DE102014111253A1

DE102014111253A1 - Systeme und verfahren für verbessertes ultraschallschweissen unter verwendung eines energierichtungsgeber-platzierungsalgorithmus

Info

Publication number: DE102014111253A1
Application number: DE102014111253.9A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2015-02-12
Also published as: US10076871B2; CN104384702B; US20150041047A1; CN104384702A

Abstract

Ein Verfahren zum Platzieren eines Schweißenergierichtungsgebers für das effektive Zusammenschweißen mehrerer Werkstücke in einem Gebiet des Richtungsgebers. Der Richtungsgeber enthält das Positionieren einer Werkstückanordnung in Vorbereitung auf das Vornehmen von Annäherungen zum Platzieren des Richtungsgebers, wobei die Werkstückanordnung ein proximales Werkstück der mehreren Werkstücke, ein distales Werkstück und den dazwischen positionierten Schweißrichtungsgeber enthält. Außerdem enthält das Verfahren das Ausführen einer Teilroutine, die das Bewegen eines Platzierungsarbeitsmittels in Richtung des proximalen Werkstücks umfasst. Außerdem enthält die Routine das Bestimmen, ob eine Widerstandskraft, die von dem Werkstück bei dem Platzierungsarbeitsmittel empfangen wird, angibt, dass das Platzierungsarbeitsmittel zu einem lokalen Endpunkt abgesenkt worden ist. Die Routine enthält das Neuplatzieren des Arbeitsmittels zum Wiederholen bis zu einem positiven Ergebnis in Ansprechen auf ein negatives Ergebnis und das Bestimmen, dass sich der Richtungsgeber direkt unter einem Gebiet befindet, das dem positiven Ergebnis entspricht, in Ansprechen auf die positiven Ergebnisse bei der Ortsbestimmung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine verbesserte Technik zum Zusammenschweißen mehrerer Werkstücke und insbesondere auf Systeme und Verfahren zum verbesserten Ultraschallschweißen unter Verwendung eines Algorithmus zum Platzieren von Schweißenergierichtungsgebern.
HINTERGRUND
In der Kraftfahrzeugherstellung werden wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften, etwa, dass sie leicht, gut anpassbar oder formbar, fest und haltbar sind, zunehmend Polymerverbundwerkstoffe verwendet. Einige Verbundwerkstoffe sind darüber hinaus färbbar und können in der Weise oberflächenbehandelt werden, dass sie nahezu jede gewünschte Textur besitzen.
Die verstärkte Verwendung in Kraftfahrzeugen enthält z. B. die in Armaturenbrettern und Türplattenelementen, Lampen, Luftkanälen, Lenkrädern, Polsterung, LKW-Ladeflächen oder anderen Fahrzeuglagerfächern, Polsterung, Außenteilen und sogar Kraftmaschinenkomponenten. Hinsichtlich der Kraftmaschinenkomponenten und anderer Anwendungen unter der Kraftmaschinenhaube (oder UTH-Anwendungen) werden z. B. Polymere konfiguriert und ständig entwickelt, die eine heiße und/oder chemisch aggressive Umgebung aushalten können. Hinsichtlich Außenteilen wie etwa Stoßfängern werden Polymere entwickelt, die in der Fertigungsstraße lackierbar sind und über längere Zeitdauern sehr hohe Hitze- und Chemikalienbeständigkeit besitzen. Außerdem werden ständig viele andere potentielle Nutzungen in Kraftfahrzeuganwendungen betrachtet.
Mit der zunehmenden Verwendung von Polymeren und anderen Materialien mit niedriger Masse werden Formpresstechniken und Fügetechniken nach dem Formen – z. B. Ultraschallschweißen – ebenfalls häufiger verwendet.
Da einige Materialien, die zunehmend verwendet werden, einschließlich Polymerverbundwerkstoffen verhältnismäßig niedrige Schmelzpunkte besitzen, entsteht in Bemühungen, die Teile an einer Grenzfläche, die die Teile fügt, schnell und mit minimalem Schmelzen anderer Abschnitte der Werkstücke zu schmelzen, eine Herausforderung.
Gelegentlich werden Energierichtungsgeber verwendet, um das Schweißen zu beschleunigen und zu steuern. Es entstehen mehrere Herausforderungen. Eine ist, dass es für den Schweißer schwierig ist zu versuchen, das Schweißen bei dem Richtungsgeber zu fokussieren, um genau zu bestimmen, wo dies ist, da die Energierichtungsgeber zum Zeitpunkt für das Schweißen üblicherweise nicht sichtbar sind. Aktuell können die Richtungsgeber nicht genau platziert werden oder werden sie mit viel zusätzlicher Arbeit und Zeit – d. h. manuell durch das Auge und durch die Hand – platziert.
Die erhöhten Zeit- und Energieanforderungen sind insbesondere dann, wenn sie durch wiederholte Iterationsverarbeitung in einer Herstellungsumgebung – z. B. in einem Kraftfahrzeugmontagewerk – vervielfacht werden, unerschwinglich.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Technologie bezieht sich auf Systeme und Verfahren für verbessertes Ultraschallschweißen unter Verwendung eines Algorithmus für die automatische Platzierung von Energielenkvorrichtungen während des Schweißens.
Der Algorithmus umreißt einen Teilprozess, durch den Orte von Energielenkvorrichtungen oder Energierichtungsgebern identifiziert werden. Die Orte werden auf der Grundlage einer von der Sonotrode durchlaufenen Verlagerung bestimmt, die so gesteuert wird, dass sie sich in einer vorgegebenen Weise in Richtung der Werkstücke, zwischen denen die Vorrichtung sitzt, zu einem Punkt bewegt, an dem der Sonotrode eine Schwellenrückstellkraft von dem proximalen Werkstück entgegenwirkt.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind teilweise offensichtlich und werden teilweise im Folgenden gezeigt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein zweiseitiges Ultraschallsystem.
2 veranschaulicht einen beispielhaften Mehr-Höhen-Energierichtungsgeber in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
3 veranschaulicht einen Schenkel oder Vorsprung des Mehr-Höhen-Energierichtungsgebers aus 2.
4 veranschaulicht ein Verfahren zur Platzierung eines Energierichtungsgebers wie etwa des Mehr-Höhen-Energierichtungsgebers aus 2, der zwischen zusammenzuschweißenden Werkstücken positioniert ist, und das Ausführen der Schweißung zum Fügen der Stücke.
5 veranschaulicht eine Seitenansicht des Mehr-Höhen-Energierichtungsgebers aus 2, der zwischen den Werkstücken positioniert ist.
6 veranschaulicht Schweißwerkzeugpositionen, die beim Platzieren des Werkstücks in Übereinstimmung mit beispielhaften Szenarien verursacht werden.
7 zeigt einen Graphen, der die Schweißwerkzeugverlagerung in einer Anwendungsrichtung (z. B. vertikal) und in einer orthogonalen Werkzeugposition (z. B. einem seitlichen Ort über dem Werkzeug) vergleicht.
8 veranschaulicht den Mehr-Höhen-Energierichtungsgeber aus 2 in einer Zwischenphase des Schweißens, bevor die zweite Ebene des Richtungsgebers das zweite Werkstück berührt.
9 veranschaulicht den Mehr-Höhen-Energierichtungsgeber aus 2 in einer nachfolgenden Zwischenphase des Schweißens, in der die zweite Ebene des Richtungsgebers zuerst das zweite Werkstück berührt.
10 veranschaulicht eine beispielhafte Schweißstelle, die unter Verwendung des Energierichtungsgebers aus 2 gebildet worden ist.
11 veranschaulicht eine beispielhafte Steuereinheit zur Verwendung beim Ausführen der Betriebe des Verfahrens aus 4.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie gefordert sind hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen davon verkörpert werden können. Wie zum Beispiel, beispielhaft und ähnliche Begriffe hier verwendet sind, beziehen sie sich umfassend auf Ausführungsformen, die als eine Veranschaulichung, als ein Beispiel, als ein Modell oder als ein Muster dienen.
