhorn 14 zu bewegen und das Horn 14 auf ein maßgeschneidertes Messinstrument 36 wie z. B. ein T-förmiges Stück aus gehärtetem Stahl zu spannen. Die 4C und 4D sind nicht maßstabgetreu. Tatsächlich kann das Messinstrument 36 relativ klein sein, z. B. maximale Abmessungen von 40 mm hoch × 4 mm breit × 2–4 mm dick aufweisen. Das Schweißhorn 14 spannt auf die gegenüberliegenden freien Enden 46 des Messinstruments 36 mit einem so hohen Druck, wie erforderlich, um eine genaue Ablesung vorzunehmen. Im Allgemeinen sollte der Spanndruck, der zum Einspannen des Messinstruments 36 erforderlich ist, kleiner als der volle Spanndruck sein, der zum Schweißen verwendet wird, um das Messinstrument 36 oder das/den Horn 14/Amboss 16 zu schützen. Der Sensor 25C misst das Wegsignal (γ_n) für jedes. Die Host-Vorrichtung 40 berechnet einen Fehlausrichtungswert als die Differenz zwischen der ersten Messung (n = 1) und der zweiten Messung (n = 2). Daraufhin kann die Host-Vorrichtung 40 eine Steuermaßnahme in Bezug auf die Schweißeinrichtung 10 ausführen, wenn der berechnete Fehlausrichtungswert einen Schwellenwert überschreitet.
In anderen Ausführungsformen könnte das Schweißhorn 14 nur eine Schweißbacke 21 aufweisen oder es kann zwei oder mehr aufweisen, oder das Einspannen kann auf einer glatten Oberfläche des Schweißhorns 14 getrennt von der Schweißbacke 21 stattfinden, um die Rändelungsmuster des Schweißhorns zu vermeiden. In allen Ausführungsformen sollte das Schweißhorn 14 korrekt in Bezug auf das Werkstück und den Amboss 16 ausgerichtet sein. Wenn nicht, könnte das Schweißen in einem Teil des Horns 14 relativ zu einem anderen verschieden stattfinden. Wenn zwei Schweißbacken, z. B. eine auf jeder Seite des Horns 14, vorhanden wären, könnte eine Schweißbacke 24 schweißen und die andere könnte dies nicht tun, vorausgesetzt, dass die Letztere aufgrund einer Fehlausrichtung mit dem Werkstück nicht mit einer hinreichenden Kraft in Kontakt steht. Eine andere Ausführungsform kann umfassen, dass viele Wegablesungen an einer Stelle vorgenommen werden und diese über die Host-Vorrichtung 40 gemittelt werden, oder viele Ablesungen an vielen Positionen vorgenommen werden und zumindest eine Regressionsoperation nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt wird, um das Ausmaß der Fehlausrichtung zu bestimmen.
Wie in 4D gezeigt, sollten die freien Enden 46 des Messinstruments 36 rechtwinklig zu den Backen 21, 23 stehen, zwischen denen das Messinstrument 36 positioniert ist. Um dies zu bewerkstelligen, können verschiedene Mittel einschließlich Spannvorrichtungen oder eine Drehvorrichtung verwendet werden, welche zulässt, dass sich das Messinstrument 36 bei Vorhandensein einer Spannkraft (Pfeile F_C) dreht, bis die freien Enden 46 rechtwinklig zu den Schweißbacken 21, 23 stehen, wie in 4C gezeigt. Unter Verwendung der Differenzen im Abstand könnte die Host-Vorrichtung 40 auch den Grad an Winkelfehlausrichtung errechnen. Wenn der Ausrichtungswert eine/n kalibrierte/n Schwellenwert oder zulässige Toleranz überschreiten würde, wäre es notwendig, dass das Schweißhorn 14 daraufhin neu ausgerichtet wird, um die Schweißqualität beizubehalten.