Die Figuren sind nicht notwendig maßstabsgerecht und einige Merkmale können, wie etwa, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen, überhöht oder verkleinert sein. Um eine Verdeckung der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden, sind gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren in einigen Fällen nicht ausführlich beschrieben worden. Somit sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als beschränkend, sondern lediglich als eine Grundlage für die folgenden aufgeführten Technologieschwerpunkte (z. B. Ansprüche) und als eine repräsentative Grundlage, um dem Fachmann auf dem Gebiet die vielfältige Nutzung der vorliegenden Offenbarung zu lehren, zu interpretieren.
Obgleich die Beschreibung einen allgemeinen Kontext durch einen Computer ausführbarer Anweisungen enthält, kann die vorliegende Offenbarung ebenfalls zusammen mit anderen Programmmodulen und/oder als eine Kombination von Hardware und Software implementiert werden. Der Begriff Anwendung oder Varianten davon ist hier umfassend so verwendet, dass er Routinen, Programmmodule, Programme, Komponenten, Datenstrukturen, Algorithmen und dergleichen enthält. Anwendungen können in verschiedenen Systemkonfigurationen einschließlich Einprozessor- oder Mehrprozessorsystemen, mikroprozessorgestützter Elektronik, Kombinationen davon und dergleichen implementiert werden.
I. Allgemeine Übersicht über die Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Ultraschallschweißtechnik zum Fügen von Werkstücken wie etwa Polymerverbundwerkstoffen.
Ein Aspekt der Offenbarung bezieht sich auf Systeme und Verfahren für das verbesserte Ultraschallschweißen. Das System enthält einen Algorithmus (z. B. computerlesbaren Code), der zum Steuern von Vorrichtungselementen zum Platzieren der Mehr-Höhen-Energielenkvorrichtung zum Schweißen an dem identifizierten Ort konfiguriert ist. Der Ort wird auf der Grundlage einer Verlagerung bestimmt, die von einem Schweißkopf, von einer Schweißspitze oder von einer Sonotrode wie etwa von einer Ultraschallservosonotrode, die so gesteuert wird, dass sie sich in einer vorgegebenen Weise in Richtung der Werkstücke bewegt, zwischen denen die Vorrichtung sitzt, zu einem Punkt, bei dem der Sonotrode eine Schwellenrückstellkraft von dem proximalen Werkstück entgegenwirkt, durchlaufen wird.
Genauer wird das Schweißwerkzeug auf ein proximales Werkstück der zwei Werkstücke, die gefügt werden und zwischen denen der Energierichtungsgeber sitzt, abgesenkt.
Während die Sonotrode dafür gesteuert wird, sich auf das Werkstück abzusenken, empfängt ein Controller eine Rückkopplung, die eine Kraft oder einen Widerstand angibt, die bzw. der der Abwärtsbewegung entgegenwirkt. In Übereinstimmung mit dem Algorithmus, z. B. mit durch einen Computer ausführbaren Anweisungen, bestimmt der Controller die Entfernung, die von der Sonotrode durchlaufen wird, bevor der Sonotrode eine vorgegebene Schwellenkraft entgegenwirkt.
Falls die durchlaufene Entfernung angibt, dass sich eine Sonotrode nicht direkt über dem Ort des Werkstücks befindet, unmittelbar unter dem sich der Energierichtungsgeber [engl.: ”energy directory”] befindet, steuert der Controller die Sonotrode auf der Grundlage der letzten Messwerte, damit sich sich zu einem anderen Ort, vorzugsweise näher zu der Mitte des Richtungsgebers, bewegt, wobei das Sinken und Messen an der neuen Position erneut ausgeführt werden.
Falls die durchlaufene Entfernung angibt, dass die Sonotrode direkt über einem Ort des Werkstücks ist, direkt unter dem sich der Energierichtungsgeber befindet, wird das Schweißen ausgeführt. Aus vielen Gründen heraus wird das Schweißen in Bezug auf die Mehr-Höhen-Richtungsgeberkonfiguration der vorliegenden Technologie vorteilhaft ausgeführt.
Im Folgenden werden die Systemkomponenten, der Algorithmus und die Betriebe anhand von 1–9 weiter beschrieben.
II. Prozess, Systemwerkzeugbestückung und Werkstücke – Fig. 1–Fig. 11
Die vorliegende Technologie wird nun in Bezug auf beispielhafte Systeme, eine beispielhafte Werkzeugbestückung und beispielhafte Werkstücke beschrieben. Auf die Figuren wird zur Erleichterung des Verständnisses der Technologie und nicht zur Beschränkung ihres Schutzumfangs Bezug genommen.
Die Bezugnahme auf Richtungen wie etwa oberer, unterer, nach oben, nach unten und seitlich wird hier zur Erleichterung der Beschreibung der vorliegenden Technologie gegeben, beschränkt aber nicht den Schutzumfang der Technologie. Eine Beschreibung, in der eine Servosonotrode in der Weise beschrieben ist, dass sie auf einem proximalen Werkstück nach unten sinkt, ist z. B. nicht darauf beschränkt, dass sich die Sonotrode in dem Erd- oder Umgebungssystem vertikal nach unten bewegt. Zum Beispiel kann sich die Sonotrode in diesem Fall in dem Umgebungssystem von links nach rechts bewegen.
II.A. Allgemeines Schweißsystem – Fig. 1
Nun übergehend zu den Figuren und insbesondere zu der ersten Figur zeigt 1 ein beispielhaftes Schweißsystem, das allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Das System 100 wird verwendet, um zwei Werkstücke 101 ¹, 101 ² zusammenzuschweißen.
Das System 100 enthält eine Stützstruktur oder Unterstruktur 102. Außerdem enthält das System einen Schweißarm 104, der in einer Schweißenergieanwendungsspitze oder Sonotrode 106 endet. Die Sonotrode kann z. B. eine Ultraschallservosonotrode enthalten, die dafür konfiguriert ist, Energie in Form hochfrequenter Schwingungen auf die Werkstücke anzuwenden, um sie zusammenzuschweißen.
Der Schweißarm 104 geht von einer zweiten oder anwendungsseitigen Struktur oder Masse 108 aus.
Im Betrieb kann durch die und/oder bei der Masse 108 eine Anwendungsrichtungskraft 110 angewendet werden. Die Kraft 110 schiebt den Arm 104 und die Sonotrode 106 in Richtung der Werkstücke 101, die zusammengeschweißt werden. Eine Gegenkraft 112 schiebt die Stützstruktur 102 in Richtung der Werkstücke. Mit der Masse und mit der Kraft in Anwendungsrichtung, die aus einer ersten, einer Anwendungsrichtung in Richtung der Werkstücke 101 schieben, und mit der Gegenkraft 112, die aus einer Gegenrichtung in Richtung der Stücke 101 schiebt, werden die Werkstücke 101 während des Schweißens unter einem gewünschten Druck gehalten.
II.B. Mehr-Höhen-Energielenkvorrichtung – Fig. 2 und Fig. 3
2 zeigt eine Energielenkvorrichtung oder einen Energierichtungsgeber 200.
Der Energierichtungsgeber 200 kann irgendein hier beschriebenes Material einschließlich in Verbindung mit den Werkstücken enthalten.
In einer Ausführungsform ist der Energierichtungsgeber 200 allgemein ringförmig – wobei er z. B. ein allgemein ringförmiges oder ringartiges Draufsichtprofil (z. B. Profil von oben) aufweist. In der Figur ist ein oberer Abschnitt der ringförmigen Konfiguration durch das Bezugszeichen 202 bezeichnet.