Erneut Bezug nehmend auf 3 können Werkzeugverschleißsignale, d. h. die Signale β₂, verwendet werden, um ungeeignete Werkzeugbestückungs- oder Prozesszustände zu detektieren. Somit kann die Host-Vorrichtung 40 vorhersagen, wann ein Werkzeug verschlissen sein wird, und sie könnte einen Austausch des Werkzeuges vor diesem Zeitpunkt planen. Der Sensor 25 von 1, der verwendet wird, um die Schweißkraft β₃ zu messen, kann Teil der in den 4A und 4B gezeigten druckempfindlichen Anordnung 25B sein oder er kann in dem Material des Schweißhorns 14, z. B. als eine Miniatur-Druckbelastungs-Messdose eingebettet sein, wobei ein Sensor 25 an jeder Schweißbacke 21 des Schweißhorns 14 zentriert ist. Eine statistische Abschätzung des Schweißdruckes kann aus einer beschafften Punktwolke durchgeführt werden. Alternativ kann der optionale Lastsensor 25C von 3 an der gleichen Stelle positioniert sein und verwendet werden, um eine Schwellenkraftmessung durchzuführen. Die direkte Messung von solch einer Druckmessdose 25C mit dem statistischen Filtern kann mit oberen und unteren Schwellenwerten verglichen werden, um einen gleichbleibenden Schweißdruck, z. B. in einem geschlossenen Regelkreis durch dynamisches Anpassen des Schweißdruckes zur Aufrechterhaltung eines Zieldruckes, zu verstärken.
Weiterhin Bezug nehmend auf 3 können die Amplitudensignale (δ) mithilfe eines Hochgeschwindigkeits/Hochfrequenz-Wegsensors, d. h. des Sensors 25C, der in Bezug auf das Schweißhorn 14 von 1 positioniert ist, gemessen werden. Die Amplitudensignale (δ) beschreiben die lineare Bewegung des Schweißhorns 14 und können bei jedem (n) Schweißzyklus von einer festen Bezugsstelle gemessen werden. Die Amplitudensignale (δ) könnten mit oberen und unteren Grenzen verglichen werden. Gleichermaßen beschreiben die Wegsignale (σ) den Abstand zwischen dem Schweißhorn 14 und der gerade geschweißten Oberfläche. Der Zweck der Wegsignale (σ) besteht darin, die Position des Schweißkopfes 21 von 1 auf dem Werkstück, z. B. dem Werkstück 130 von 2, genau zu überwachen, und sicherzustellen, dass sich der Schweißkopf 21 auf der richtigen Höhe in Bezug auf das Werkstück befindet. Solch eine Messung kann für jede Schweißnaht, die gebildet wird, ein Mal stattfinden. Als mögliche Steuerschritte könnten diese Informationen verwendet werden, um den Schweißprozess zu stoppen, wenn die Wegsignale (σ) anzeigen, dass sich die Schweißposition zu tief oder zu hoch verschoben hat. Die gleichen Informationen könnten wieder dem Roboter 50 von 3 zugeführt werden, sodass Anpassungen in Echtzeit vorgenommen werden können, und/oder beliebigen Prozessüberwachungssystemen als eine interessante Eigenschaft zugeführt werden, um die Leistung des Überwachungssystems zu verbessern.
Die akustischen Signale (o) können mithilfe des akustischen Sensors 25F, z. B. eines Mikrofons von der Art, die normalerweise verwendet wird, um ein akustisches Signal während des Schweißprozesses als Teil eines Prozessüberwachungs-Ansatzes zu detektieren, gemessen werden. Dem akustischen Sensor 25F können von der Host-Vorrichtung 40, z. B. über einen Lautsprecher (nicht gezeigt) periodisch kalibrierte akustische Signale (Pfeil 11) zugeführt werden, was immer dann geschehen kann, wenn der Roboter 50 von 3 an der Kontrollstation 54 positioniert ist. Der akustische Sensor 25F zeichnet die übertragenen akustischen Signale (Pfeil 11) auf. Daraufhin kann die Host-Vorrichtung 40 das aufgezeichnete Signal mit den akustischen Signalen (Pfeil 11) vergleichen. Solch ein Ansatz kann proaktiv ein gestörtes Mikrofon, Kabel und dergleichen erkennen und damit die Wahrscheinlichkeit eliminieren, dass falsche Daten bei der Echtzeitüberwachung und -steuerung der Schweißeinrichtung 10 von 1 verwendet werden.