Es ist wichtig, dass festgestellt worden ist, dass eine ringförmige Schweißstelle so stark wie durchgehende Schweißstellen (d. h. Schweißstellen ohne einen zentralen Hohlraum) sein kann – in einem vorliegenden Ergebnis ist das insbesondere dann wahr, wenn ein Verhältnis eines Innendurchmessers zu einem Außendurchmesser kleiner als etwa 0,6 ist. Genauer wird unter einer angewendeten Zugbelastung eine überwiegende Menge der durch eine ununterbrochene oder durchgehende Schweißung erzeugten Haltekraft durch einen Außenkreisringabschnitt der Schweißstelle geliefert, während ein zentraler Abschnitt der Schweißstelle im Vergleich wenig Haltekraft beiträgt. Somit kann eine Schweißstelle, bei der der zentrale Abschnitt fehlt, mit weniger Energie als eine durchgehende Schweißstelle (eine, bei der ein zentraler Leerraum fehlt) und vielleicht mit weniger Zeit gebildet werden, ohne Fügefestigkeit zu opfern.
Obgleich der Energierichtungsgeber 206, gleich, ob er ringförmig ist oder eine andere Form aufweist, andere Breiten 208 aufweisen kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Technologie abzuweichen, weist jeder Richtungsgeber in einer Ausführungsform eine Breite 208 (z. B. einen Durchmesser oder eine maximale Breite) zwischen etwa 3 mm und etwa 20 mm auf. In einer Ausführungsform kann die Breite 208 kleiner wie etwa so klein wie etwa 1 mm sein und möglicherweise immer noch bis zu etwa 20 mm betragen.
Der obere Abschnitt 202 definiert ein zentrales Loch oder einen zentralen Hohlraum 204. Obgleich der Hohlraum 204, gleich, ob er kreisförmig, oval, rechteckig oder ein anderer ist, andere Innenbreiten 210 aufweisen kann, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Technologie abzuweichen, weist in einer Ausführungsform jeder Richtungsgeber 200 eine oder mehrere Innenbreiten 210 zwischen etwa 1,5 mm und etwa 12 mm auf. In einer Ausführungsform kann die Innenbreite 208 kleiner wie etwa so klein wie etwa 0,6 mm sein und möglicherweise immer noch bis zu z. B. etwa 12 mm betragen.
Obgleich der veranschaulichte Richtungsgeber 200 eine allgemein ringförmige Draufsichtsprofilform oder Profilform in der Ansicht von oben aufweist, kann der Richtungsgeber andere allgemeine Draufsichtsprofilformen aufweisen. Andere beispielhafte Formen enthalten ovale, quadratische oder andere rechteckige Formen mit einem zentralen Hohlraum.
Der Energierichtungsgeber 200 enthält mehrere Energierichtungsgeberelemente (ED-Elemente) 206. Die Elemente können durch andere Begriffe wie etwa als ein Höhensteuerungs-ED-Element, ein Höhensteuerungs-ED-Vorsprung oder ein Höhensteuerungs-ED-Steg oder als ein Niveausteuerungselement, ein Niveausteuerungsvorsprung oder ein Niveausteuerungssteg bezeichnet sein.
Wie in 2 gezeigt ist, gehen die ED-Elemente 206 von dem oberen Abschnitt 202 des Richtungsgebers 200 aus oder stehen sie von ihm vor (stehen sie z. B. nach unten vor). In einer Ausführungsform wird der ED 200 während des Formpressens eines der Werkstücke (z. B. des proximalen Werkstücks 101 ¹) gebildet und ist so ein zusammenhängendes Teil dieses Werkstücks.
Obgleich das ED-Element 206 andere Formen aufweisen kann, weist jeder Richtungsgeber in der dargestellten Ausführungsform ein allgemein dreieckiges Seitenprofil auf. Andere beispielhafte Formen enthalten quadratisch, auf andere Weise rechteckig oder abgerundet – z. B. halbkreisförmig oder ovular.
In der dargestellten Ausführungsform enthält jedes ED-Element 206 eine obere oder erste Seite oder Basis, die mit dem oberen Abschnitt 202 des Elements 206 verbunden ist. In der Ausführungsform, in der der ED 200 während des Formpressens eines der Werkstücke (z. B. des proximalen Werkstücks 101 ¹) gebildet wird und so ein zusammenhängender Teil dieses Werkstücks ist, enthält der obere Abschnitt 202 des Elements 206 das Werkstück 101 ¹. Die Seiten verlaufen von der Basis zu einem dem oberen Abschnitt 202 gegenüberliegenden Punkt.
Es ist wichtig, dass die ED-Elemente 206 nicht alle dieselben Eigenschaften aufweisen. In einer Ausführungsform ist wenigstens eine Eigenschaft, die sich zwischen wenigstens einigen der ED-Elemente 206 unterscheidet, eine Höhe 212 der Elemente. Vorteile dieses Merkmals werden im Folgenden in Verbindung mit dem Schweißprozess des Verfahrens 400 aus 4 weiter beschrieben.
Allgemein beziehen sich die Vorteile auf eine vorteilhafte Kanalisierung der Schweißenergie – z. B. der Ultraschallschwingungen – anfangs durch primäre ED-Elemente, während in einer Frühphase des Schweißens weniger oder nicht die gesamte durch die sekundären ED-Elemente und durch die sekundären Elemente geht, während in einer nachfolgenden Phase des Schweißens weniger oder nicht die gesamte durch die primären ED-Elemente geht.
3 zeigt eine Seitenansicht irgendeines der ED-Elemente 206 aus 2. Zusammen mit der in 2 angegebenen Höhe 212 zeigt 3, dass die ED-Elemente 206 durch andere Merkmale wie etwa durch die Breite 302 definiert sein können.
Obgleich die ED-Elemente 206 andere Breiten 302 aufweisen können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Technologie abzuweichen, weist jedes ED-Element 206 in einer Ausführungsform eine Breite 302 zwischen etwa 1,0 mm und etwa 4,0 mm auf. In einer Ausführungsform kann die Breite 302 kleiner wie etwa so klein wie etwa 0,2 mm sein und immer noch möglicherweise bis zu etwa 4,0 mm betragen.
Weiter mit der dreieckigen Ausführungsform aus 2 und 3 zeigt 3 eine vertikale Seitenlänge 304 als eine andere Größeneigenschaft des ED-Richtungsgebers.
In einer Ausführungsform liegt ein Verhältnis der Höhe 212 zu der Breite 302 (H/W) zwischen etwa 0,3 und etwa 1,0.
In einer Ausführungsform weist jedes Primärelement 206 ¹ der Elemente 206 eine Höhe zwischen etwa 0,5 mm und etwa 6,0 mm auf und weist jedes Sekundärelement 206 ² eine Höhe zwischen etwa 0,4 mm und etwa 4,0 mm auf.
Die ED-Elemente 206 können irgendeine geeignete Dicke und im Zusammenhang damit irgendeine gewünschte dreidimensionale Form aufweisen und jedes Element kann irgendeine gewünschte Größe – z. B. irgendeine bzw. irgendwelche gewünschte Dicke oder Dicken – aufweisen. Die Elemente 206 können eine allgemeine Pyramidenform aufweisen. Für ED-Elemente, die abgerundete Seiten aufweisen, kann die dreidimensionale Form prismatisch (z. B. die eines rechteckigen oder dreieckigen Prismas), zylindrisch, konisch, kegelstumpfförmig, pyramidenförmig (z. B. die einer Dreieckspyramide oder eines Tetraeders), kugelteilförmig (z. B. halbkugelförmig, in Form einer halben Kugel oder hemisphärenförmig) usw. sein. Die ED-Elemente 206 können gerade und/oder gekrümmte Seiten aufweisen.
Wie erwähnt wurde, weisen die ED-Elemente 206 nicht alle dieselben Eigenschaften auf. In einer betrachteten Ausführungsform weist nicht jedes der ED-Elemente 206 an einem einzelnen Energierichtungsgeber 200 zusammen mit oder anstelle veränderlicher Höhen dieselbe Form auf. Wie bei veränderlichen Höhen werden die Vorteile der Veränderung der Form zwischen den ED-Elementen 206 wieder weiter unten in Verbindung mit dem Schweißteilprozess des Verfahrens 400 aus 4 beschrieben. Allgemein beziehen sich die Vorteile außerdem wieder auf eine vorteilhafte Kanalisierung der Schweißenergie – z. B. der Ultraschallschwingungen – anfangs durch primäre ED-Elemente, während in einer Frühphase des Schweißens weniger oder nicht die gesamte durch die sekundären ED-Elemente geht, und durch die sekundären Elemente, während weniger oder nicht die gesamte durch die primären ED-Elemente geht, in einer nachfolgenden Phase des Schweißens.