Weitere Signale können ein Schweißhöhensignal (ψ), ein Lagesignal (ζ), d. h. Nicken, Gieren und Rollen, eine Horntemperatur (η), eine Schwingertemperatur (ε) und eine Controllertemperatur (τ) umfassen. Das Schweißhöhensignal (ψ) kann mithilfe eines Sensors 25G, z. B. eines Laser-Tiefensensors, der an der Schweißgerätvorrichtung 12 von 1 befestigt sein kann, gemessen werden. Die Lasermessungen können der Host-Vorrichtung 40 zugeführt und verwendet werden, um zu verifizieren, dass die Schweißgerätvorrichtung 12 auf der korrekten Höhe für jede Schweißnaht, die gebildet wird, positioniert ist. Ein anderer Sensor 25H in der Form eines dreiachsigen Gyroskops kann an dem Schweißkopf 21 von 1 befestigt sein und verwendet werden, um die Lage des Schweißkopfes 21 von 1 zu messen. Das gemessene Lagesignal (ζ), welches das Nicken, Gieren und Rollen des Schweißkopfes 21 von 1 beschreibt, kann wieder der Host-Vorrichtung 40 zugeführt werden. Die Host-Vorrichtung 40 wiederum kann ein Steuersignal (Pfeil 19) an den Roboter 50 von 3 übertragen, um eine korrekte Ausrichtung des Schweißkopfes 21 für jede Schweißnaht und/oder andere Positionierung des Roboters 50 und/oder zur Prozessüberwachung zu befehlen.
Was die Horntemperatur (η), die Schwingertemperatur (ε) und die Controllertemperatur (τ) betrifft, können diese Signale von den Temperatursensoren 25I, 25J bzw. 25K gemessen werden. Der Temperatursensor 25I kann innerhalb des oder entfernt in Bezug auf das Schweißhorn/s 14, z. B die Schweißgerätvorrichtung 12, befestigt sein, während die Temperatursensoren 25J und 25K an dem jeweiligen Schwinger 24 und Schweißcontroller 20 von 1 befestigt sein können. Alternativ kann der Temperatursensor 25I als ein kontaktloser Typ, z. B. als ein Sensor ausgeführt sein, der ausgestaltet ist, um die Temperatur des Schweißhorns 14 mittels Laser oder einer anderen Fernerfassungstechnik aus der Ferne zu erfassen. Ein Anstieg der Temperatur des Schweißhorns 14 kann eine Herabsetzung der Frequenz des Schwingers 24 und des Schweißhorns 14 verursachen, was zu vermehrten Fällen fehlerverdächtiger Schweißnähte führen kann.
Dieser Effekt kann mathematisch ausgedrückt werden als:
Wobei f_r eine temperaturangepasste Eigenfrequenz ist, f_r0 die Eigenfrequenz bei Raumtemperatur, typischerweise 70°F, ist, E₀ der Elastizitätsmodul ist, ΔT die Temperaturverschiebung ist, α der mittlere Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung ist und β die lineare Änderung des Elastizitätsmoduls ist. Demzufolge können die Temperaturwerte des Schweißhorns 14 und des Schwingers 24 wertvolle Steuerparameter zum Verhindern einer Verschlechterung der Schweißqualität sein.