II.C. Algorithmus und Betriebsverfahren – Fig. 4–Fig. 11
Nun übergehend zu der vierten Figur zeigt 4 einen beispielhaften Algorithmus mittels eines Ablaufplans 400, der ein Verfahren definiert, um (a) einen Energierichtungsgeber wie etwa den Energierichtungsgeber 200 aus 2 zu platzieren und (b) Werkstücke durch Anwenden von Schweißenergie auf ein proximales Werkstück an dem identifizierten Ort, sodass sie nach Wunsch durch den neuartigen Energierichtungsgeber kanalisiert wird und ihn schmilzt, zusammenzuschweißen. Das Ergebnis ist, dass im Vergleich zu herkömmlichen Techniken mit weniger Gesamtzykluszeit, Energie und Energierichtungsgebermaterial eine effektive und effiziente Schweißung und eine genauere und robustere Schweißstelle gebildet wird.
In einigen Ausführungsformen steuert der Algorithmus nur einige Aspekte des Verfahrens wie etwa den Teilprozess, der in 4 dem Bezugszeichen 406 zugeordnet ist. In einem anderen steuert er z. B. die Betriebe 406 und 408 und in anderen die Betriebe 404, 406, 408 und 410. Die Betriebe werden wiederum im Folgenden weiter beschrieben.
Obgleich hier hauptsächlich das Fügen zweier Werkstücke beschrieben ist, ist die Anzahl als ein Beispiel dargestellt und können in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung mehr als zwei Stücke verbunden werden.
Es ist festzustellen, dass die Schritte des Verfahrens 400 nicht notwendig in irgendeiner bestimmten Reihenfolge dargestellt sind und dass die Ausführung einiger oder aller Schritte in einer alternativen Reihenfolge möglich ist und betrachtet wird. Die Schritte sind zur Erleichterung der Beschreibung und Veranschaulichung in der veranschaulichten Reihenfolge dargestellt worden. Es können Schritte hinzugefügt, weggelassen und/oder gleichzeitig ausgeführt werden, ohne von dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Außerdem ist festzustellen, dass das dargestellte Verfahren 400 jederzeit beendet werden kann.
In bestimmten Ausführungsformen werden einige oder alle Schritte dieses Prozesses und/oder im Wesentlichen äquivalente Schritte durch eine Computervorrichtung wie etwa einen Prozessor, der durch einen Computer ausführbare Anweisungen ausführt, die in einem computerlesbaren Medium gespeichert oder enthalten sind, ausgeführt oder wenigstens initiiert. Außerdem können irgendeiner oder irgendwelche mehreren Schritte des Prozesses durch automatische Maschinen wie etwa Robotertechnik ausgeführt, initiiert oder auf andere Weise ermöglicht werden.
Das durch den Ablaufplan aus 4 umrissene Verfahren 400 wird nun zusätzlich anhand der Werkzeuge und Komponenten aus 5–10 beschrieben. Eigenschaften der gezeigten Elemente, z. B. die Form, die Größe und die Anzahl, werden dargestellt, um die vorliegende Beschreibung zu erleichtern, und nicht, um den Umfang der vorliegenden Technologie zu beschränken.
Das Verfahren 400 beginnt 401 und der Ablauf geht zum Block 402 über, in dem ein Energierichtungsgeber wie etwa der in 2 gezeigte Richtungsgeber 206 zwischen den Werkstücken positioniert wird. 5 zeigt eine beispielhafte Positionierung des Energierichtungsgebers zwischen benachbarten Werkstücken.
In einer betrachteten Ausführungsform wird der Energierichtungsgeber in einem Teilprozess des Formens wenigstens eines der Werkstücke gebildet. Zum Beispiel kann eine Form, in der das erste Werkstück formgepresst wird, Aussparungen und/oder Vorsprünge enthalten, die zum Bilden des Energierichtungsgebers an einem gewünschten Ort des Fahrzeugs konfiguriert (z. B. bemessen und geformt) sind.
Die wie bereitgestellten Werkstücke, die zusammengeschweißt werden, können ähnlich oder verschiedenartig sein. Hinsichtlich verschiedenartiger Werkstückmaterialien kann ein Werkstück z. B. ein Kunststoff oder ein anderes Polymer sein und kann das andere Stahl, Aluminium, eine Legierung oder ein anderes Metall usw. sein. Somit können die Lehren der vorliegenden Offenbarung z. B. zum Fügen eines Polymers (z. B. eines Polymerverbundwerkstoffs) mit einem anderen Polymer oder zum Fügen eines Polymers mit einem Metall verwendet werden.
In einer Ausführungsform enthält das Material Polyethylen. In einer Ausführungsform enthält das Material Polyethylenterephthalat (PET), hochdichtes Polyethylen (HDPE) und/oder Ethylenvinylalkohol (EVOH).
In einer Ausführungsform enthält wenigstens eines der Werkstücke, die gefügt werden, ein Polymer. Wenigstens eines der Werkstücke kann synthetische oder anorganische Moleküle enthalten. Obgleich die Verwendung sogenannter Biopolymere (oder grüner Polymere) zunimmt, sind Polymere auf Erdölgrundlage immer noch viel üblicher.
Das Material eines oder beider Werkstücke kann außerdem ein wiederverwertetes Material wie etwa ein Polybutylenterephthalatpolymer (PBT-Polymer), das etwa fünfundachtzig Prozent Altpolyethylenterephthalat (PET) ist, enthalten.
In einer Ausführungsform enthalten eines oder beide der Werkstücke eine Art Kunststoff. In einer Ausführungsform enthält das Material einen Thermoplast.
In einer Ausführungsform enthalten eines oder beide der Werkstücke einen Verbundwerkstoff. Zum Beispiel enthalten in einer Ausführungsform eines oder beide der Werkstücke einen faserverstärkten Polymerverbundwerkstoff (FRP-Verbundwerkstoff) wie etwa ein kohlefaserverstärktes Polymer (CFRP) oder ein glasfaserverstärktes Polymer (GFRP). Der Verbundwerkstoff kann z. B. ein Glasfaserverbundwerkstoff sein. In einer Ausführungsform ist der FRP-Verbundwerkstoff ein Kunststoff/Metall-Hybridverbundwerkstoff.
In einigen Implementierungen enthält das Material ein Polymer von Polyamidqualität, das allgemein als ein Polyamid bezeichnet werden kann.
Außerdem kann das Material eines oder beider Werkstücke Polyvinylchlorid (PVC) enthalten.
In einer Ausführungsform enthält das Material Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS).
In einer Ausführungsform enthält das Material ein Polycarbonat (PC).
Außerdem kann das Material eines oder beider Werkstücke eine Art Harz enthalten. Beispielhafte Harze enthalten ein Glasfaserpolypropylenharz (PP-Harz), ein PC/PBT-Harz und ein PC/ABS-Harz.
Die Werkstücke können vor dem Schweißen vorerwärmt und formgepresst werden.
In den meisten Herstellungsprozessen wird mehr als eine Schweißstelle hergestellt, um zwei benachbarte Werkstücke zu verbinden. Somit kann die Positionierung im Schritt 402 das Positionieren mehrerer Energievorrichtungen zwischen den Werkstücken enthalten.
Weiter anhand von 4 geht der Ablauf mit dem bzw. den zwischen den Werkstücken positionierten Energierichtungsgebern zu Schritt 404 über, wo die Anordnung benachbart zu dem Schweißsystem positioniert wird. Dieser Betrieb kann das Bewegen der Werkstück/ED-Anordnung in Richtung des Schweißsystems und/oder das Bewegen von Aspekten von oder des gesamten Schweißsystems in Richtung der Platzierung enthalten.
Die grobe Anfangspositionierung des Schritts 404 kann das Positionieren einer Ultraschallsonotrode des Systems in der Nähe eines geschätzten oder angenommenen Orts des Energierichtungsgebers, der in der ersten Schweißung verwendet werden soll, enthalten.
Der Ablauf geht zu dem Energierichtungsgeber-Feinplatzierungsteilprozess oder zu der Routine 406 über. Wie in 4 gezeigt ist, enthält die Platzierungsroutine 406 mehrere Teilschritte, die durch hochgestellte Indizes – d. h. 406 ^1-5 – unterschieden sind. Von Schritt 404 geht das Verfahren insbesondere zu dem ersten Routineschritt 406 ¹ über, in dem der Schweißkopf oder die Sonotrode (z. B. die Ultraschallservosonotrode wie die Sonotrodenspitze des Beispiels aus 1) abgesenkt wird. Die Sonotrode wird in Richtung des nächsten Werkstücks – d. h. des Werkstücks, das der Sonotrode am nächsten ist wie etwa in 1 und 5 – abgesenkt.
Das Absenken ist in 6 dargestellt. Die Grobpositionierung des Schritts 404 positioniert die Sonotrode üblicherweise nicht direkt über dem Energierichtungsgeber. Stattdessen landet die Sonotrode üblicherweise anfangs nur teilweise über dem Energierichtungsgeber positioniert, wie durch den Weg 604 in 6 angegeben ist, oder überhaupt nicht über dem Richtungsgeber, wie durch den Weg 602 in 2 angegeben ist. Der Sollweg ist der dritte 606, der, wie im Folgenden weiter beschrieben ist, durch eine oder mehrere Iterationen der Routine 406 ^1-5 erreicht wird.
Der Sinkbetrieb 406 ¹ wird gemäß dem Betrieb eines Controllers ausgeführt, der mit der Schweißsonotrode direkt oder indirekt verbunden ist. Merkmale eines beispielhaften Controllers sind in 11 gezeigt und im Folgenden weiter beschrieben. Der Controller steuert z. B. eine Rate, mit der die Sonotrode in Richtung des proximalen Werkstücks abgesenkt wird. Der Controller kann z. B. eine Robotervorrichtung oder einen Roboter, die bzw. der die Bewegung der Schweißsonotrode steuert, steuern oder ein Teil von ihr sein.
In dem nächsten Schritt 406 ² der Routine 406 bestimmt der Controller, ob eine von dem Werkstück bei der Schweißsonotrode empfangene Widerstandskraft angibt, dass die Sonotrode zu einem lokalen Endpunkt abgesenkt worden ist. Der Controller bestimmt dies auf der Grundlage einer Rückkopplung (z. B. von einem Kraftmessglied), die eine durch das Werkstück 101 ¹ auf die Schweißsonotrode ausgeübte Kraft angibt. Die Steuerung empfängt die Kraftangaben von einem Sensor (nicht ausführlich gezeigt), der Teil des Schweißsystems oder mit ihm verbunden sein kann oder der Teil der automatischen Robotervorrichtung, die die Bewegung der Schweißsonotrode steuert, oder mit ihr verbunden sein kann.
Falls in Schritt 406 ² bestimmt wird, dass die Sonotrode nicht ihren lokalen Endpunkt erreicht hat, kehrt der Ablauf des Algorithmus, wie in 4 gezeigt ist, zu dem ersten Routineschritt 406 ¹ zurück. Dies findet z. B. statt, während die Sonotrode abgesenkt wird und das Werkstück noch nicht berührt hat. Außerdem findet es statt, wenn die Sonotrode das Werkstück berührt hat, aber noch nicht genug abgesenkt worden ist, um einen ausreichenden Betrag an Widerstandskraft von dem Werkstück zu empfangen.
Wenn in Schritt 406 ² bestimmt wird, dass die Sonotrode ihren lokalen Endpunkt erreicht hat, geht der Ablauf des Algorithmus zu Schritt 406 ³ über, in dem der Controller eine Verlagerung bestimmt, die die Sonotrode durchlaufen hat, um den Punkt zu erreichen, oder auf andere Weise einen Ort des Endpunkts – z. B. eine vertikale Entfernung von irgendeinem Bezugssystem – bestimmt. Die Verlagerung kann z. B. durch einen Messgeber bestimmt werden, der direkt oder indirekt mit der Sonotrode verbunden ist. In einer Ausführungsform ist das System dafür konfiguriert, ständig in kurzen Zeitabständen oder andernfalls schnell, während die Sonotrode sinkt, Verlagerungsmessungen vorzunehmen. Ferner ist das System dafür konfiguriert, die bestimmten regulären Verlagerungswerte mit einem Sollverlagerungswert zu vergleichen, der ständig oder in kurzen regelmäßigen Intervallen oder auf andere Weise schnell bestimmt wird, während die Sonotrode sinkt.
In Schritt 406 ⁴ bestimmt der Controller, ob die Verlagerung oder die vertikale Position der Sonotrode, die dem lokalen Endpunkt entspricht, angibt, dass die Sonotrode an einen Zielort der Werkstückplatzierung – d. h. an den Ort der Platzierung mit dem Energierichtungsgeber zwischen den Werkstücken und direkt vollständig unter der Schweißsonotrode – abgesenkt worden ist.
Der Controller wird mit Daten programmiert oder kalibriert, die Werte oder Bereiche von Sonotrodenverlagerungen oder Positionen, die erwarteten oder wahrscheinlichen Positionen der Sonotrode in Bezug auf den Sollort der Werkstückplatzierung entsprechen, identifizieren. Die Daten geben z. B. an, dass die Sonotrode in einer vorgegebenen vertikalen Position innerhalb eines Fehlerfensters oder Fehlerbereichs liegt, wenn die Sonotrode die Sollposition berührt hat, da die Schwellenkraft der Sonotrode eher entgegengewirkt hat.
Dies ist so, da die Werkstückplatzierung dicker ist, wo der Energierichtungsgeber ist, oder wenigstens das obere Werkstück der Sonotrode nicht so viel nachgibt, wenn der Energierichtungsgeber dort ist. Wenn die Sonotrode an einem Ort des Werkstücks schiebt, der nicht über dem Energierichtungsgeber ist, kann die Sonotrode weiter an dem Werkstück nach unten schieben, bevor die Sonotrode schließlich die Schwellenwiderstandskraft erfährt. Die Daten geben auf der Grundlage der Sonotrodenverlagerung zu der Schwellenkraft an, wo die Sonotrode ist – z. B. kann in Labortests über oder nicht über dem Energierichtungsgeber erzeugt werden. Außerdem können die Daten auf der Grundlage der Sonotrodenverlagerung zu der Schwellenkraft eine Angabe bereitstellen, wie weit die Sonotrode von dem Energierichtungsgeber ist.
Dieses Konzept wird anhand von 6 und 7 weiter beschrieben.
Wie erwähnt zeigt 6 drei beispielhafte Wege 602, 604, 606. Bei einer ersten seitlichen Position über dem proximalen Werkstück 101 ¹ sinkt die Sonotrode entlang des ersten beispielhaften Wegs 602. Da der Energierichtungsgeber 200 nirgends in der Nähe einer Linie des Wegs 602 ist, wenn die Sonotrode das Werkstück 101 ¹ berührt, gibt das nicht durch irgendeinen Energierichtungsgeber beschränkte Werkstück mehr nach oder verlagert sich mehr, als wenn der Richtungsgeber dort wäre. Somit kann sich die Sonotrode weiter nach unten bewegen, bevor die vorgegebene Schwellenkraft von dem Werkstück 101 ¹ der Abwärtsbewegung der Sonotrode entgegenwirkt.
7 ist eine graphische Darstellung, die den drei in 6 gezeigten Wegen entspricht. Genauer zeigt 7 einen Graphen 700 mit einer y-Achse 702, die die Schweißsonotrodenverlagerung darstellt, und mit einer x-Achse 704, die die seitliche oder orthogonale Position der Sonotrode angibt. Die erste Säule 706 entspricht dem ersten Weg 602 aus 6. Dementsprechend ist die Verlagerung sehr hoch, da der Weg 602 nicht über dem und nicht verhältnismäßig nahe dem Energierichtungsgeber 200 in 6 ist.