Es ist hierin anerkannt, dass die obige Beziehung zwischen der Horntemperatur (η) und der Schweißfrequenz verschiedene mögliche Einsichten in den Betrieb der in 1 gezeigten Vibrationsschweißeinrichtung 10 bietet. Es wird z. B. darauf hingewiesen, dass die Schweißfrequenz dazu neigt, abzunehmen, wenn die Horntemperatur (η) ansteigt. Somit ist die Schweißfrequenz allgemein zu Beginn einer Produktionsschicht höher als an dem Ende derselben Schicht. Wenn das Schweißhorn 14 von 1 warmläuft, kann die Schweißfrequenz, z. B. um ca. 50–100 Hz, abnehmen. Wenn es infolge einer Unterbrechung, eines Einrichtungsstillstands oder einer anderen Ursache zu einem Produktionsstopp kommt, wird das Schweißhorn 14 abkühlen. Wenn der Schweißprozess schließlich wieder neu beginnt, wird die Schweißfrequenz höher sein als zu dem Zeitpunkt, als die Produktion gestoppt wurde.
Solche Temperaturänderungen können das Einstellen genauer hoher/niedriger Schwellenwerte um die Schweißfrequenz herum zum Zweck der Überwachung des Schweißprozesses verkomplizieren. Aus diesem Grund kann der vorliegende Ansatz umfassen, dass die Temperatur (η) des Schweißhorns 14 gemessen wird, die Temperaturänderung mit einer entsprechenden Schweißfrequenzänderung, z. B. in einer Nachschlagetabelle, in Beziehung gesetzt wird, und daraufhin die beobachtete Schweißfrequenz für bekannte temperaturbezogene Änderungen kompensiert wird, wie auch engere Steuergrenzen um die Schweißfrequenz herum eingestellt werden, um eine verbesserte Empfindlichkeit zum Erkennen von Schweißgerätproblemen zu erzielen. Dies wiederum kann es einfacher machen, zu unterscheiden, wann Schweißfrequenzänderungen aufgrund von nicht temperaturbedingten Folgen, z. B. aufgrund einer gestörten Leistungsversorgung, auftreten.
Als Teil dieses Ansatzes kann die Host-Vorrichtung 40 eine gemessene Schweißfrequenz als neue, normalisierte gemessene Schweißfrequenz unter Verwendung der hergestellten Beziehung zwischen Frequenz und Temperatur, wie oben angemerkt, errechnen und dann die normalisierte gemessene Frequenz überwachen, um einen Zustand der Schweißeinrichtung 10 zu bestimmen. Das heißt, die Host-Vorrichtung 40 normalisiert gemessene Frequenzwerte, sodass die Messungen dem entsprechen, was die Schweißfrequenz bei einer Nenntemperatur betragen würde. Somit wird es zwei verschiedene Frequenzmessungen geben, die als ein Ausgang ausgegeben werden können: die tatsächliche gemessene Schweißfrequenz, die mit der Horntemperatur variieren wird, und die normalisierte Schweißfrequenz, die berichtet wird, als würde die Horntemperatur bei einer Nenntemperatur liegen.
Die gleichen Prinzipien können auf Änderungen angewendet werden, die bei Messungen von dem Wegsensor 25C beobachtet werden, der eine Amplitude wie auch eine Auslenkung (lineare Bewegung) messen kann, wenn das Schweißhorn 14 das Werkstückmaterial während des Vibrationsschweißens zusammendrückt. Messungen, die die vorliegende Offenbarung unterstützen, haben gezeigt, dass selbst kleine Temperaturänderungen die Messwerte dramatisch beeinflussen können. Der vorliegende Ansatz kann daher umfassen, dass Temperaturänderungen in anderen Sensoren wie z. B. dem Wegsensor 25C kompensiert werden, sodass engere Grenzen, z. B. in diesem Beispiel um eine gemessene, normalisierte Auslenkung herum, durchgesetzt werden können, wie auch, um Verarbeitungsprobleme deutlicher zu unterscheiden. Solche Probleme können z. B. zu viele (oder zu wenige) Materialschichten in dem Schweißstapel, eine übermäßige (oder zu geringe) Materialverdichtung während des Schweißens, eine Fehlausrichtung der Schweißwerkzeuge, einen übermäßigen Materialaufbau auf den Schweißwerkzeugen, einen Werkzeugbruch oder einen übermäßigen Werkzeugverschleiß etc. umfassen.