Die zweite Säule 708 in 7 entspricht dem zweiten Weg 604 aus 6. Dementsprechend ist die Verlagerung niedriger, aber immer noch nicht so niedrig, wie sie sein sollte, da der Weg 606 immer noch nicht direkt und vollständig über dem Energierichtungsgeber 200 ist. In einigen Ausführungsformen ist der Energierichtungsgeber nicht starr und weist vielmehr eine gewisse Biegsamkeit auf. Somit wirkt der Sonotrode weniger Gegenkraft entgegen, wenn sie (z. B. auf dem zweiten Weg 604) auf einen Abschnitt des Werkstücks 101 ¹ abgesenkt wird, der nicht vollständig über dem Energierichtungsgeber ist, da weniger von dem Richtungsgeber darauf hinwirkt, der Abwärtsbewegung der Sonotrode einen Widerstand entgegenzusetzen. Wenn die Sonotrode (z. B. auf dem dritten Weg 606) direkt über dem Richtungsgeber abgesenkt wird, ist mehr (d. h. alles) von dem Energierichtungsgeber unter dem Werkstück, wo die Sonotrode abgesenkt ist, sodass mehr von dem Richtungsgeber der Abwärtsbewegung der Sonotrode entgegenwirkt und sich das Werkstück somit weniger verlagert, bevor es die Schwellengegenkraft erfährt.
Die dritte Säule 710 in 7 entspricht dem dritten Weg 606 aus 6. Dementsprechend ist die Verlagerung verhältnismäßig niedrig, da der Weg 606 direkt über dem Energierichtungsgeber 200 ist, der ein weiteres Sinken der Sonotrode begrenzt.
Weiter anhand von 4 würde der Controller unter der Annahme, dass die Schweißsonotrode in einer ersten Iteration der Routine 406 an einer ersten seitlichen Position ist, die dem ersten Weg 602 entspricht, daraufhin in Schritt 4063 bestimmen, dass sich die Sonotrode um einen verhältnismäßig großen Betrag – z. B. die erste verhältnismäßig große Verlagerung 706 – verlagert hat, um den Endpunkt zu erreichen.
In dem nächsten Schritt 406 ⁴ bestimmt der Controller, ob die Verlagerung (z. B. die dem ersten Weg 602 entsprechende Verlagerung 706) angibt, dass die Sonotrode direkt über dem Energierichtungsgeber ist. Da die Verlagerung in dieser ersten Iteration verhältnismäßig hoch ist (z. B. die Verlagerung 706), schließt der Controller auf der Grundlage der vorprogrammierten Daten (z. B. aus früheren Labortests), dass die Sonotrode nicht direkt über dem Richtungsgeber ist. Somit geht der Ablauf des Algorithmus von der Entscheidung 406 ⁴ zu Schritt 406 ⁵ über, wo der Controller einen nächsten seitlichen Ort bestimmt, um die Sonotrode für ein nächstes Sinken und Messen dorthin zu bewegen.
In einer Ausführungsform enthält die Bestimmung in Schritt 406 ⁵, wohin die Sonotrode für den nächsten Abfall der Sonotrode bewegt werden sollte, die Betrachtung der in dem letzten Schritt 406 ⁴ bestimmten Verlagerung. Falls die letzte Verlagerung (z. B. die Verlagerung 706) z. B. sehr hoch ist, wäre die seitliche Entfernung, um die Sonotrode für den nächsten Abfall zu bewegen, höher. Falls die letzte Verlagerung niedrig ist – z. B. sehr nahe der, wenn die Sonotrode direkt über dem Energierichtungsgeber wäre-, wäre die spätere Entfernung, um die Sonotrode für den Nettoabfall zu bewegen, viel kleiner.
Nach dem Neupositionieren der Sonotrode in Schritt 406 ⁵ werden die Schritte 406 ¹ bis 406 ⁵ wiederholt.
Wenn die Iteration in Schritt 406 ⁴ zu einer Sonotrodenverlagerung bei oder unter einem Schwellenwert oder zu der Sollverlagerung führt, schließt der Controller, dass die Sonotrode direkt über dem Energierichtungsgeber abgesenkt worden ist. Zum Beispiel läuft die Sonotrode anhand von 6 und 7, wenn die Sonotrode entlang des dritten Wegs 606 aus 6 abgesenkt wird, über eine minimale Verlagerung 710, die unter einer ebenfalls in 7 angegebenen Schwellenverlagerung 712 liegt. Die Verlagerungswerte bei oder unter der Schwellenverlagerung 712 können als ein Verlagerungstoleranzbereich bezeichnet werden.
In Ansprechen auf die Bestimmung bei 406 ⁴, dass sich die Sonotrode nur um eine Sollverlagerung (z. B. 710) bewegt hat, um die Schwellenwiderstandskraft zu erreichen, und die Sonotrode direkt über dem Werkstück somit auf das Werkstück 101 ¹ abgesenkt wurde, geht der Ablauf des Algorithmus daraufhin von der Energierichtungsgeber-Platzierungsroutine 406 zu dem Schweißschritt 408 über.
In Schritt 408 wird Schweißenergie bei dem bestimmten Ort direkt über dem Energierichtungsgeber von der auf das proximale Werkstück 101 ¹ angewendet. Für Ultraschallschweißen enthält die Energie hochfrequente Ultraschallschwingungen, die erregt werden und von der Schweißsonotrode ausgehen.
Wie oben beschrieben wurde, ist der Energierichtungsgeber so ausgelegt, dass die Schweißenergie anfangs durch einige Energierichtungsgeberelemente (ED-Elemente) (206) mehr oder vollständig als durch andere geht. Zum Beispiel würde die Energie in den Mehr-Höhen-Ausführungsformen anfangs durch die längeren ED-Elemente 206 ¹ und nicht durch die kürzeren Elemente 206 ² gehen, da die längeren Elemente das distale Werkstück 101 ² berühren, was einen Weg zwischen den Werkstücken 101 ¹, 101 ² erzeugt. Da die kürzeren Elemente das distale Stück 101 ² nicht berühren und da es somit für die Energie keinen Weg durch die kürzeren Elemente zu dem distalen Stück 101 ² gibt, würde die Energie an diesem Punkt nicht frei durch die kürzeren ED-Elemente fließen.
Wenn die Schweißenergie durch die längeren ED-Elemente 101 ¹ geht, werden die längeren Elemente sowie die zu den längeren Elementen benachbarten Werkstücke zuerst geschmolzen. Diese Phase ist in 8 gezeigt.
Hinsichtlich des Schweißbetriebs und insbesondere für das Ultraschallschweißen wird Wärme aus zwischenmolekularer Reibung bei und zwischen den Energierichtungsgebern und den Werkstücken dort erzeugt, wo die Schweißenergie (z. B. HF-Schwingungen) durchgeht. Die Wärme veranlasst, dass der Richtungsgeber und die Werkstücke schmelzen, was die fügende Schweißstelle erzeugt.
Wenigstens wegen des Gewichts des proximalen Werkstücks 101 ¹ und durch die abwärtsgerichtete Kraft der Sonotrode steht die Anordnung unter einem gewissen Druck. In einigen Ausführungsformen ist die Sonotrode so konfiguriert (z. B. federbelastet) und/oder wird sie so gesteuert, dass während des Schweißens eine nach unten gerichtet Kraft auf das proximale Werkstück 101 ¹ ausgeübt wird. Somit wird das obere Werkstück 101 ¹ abgesenkt, während die ED-Elemente schmelzen.
Nachdem die längeren Elemente weiter geschmolzen sind, wird eine in 9 gezeigte nachfolgende Phase erreicht, in der die längeren ED-Elemente 2061 ausreichend geschmolzen sind, damit die kürzeren ED-Elemente 206 ² das distale Werkstück 101 ² berühren.
Da die längeren ED-Elemente 206 ¹ wenigstens teilweise geschmolzen sind und die kürzeren ED-Elemente 206 ² noch nicht geschmolzen sind und das untere Werkstück 101 ² noch nicht berühren, bieten die kürzeren ED-Elemente 206 ² an diesem Punkt einen Weg mit weniger Widerstand für die Schweißenergie (z. B. HF-Schwingungen) als die längeren ED-Elemente 206 ¹.
Somit kanalisiert die Schweißenergie von der in 9 gezeigten Phase des Schweißteilprozesses 408 im Wesentlichen oder wenigstens mehr durch die kürzeren Elemente, was sie und die zu den kürzeren Elementen benachbarten Werkstücke 101 ¹, 101 ² schmilzt.
Beim Erstarren bilden die geschmolzenen Abschnitte zwischen den Werkstücken Schweißlinsen, wobei diese Schweißstellen die Werkstücke 101 ¹, 101 ² zusammenhalten. Für Ausführungsformen, in denen ein allgemein ringförmiger Energierichtungsgeber (z. B. der Richtungsgeber 206 aus 2) verwendet wird, kann die resultierende Schweißstelle allgemein gleichfalls ringförmig sein. Eine beispielhafte Schweißstelle ist in 10 gezeigt (wobei die Schweißstelle ohne die Werkstücke 101 ¹, 101 ², gezeigt ist, die die Schweißstelle zusammenhält).
Wie angegeben wurde, ist festgestellt worden, dass eine ringförmige Schweißstelle so fest wie durchgehende Schweißstellen (d. h. Schweißstellen ohne einen zentralen Leerraum) sein kann. Genauer wird ein überwiegender Betrag der Haltekraft, die durch eine ununterbrochene oder durchgehende Schweißstelle erzeugt wird, durch einen Außenringabschnitt der Schweißstelle bereitgestellt, wobei ein zentraler Abschnitt der Schweißstelle im Vergleich wenig Haltekraft beiträgt. Somit kann eine Schweißstelle ohne den zentralen Abschnitt mit weniger Energie und vielleicht mit weniger Zeit als eine durchgehende Schweißstelle (eine ohne einen zentralen Hohlraum) gebildet werden, ohne Fügefestigkeit zu opfern.
Nach einer im Voraus festgelegten Zeitdauer wird die Anwendung von Schweißenergie beendet und die Sonotrode von dem proximalen Werkstück 101 ¹ zurückgeholt. Das System wird mit der Zeitdauer zum Anwenden der Schweißenergie vorprogrammiert. Die Zeiteinstellung kann z. B. in Labortests bestimmt werden.
Abschließend anhand von 4 bestimmt der Controller in Schritt 410, ob irgendwelche anderen Schweißstellen herzustellen sind. Wenn das der Fall ist, kehrt der Ablauf zu Schritt 404 zurück, wo die Sonotrode zum Platzieren eines nächsten Energierichtungsgebers in der Platzierungsroutine 406 neu positioniert wird. Wenn der nächste Energierichtungsgeber platziert worden ist, geht der Ablauf wieder zu der Schweißoperation 408 über usw.
Obgleich zwei ED-Elementhöhen offenbart sind, enthält der Energierichtungsgeber in einer betrachteten Ausführungsform mehr als zwei Höhen, sodass eine entsprechende Anzahl von Schweißphasen größer als zwei ist.
Wie oben erwähnt wurde, können die Elemente anstelle der oder zusammen mit der Höhendifferenz zwischen den ED-Elementen 206 eine Formdifferenz aufweisen, die steuert, wo und wann die Schweißenergie kanalisiert wird, wodurch gesteuert wird, welche Teile des Energierichtungsgebers in einer ersten Phase und welche in einer zweiten Phase schmelzen. Obgleich als ein primäres Beispiel zwei ED-Formen vorhanden sind, sind hier mehr als zwei ED-Formen und somit eine entsprechende Anzahl von Schweißphasen möglich.
Obgleich zwei primäre Schweißphasen – z. B. eine erste Phase, während der die längeren ED-Elemente 206 ¹ die Schweißenergie kanalisieren und schmelzen, und eine zweite Phase, während der die kürzeren ED-Elemente 206 ² die Schweißenergie kanalisieren und schmelzen – beschrieben worden sind, kann die Energie, wie erwähnt wurde, obgleich die Energie in der zweiten Phase stärker durch das kürzere Element übertragen wird, in geringerem Grad weiter durch die längeren Elemente übertragen werden, da sie immer noch zwischen den Werkstücken 101 ¹, 101 ² unversehrt sind.
Die vorliegende Schweißtechnik 408 führt dazu, dass die ED-Elemente, hoch und daraufhin kurz, in einem gewünschten Zeitintervall fortschreitend schmelzen.
Außerdem ermöglicht die Technik 408 die Verwendung von weniger Energie zum Ausführen der Schweißung, als sie erforderlich wäre, wenn der Schweißrichtungsgeber durchgehend ohne ED-Elemente wäre oder wenn jedes ED-Element dieselbe Höhe und Form hätte. Zum Beispiel wäre ausreichend Energie zum Kanalisieren der Energie durch alle zehn Elemente gleichzeitig über eine lange, einzelne Phase erforderlich, falls der Energierichtungsgeber zehn (10) gleiche ED-Elemente aufweisen würde. Falls der Energierichtungsgeber dagegen fünf längere ED-Elemente und fünf kürzere ED-Elemente enthält, ist in der ersten Phase nur ausreichend Energie notwendig, um die Energie durch die fünf längeren Elemente zu kanalisieren, wobei diese Energie geringer ist als der Energiepegel des vorhergehenden Beispiels, in dem die Energie durch alle zehn gleichen ED-Elemente kanalisiert wurde. In der zweiten Phase ist allgemein hauptsächlich nur Energie notwendig, die ausreicht, um die Energie durch die fünf kürzeren Elemente zu kanalisieren, wobei dieser Energiepegel ebenfalls kleiner als der Energiepegel des vorhergehenden Beispiels ist, in dem die Energie durch alle zehn gleichen ED-Elemente kanalisiert werden musste. Theoretisch ist ferner eine Summe der Energieanwendung in der ersten Phase und in der zweiten Phase kleiner als die Gesamtenergie, die für die Anordnung, die die zehn gleichen ED-Elemente aufweisen würde, erforderlich wäre.
II.D. Beispielhafter Controller – Fig. 11
11 veranschaulicht schematisch Merkmale eines beispielhaften Controllers wie etwa einer Computervorrichtung. Der Controller ist in 11 durch das Bezugszeichen 1100 bezeichnet. Wie gegeben ist, kann der Controller 1100 eine Robotervorrichtung 1102 steuern oder Teil von ihr sein.
Wie gezeigt ist, enthält der Controller 1100 einen Speicher oder ein computerlesbares Medium 1104 wie etwa ein flüchtiges Medium, ein nichtflüchtiges Medium, ein Wechselmedium und ein fest eingebautes Medium. Der Begriff computerlesbare Medien und Varianten davon, wie er in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet ist, bezieht sich auf konkrete, nicht vorübergehende Ablagemedien.
In einigen Ausführungsformen enthalten Ablagemedien flüchtige und/oder nichtflüchtige Medien, Wechselmedien und/oder fest eingebaute Medien wie etwa z. B. Schreib-Lese-Speicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), Festkörperspeicher oder eine andere Speichertechnologie, CD-ROM, DVD, BLU-RAY oder eine andere optische Plattenablage, Magnetband, eine Magnetplattenablage oder andere magnetische Ablagevorrichtungen.
Außerdem enthält der Controller 1100 einen Computerprozessor 1106, der mittels einer Kommunikationsverbindung 1108 wie etwa eines Computerbusses mit dem computerlesbaren Medium 1104 verbunden ist oder verbunden werden kann.
Das computerlesbare Medium 1104 enthält durch einen Computer ausführbare Anweisungen 1110. Die durch einen Computer ausführbaren Anweisungen 1110 können durch den Prozessor 1106 ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der Prozessor und somit der Controller 1100 irgendeine Kombination der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Funktionen ausführt. Diese Funktionen sind teilweise oben in Verbindung mit 4 und in den unterstützenden Darstellungen aus 1–3 und 5–10 beschrieben.