Temperaturkompensierte Werte können dann von der Host-Vorrichtung 40 verwendet werden, um das Erkennen von „schlechten” Schweißnähten in Echtzeit zu verbessern. In dem Beispiel des Wegsensors 25C kann die Host-Vorrichtung 40 programmiert sein, um nicht zufriedenstellende oder schlechte Schweißnähte auf der Basis von Werten, die von dem Wegsensor 25C beobachtet werden, oder in Kombination mit Werten von anderen Sensoren 25 wie z. B. dem akustischen Sensor 25F zu erkennen. Schlechte Schweißnähte stehen oft mit Änderungen in dem Ausmaß der Materialverdichtung in Zusammenhang, die während des Schweißens stattfindet. Eine zu hohe oder zu geringe Verdichtung kann mit schlechten Schweißnähten in Beziehung stehen. Daher kann die Host-Vorrichtung 40 programmiert sein, um Wegmessungen von dem/den Wegsensor/en 25C wie auch eine Temperatur des/der Wegsensors/en 25C in Echtzeit während der Ausbildung der Schweißnaht zu empfangen und daraufhin die Wegmessungen auf eine normalisierte Temperatur zu kompensieren, sodass die Auswirkungen einer Temperaturänderung auf eine Auslenkung beseitigt werden. Dieser Verarbeitungsschritt kann, wenn er bei der Echtzeit-Überwachung eines Schweißprozesses verwendet wird, das Erkennen von Änderungen erleichtern, die stattfinden können, wenn schlechte Schweißnähte produziert werden.
Außer für eine verbesserte Maschinendiagnostik kann die Beziehung zwischen der Schweißfrequenz und der Temperatur (η) des Schweißhorns 14 verwendet werden, um die Schweißprozessüberwachung zu verbessern. Nicht zufriedenstellende oder qualitativ „schlechte” Schweißnähte können durch Änderungen der Schweißfrequenz, wie mithilfe eines Mikrofons, z. B. des akustischen Sensors 25F wahrgenommen, erkannt werden. Das heißt, wenn eine „schlechte” Schweißnaht auftritt, gibt der Schweißprozess effektiv einen tieferen Ton, d. h. eine niedrigere wahrgenommene Schwingungszahl, ab. Wie oben angeführt, nimmt jedoch die Schweißfrequenz ab, wenn die Horntemperatur (η) ansteigt. Daher können es Temperaturänderungen schwierig machen, schlechte Schweißnähte exakt von Zuständen zu unterscheiden, in denen die Horntemperatur (η) relativ hoch ist. Durch Messen der Temperatur des Schweißhorns 14 kann man die wahrgenommene Schweißfrequenz im Hinblick auf temperaturbedingte Änderungen kompensieren und schlechte Schweißnähte einfacher erkennen.
Der Zeitgeber 38 des Schweißcontrollers 20, der in 1 gezeigt ist und als ein oder mehrere Zeitgeber ausgestaltet sein kann, besitzt eine Schwingungsfrequenz (f), die mit der Temperatur (T) des Schweißcontrollers 20 variiert, d. h., f = 1/T. Somit kann die Schwingungsfrequenz auf dem Niveau des Schweißcontrollers 20 mithilfe des Temperatursensors 25K allein oder in Verbindung mit dem akustischen Sensor 25F gemessen werden. Die Frequenz kann im Inneren des Schweißcontrollers 20, entweder automatisch oder manuell, je nach Bedarf angepasst oder kompensiert werden.
Eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens 100 wird nun mit Bezugnahme auf 5 beschrieben. Beginnend bei Schritt 102 schreitet das Schweißen in einer typischen Art und Weise voran. Beispielsweise kann bei der Fertigung von mehrzelligen Batterien der in 2 gezeigten Art das Förderband 32 von 3 die Werkstücke 130 in Position vor dem in derselben Fig. gezeigten Roboter 50 bringen. Das Schweißhorn 14 und der Amboss 16 von 1 spannen auf das Werkstück 30 und bilden die erforderlichen Schweißnähte. Während Schritt 102 misst einer der Sensoren 25 von 1, der auf der Vibrationsschweißeinrichtung 10 positioniert ist, weiterhin ihre jeweiligen Daten, umfassend z. B. die Sensoren 25G, 25H, 25I und 25J von 3. Während Schritt 102 weitergeht, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 104 weiter.
Bei Schritt 104 kann sich die Host-Vorrichtung 40 auf einen Zeitgeber oder alternativ einen Zähler beziehen, um zu bestimmen, ob eine kalibrierte Zeitspanne oder eine kalibrierte Anzahl von Schweißzyklen abgelaufen ist. In einigen Ausführungsformen kann Schritt 104 manuell, z. B. durch einen Bediener zu Beginn oder am Ende einer Schicht, initiiert werden. Wenn die Host-Vorrichtung 40 bestimmt, dass eine vorbestimmte/kalibrierte Anzahl von Schweißzyklen abgelaufen ist, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 106 weiter. Andernfalls werden die Schritte 102 und 104 wiederholt.
Schritt 106 bedingt, dass der Roboter 50 von 3 in Richtung der Kontrollstation 54 gedreht wird. Als Teil von Schritt 106 wird das Förderband 32 derselben Fig. vorübergehend gestoppt. Das Verfahren 100 schreitet zu Schritt 108 weiter, wenn der Roboter 50 das Schweißhorn 14 und den Amboss 16 in Position an der Kontrollstation 54 bewegt hat.
Bei Schritt 108 empfängt die Host-Vorrichtung 40 die oben mit Bezug auf 3 beschriebenen Signale. Die an der Kontrollstation 54 von 3 gemessenen Signale können das Reinigungssignal (α), die Ausrichtungs-, Werkzeugverschleiß, Werkzeugreinheits- und Schweißkraftsignale (β, und, falls verwendet, γ) und die Amplitudensignale (δ) umfassen, die alle oben beschrieben sind. Als Teil von Schritt 108 kann die Host-Vorrichtung 40 den akustischen Sensor 25F mit den akustischen Signalen (Pfeil 11) infrage stellen oder hinterfragen, um zu bestimmen, ob der akustische Sensor 25F einwandfrei arbeitet. Während die Messungen vorgenommen werden, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 110 weiter.
Schritt 110 bedingt, dass bestimmt wird, ob alle erforderlichen Werte gemessen worden sind. Wenn nicht, wird Schritt 108 wiederholt. Sobald alle erforderlichen Messungen vorgenommen wurden, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 112 weiter.
Bei Schritt 112 vergleicht die Host-Vorrichtung 40 alle aufgezeichneten Werte von Schritt 110 mit zuvor in dem Speicher 44 aufgezeichneten kalibrierten Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob irgendeiner der Werte außerhalb des durch diese Schwellenwerte definierten Bandes liegt. Auf diese Weise bestimmt die Host-Vorrichtung 40 einen Zustand der Schweißeinrichtung 10 als eine Funktion der kollektiven Signale. In dem Fall, dass bestimmt wird, dass irgendeiner dieser Werte außerhalb ihrer zulässigen Grenzen liegt, können geeignete Korrekturmaßnahmen als Teil von Schritt 112 vorgenommen werden. Wenn z. B. eine übermäßige Temperatur an dem Horn 14, dem Schwinger 24 und/oder dem Schweißcontroller 20 gemessen wird, könnte eine Steuermaßnahme umfassen, dass die Schweißeinrichtung 10 gestoppt wird oder alternativ die kritische/n Komponente/n gekühlt wird/werden, sodass die vorgesehene Schweißfrequenz gleichbleibend beibehalten wird. Es können zusätzliche Steuermaßnahmen allein oder gleichzeitig mit den oben angeführten vorgenommen werden, welche das Aktivieren der in 1 gezeigten externen Vorrichtung 17 über die Steuersignale (Pfeil 13), z. B. das Illuminieren einer Leuchte, das Übertragen einer Wartungsmeldung und dergleichen umfassen. Daraufhin kehrt das Verfahren 100 zu Schritt 102 zurück, wobei die Host-Vorrichtung 40 dem Roboter 50 befiehlt, sich zurück in Richtung des Förderbandes 32 zu drehen und die Schweißoperationen wieder aufzunehmen.