In einer betrachteten Ausführungsform steht der Controller in Kommunikation mit einer oder mit mehreren fernen Vorrichtungen 1112. Zum Beispiel kann ein zentraler Computer oder Dienst in dem Herstellungswerk mit dem Controller 1100 kommunizieren, wie etwa, um Anweisungen für den Controller 1100 bereitzustellen und/oder eine Rückkopplung (z. B. Betriebsberichte) von ihm zu empfangen.
Außerdem ist der Computerprozessor 1106 mit wenigstens einer Schnittstelle 1112 verbunden oder zu verbinden, um Kommunikationen zwischen dem Controller 1100 und irgendwelchen anderen lokalen Komponenten 1114 wie etwa z. B. Sensorvorrichtungen wie den obenerwähnten Kraftsensoren zu ermöglichen.
Außerdem ist die Schnittstelle 1112 zum Ermöglichen von Kommunikationen mit irgendeiner fernen Vorrichtung 1116 konfiguriert.
Die Schnittstelle 1112 kann verdrahtete Verbindungen und/oder drahtlose Verbindungen – z. B. Transceiver, Sender und/oder Empfänger – enthalten, um mit den lokalen Komponenten 1114 zu kommunizieren.
Zum Kommunizieren mit den fernen Komponenten 1116 enthält die Schnittstelle 1112 einen kurzreichweitigen Transceiver (oder Sender und/oder Empfänger) und/oder einen langreichweitigen Transceiver (oder Sender und/oder Empfänger).
Die fernen Komponenten 1116 können Datenbanken, Server, andere Prozessoren, andere Ablagemedien und/oder andere Computervorrichtungen wie etwa andere Systeme in einem Herstellungswerk, die Anweisungen zu dem Controller 1100 übermitteln und/oder Daten (z. B. Leistungsberichte) von ihm empfangen, sein.
Obgleich die Schnittstelle 1112 vollständig als Teil des Controllers 1100 gezeigt ist, kann sie oder irgendeiner oder mehrere Aspekte davon teilweise oder vollständig ein Teil des Controllers 1100 sein. Die Schnittstelle 1112 oder irgendeiner oder irgendwelche mehreren Aspekte davon können teilweise oder vollständig extern von dem Controller 1100 und mit ihm verbunden oder zu verbinden sein.
III. Vorteile der Implementierung
Ein Vorteil der vorliegenden Technologie sind Energieeinsparungen, da zum Platzieren der Energierichtungsgeber weniger Energie notwendig ist.
Außerdem wird Zeit gespart, da zum Platzieren der Energierichtungsgeber weniger Zeit verwendet wird.
Solche effizienten, effektiven und robusten Prozesse des Schweißprozesses unterstützen die erhöhte Verwendung von Polymerkomponenten, die mit ähnlichen Materialien (z. B. Polymerverbundwerkstoff/Polymerverbundwerkstoff-Verbindung) oder mit verschiedenartigen Materialien (z. B. eine Polymer/Metall-Verbindung usw.) gefügt werden müssen. Es folgen verwandte Vorteile der Verwendung solcher Materialien einschließlich Gewichtsverringerung, Leistungsverbesserungen und Korrosionsbeständigkeit.
IV. Schlussfolgerung
Das Gesetz erfordert nicht, dass jede mögliche Ausführungsform der vorliegenden Technologieschwerpunkte (z. B. in den Ansprüchen) dargestellt und gelehrt wird, und dies ist wirtschaftlich untragbar. Somit sind die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhafte Darstellungen von Implementierungen, die für ein klares Verständnis der Prinzipien der Offenbarung dargelegt sind. An den oben beschriebenen Ausführungsformen können Änderungen, Abwandlungen und Kombinationen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Technologieschwerpunkte (z. B. Ansprüche) abzuweichen. Alle solchen Änderungen, Abwandlungen und Kombinationen sind hier im Schutzumfang dieser Offenbarung und in den folgenden Technologieschwerpunkten (z. B. Ansprüchen) enthalten.

Claims

Verfahren zum Platzieren eines Schweißenergierichtungsgebers für das effektive Zusammenschweißen mehrerer Werkstücke in einem Gebiet des Richtungsgebers, umfassend: Positionieren einer Werkstückanordnung in Vorbereitung auf das Vornehmen einer oder mehrerer Annäherungen zum Platzieren des Energierichtungsgebers, wobei die Werkstückanordnung ein proximales Werkstück der mehreren Werkstücke, ein distales Werkstück der mehreren Werkstücke enthält und wobei der Schweißenergierichtungsgeber dazwischen positioniert wird; und Ausführen einer Platzierungsteilroutine gemäß der Steuerung eines Controllers, wobei diese Folgendes umfasst: Bewegen eines Platzierungsarbeitsmittels in Richtung des proximalen Werkstücks, das dem Arbeitsmittel am nächsten ist, in einer Annäherungsbewegung; Bestimmen, ob eine Widerstandskraft, die von dem Werkstück bei dem Platzierungsarbeitsmittel empfangen wird, angibt, dass das Platzierungsarbeitsmittel zu einem lokalen Endpunkt abgesenkt worden ist, in einer Ortsbestimmung; Neuplatzieren des Arbeitsmittels für eine nachfolgende Annäherungsbewegung und Wiederholen der Annäherungsbewegung und der Ortsbestimmung, bis ein positives Ergebnis erreicht wird, in Ansprechen auf ein negatives Ergebnis bei der Ortsbestimmung; und Bestimmen, dass sich der Energierichtungsgeber direkt unter einem Gebiet, in dem das Platzierungsarbeitsmittel [engl.: ”locating the implement”] positioniert wurde, befindet, wenn das positive Ergebnis erreicht wurde, in Ansprechen auf die positiven Ergebnisse bei der Ortsbestimmung.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Positionieren des Energierichtungsgebers benachbart zu dem Gebiet vor der Platzierungsteilroutine umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Positionieren des Energierichtungsgebers das Bilden des Energierichtungsgebers mit dem proximalen Werkstück in einem Formpressverfahren für das erste Werkstück enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Platzierungsarbeitsmittel eine Schweißsonotrode, die zum Zusammenschweißen der Werkstücke verwendet werden soll, enthält oder ein Teil davon ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bewegen das Bewegen des Platzierungsarbeitsmittels und/oder der Werkstückanordnung unter Beachtung eines geschätzten oder bekannten Orts des Energierichtungsgebers in der Weise enthält, dass das Arbeitsmittel dem Energierichtungsgeber verhältnismäßig nahe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ortsbestimmung umfasst: dass der Controller einen von dem Arbeitsmittel erreichten Verlagerungswert bestimmt, wenn ein Betrag der Rückkopplung angibt, dass eine durch das proximale Werkstück auf das Platzierungsarbeitsmittel ausgeübte Kraft einen Schwellenwert erreicht hat; und dass der Controller bestimmt, ob der Verlagerungswert angibt, dass das Arbeitsmittel zu dem Energierichtungsgeber direkt benachbart ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: der Energierichtungsgeber biegsam ist; und der Schwellenwert einem vorgegebenen Kraftpegel entspricht, der erreicht wird, wenn das Arbeitsmittel in der Weise gegen den Energierichtungsgeber schiebt, dass sich der Richtungsgeber zu einem Punkt, an dem er mit dem vorgegebenen Niveau zurückschiebt, verformt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Energierichtungsgeber ein Mehr-Höhen-Richtungsgeber ist, der erste Energielenkelemente, die eine erste Höhe aufweisen, und zweite Energielenkelemente, die eine zweite Höhe aufweisen, die von der ersten Höhe verschieden ist, enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Elemente dafür konfiguriert sind, Schweißenergie auf vorgegebene Weise durch die Vorrichtung zu kanalisieren, wobei die vorgegebene Weise das Kanalisieren der Energie durch die primären Elemente in einer Anfangsphase des Schweißprozesses, während in der Anfangsphase keine durch die sekundären Elemente geht, enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vorgegebene Weise das Kanalisieren der Energie durch die sekundären Elemente in einer nachfolgenden Phase des Schweißverfahrens enthält.