Claims

Vibrationsschweißsystem, umfassend: eine Vibrationsschweißeinrichtung (10) mit einem Schweißhorn (14) und einem Schweißamboss (16), welche ausgestaltet ist, um eine Schweißnaht auf einem zwischen dem Schweißhorn (14) und dem Schweißamboss (16) eingespannten Werkstück (30, 130) zu bilden; einen Schweißroboter (50) mit einem Arm (53), auf dem das Schweißhorn (14) angeordnet ist,; und eine erste Vielzahl von Sensoren (25), die in Bezug auf die Vibrationsschweißeinrichtung (10) positioniert sind, während das Werkstück (30, 130) zwischen dem Schweißhorn (14) und dem Schweißamboss (16) eingespannt ist; dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Arm (53) des Schweißroboters (50) auch der Schweißamboss (16) angeordnet ist, wobei der Schweißroboter (50) ausgestaltet ist, um das Schweißhorn (14) und den Schweißamboss (16) selektiv zu einer Kontrollstation (54) zu bewegen, um einen Status-Zustand der Vibrationsschweißeinrichtung (10) zu bestimmen; wobei das Vibrationsschweißsystem ferner umfasst: die Kontrollstation (54); eine zweite Vielzahl von Sensoren (25), die in Bezug auf die Kontrollstation (54) positioniert sind, wobei die zweite Vielzahl von Sensoren (25) eine druckempfindliche Anordnung (25B) umfasst; und eine Hostrechner-Vorrichtung (40) in Kommunikation mit der ersten und der zweiten Vielzahl von Sensoren (25), wobei die Hostrechner-Vorrichtung (40) einen Prozessor (42) und einen physischen, nicht flüchtigen Speicher (44) umfasst, in dem Anweisungen zum Überwachen der Vibrationsschweißeinrichtung, um den Status-Zustand zu bestimmen, aufgezeichnet sind; wobei die Hostrechner-Vorrichtung (40) ausgestaltet ist, um die Anweisungen von dem Speicher (44) über den Prozessor (42) auszuführen, um dadurch: einen ersten Satz von Signalen von der ersten Vielzahl von Sensoren (25) zu empfangen, während das Schweißhorn (14) aktiv die Schweißnaht auf dem Werkstück (30, 130) bildet; dem Roboter (50) selektiv zu befehlen, das Schweißhorn (14) und den Amboss (16) zu der Kontrollstation (54) zu bewegen; die zweite Vielzahl von Sensoren (25) zu aktivieren, wenn das Schweißhorn (14) und der Schweißamboss (16) die Kontrollstation (54) erreichen, um dadurch einen zweiten Satz von Signalen von der zweiten Vielzahl von Sensoren (25) zu empfangen, wobei der zweite Satz von Signalen eine gemessene Kraft von der druckempfindlichen Anordnung (25B) umfasst; und den ersten und den zweiten Satz von Signalen über den Prozessor (42) zu verarbeiten, um dadurch den Status-Zustand der Vibrationsschweißeinrichtung (10) zu bestimmen; wobei die erste Vielzahl von Sensoren (25) einen akustischen Sensor (25F) umfasst und die Hostrechner-Vorrichtung (40) ausgestaltet ist, um ein voraufgezeichnetes akustisches Basisliniensignal (11) an den akustischen Sensor (25F) zu übertragen, das übertragene voraufgezeichnete akustische Basisliniensignal (11) über den akustischen Sensor (25F) aufzuzeichnen, und das aufgezeichnete Signal mit dem voraufgezeichneten akustischen Basisliniensignal (11) zu vergleichen, um eine Signalschwankung als Teil des ersten Satzes von Signalen zu bestimmen.
Vibrationsschweißsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Vielzahl von Sensoren zumindest einen Temperatursensor (25I, 25J, 25K) umfasst, der in Bezug auf die Vibrationsschweißeinrichtung (10) positioniert und ausgestaltet ist, um eine Temperatur der Vibrationsschweißeinrichtung (10) zu messen.
Vibrationsschweißsystem nach Anspruch 2, wobei der zumindest eine Temperatursensor (25I, 25J, 25K) einen Temperatursensor (25I) umfasst, der nahe dem Schweißhorn (14) positioniert und ausgestaltet ist, um eine Temperatur des Schweißhorns (14) als Teil des ersten Satzes von Signalen zu messen.
Vibrationsschweißsystem nach Anspruch 2, wobei die Vibrationsschweißeinrichtung (10) einen mit dem Schweißhorn (14) verbundenen Schwinger (24) umfasst, der ausgestaltet ist, um das Schweißhorn (14) in Schwingung zu versetzen, und wobei der zumindest eine Temperatursensor (25I, 25J, 25K) mit dem Schwinger (24) verbunden ist und ausgestaltet ist, um eine Temperatur des Schwingers (24) als Teil des ersten Satzes von Signalen zu messen.
Vibrationsschweißsystem nach Anspruch 1, wobei die Vibrationsschweißeinrichtung (10) einen Schweißcontroller (20) mit einem Zeitgeber (38) umfasst, und wobei die erste Vielzahl von Sensoren (25) einen Temperatursensor umfasst, der mit dem Zeitgeber (38) verbunden und ausgestaltet ist, um eine Temperatur des Zeitgebers (38) als Teil des ersten Satzes von Signalen zu messen.
Vibrationsschweißsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Vielzahl von Sensoren (25) ein dreiachsiges Gyroskop (25H) umfasst, das mit einem Schweißkopf (21) des Schweißhorns (14) verbunden ist, und wobei das dreiachsige Gyroskop (25H) ausgestaltet ist, um das Nicken, Gieren und Rollen des Schweißkopfes (21) als Teil des ersten Satzes von Signalen zu messen.
Vibrationsschweißsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Vielzahl von Sensoren (25) einen Wegsensor (25C) umfasst, der mit einem Schweißkopf (21) des Schweißhorns (14) verbunden ist, und wobei der Wegsensor (25C) ausgestaltet ist, um einen Trennungsabstand zwischen dem Werkstück (30, 130) und dem Schweißkopf (21) als Teil des ersten Satzes von Signalen zu messen.
Vibrationsschweißsystem nach Anspruch 1, wobei die druckempfindliche Sensoranordnung (25B) betreibbar ist, um ein Bild des Abdruckmusters als Teil des zweiten Satzes von Signalen auszugeben, um eine Eigenschaft des Schweißhorns (14) zu bestimmen, und die Hostrechner-Vorrichtung (40) ausgestaltet ist, um das Abdruckmuster unter Verwendung des Prozessors (42) zu detektieren und zu quantifizieren, um den Status-Zustand zu bestimmen.
Vibrationsschweißsystem nach Anspruch 1, wobei die druckempfindliche Anordnung (25B) ein taktiler Oberflächensensor auf Nanopolymer-Basis ist, der betreibbar ist, um die gemessene Kraft als ein Druckverteilungsmuster und -ausmaß zwischen dem Schweißhorn (14) und dem Schweißamboss (16) auszugeben.