JPH11509487A

JPH11509487A - 溶接コントローラ

Info

Publication number: JPH11509487A
Application number: JP50439597A
Authority: JP
Inventors: ポチャート，ドナルド・エル; ネイアー，サティンダー・ケイ; ルークス，ジョン・ダブリュー; カールソン，リチャード・ケイ
Original assignee: ミネソタ・マイニング・アンド・マニュファクチャリング・カンパニー
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1999-08-24
Also published as: DE69614544T2; WO1997001432A1; EP0835178B1; DE69614544D1; EP0835178A1

Abstract

(57)【要約】このシステムは、連続または走査溶接法の時はポジションの関数として、またプランジ溶接法の時は時間の関数として、ウェブ状または不連続部品についてプログラム可能な加圧力、振幅、速度、および変位を提供する。これらの溶接パラメータを変更することによって、不均一な溶接領域、部品の幾何学的形状、およびノンランダムな材料厚さに関わらず、強固且つ均一な溶接が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】溶接コントローラ発明の分野本発明は、超音波溶接システムに関する。特に、本発明は、連続動作およびプランジ溶接システムに関する。先行技術の背景プランジ溶接は、プラスチック溶接を行うための超音波エネルギーの最も普及している用途である。この工程では、結合しようとする２つのプラスチック部品を、超音波ホーンの下に直接配置する。このホーンは前方へ突出して、（下向きに動き）、部品上部に超音波振動を送る。振動は、部品上部を通って接合領域または２つの部品の界面へ伝播する。ここで振動エネルギーは、分子間摩擦によって熱に変換されるが、この分子間摩擦によって２つのプラスチック部品は溶融して融合する。振動と止めた時、２つの部品は、結合面に溶接を行う力がかけられたまま凝固する。連続超音波溶接は、構造物およびフィルムをシールするために使用される典型的な工程である。連続モードでは、典型的には超音波ホーンが静止しており、フィルムまたは構造物がその下で移動させられる。走査溶接法は、連続溶接法の一種であり、この場合プラスチック部品は、静止ホーンまたはホーン群の下で走査される。トラバース溶接法（連続溶接法の一種）では、テーブルおよび溶接される材料とも互いに対して静止したままであるが、これらが共にホーンの下を移動するか、またはホーンがこれらの上を移動する。公知の連続溶接システムでは、溶接中、溶接振幅、加圧力、溶接速度を一定にすることが可能であり、また、このシステムは、一定の体積、面積、材料厚さを溶接できるように設計される。溶接表面積または溶接体積が一定でない場合に適用すると、オーバーウェルディングおよびアンダーウェルディングが生ずる。公知の補正方法では、機械式ストップ、カムフォロア、および犠牲溶接領域の使用を含む。犠牲溶接領域は、溶接エネルギーと加圧力の均衡をとるため、溶接工程に含まれる領域であるが、通常は、製品の性能については、必要とされない領域である。他の方法では、製品設計を変更したり、溶接機へ導入するにつれて部品の配置方向を変えて溶接領域ができるだけ変わらないようにする。連続溶接工程中の基本的溶接変数、すなわち振幅、力、および速度の全てを、部品ポジション、溶接深さ、または他の外部または内部制御変数の関数として変更できる公知の装置はない。多種部品を連続走査溶接する場合、溶接表面積、部品の厚さ、および部品構成を頻繁に変更する。正確に溶接ホーン対部品の配置を行うこと、溶接ホーンの力がプログラム可能であること、溶接ドウェル時間がプログラム可能であること、溶接振幅がプログラム可能であること、またはこれらの要件を組み合わせること、がむらのない溶接を行うために必要である。典型的には、これらの要件に合わせるため、溶接する部品を搭載するロータリーアンビルまたはトラバーステーブル等の連続動作デバイスは、迅速に加減速できなければならない。同様に、溶接ホーンが部品に加える力は、迅速に変更できなければならない。イリノイ州セントチャールズのデュカン・コーポレーション・ウルトラソニックス・デイビジョン(Dukane Corporation Ultrasonics Division)が販売する溶接機は、一回のプランジ溶接中に一回加圧力を変更できる。Ｗ・ミヒャエリ(W． Michaeli)およびＷ・コーテ(W．Korte)著、合成材料・ジャーマン・プラスチックス(Kunststoffe German Plastics)１９９３年第83巻第９号、「超音波溶接における溶接品質の改善」（"Better Weld Quality in Ultrasonic Welding"）、ドイツ連邦共和国ミュンヘン、ハンザー出版(Hanser Publishers)発行では、プランジ溶接の最中に二回力を変更する方法が掲載されている。コネティカット州ダンバリーのブランソン・ウルトラソニックス・コーポレーション(Branson Ultrasonics Corporation)が販売する溶接機電源（モデル No.9 00 BA/900 MAシリーズ・アドバンスト・パワーサプライ）では、外部入力によって振幅を変更できる。米国特許第４，９７３，８７６号では、振幅対ロードまたはラインボルテージを一定に維持することにより、振幅を調節する電源を開示している。この特許では、超音波エネルギーの始動中に振幅を増大させて、大きな超音波ホーンが容易に振動を開始できる方法について検討している。米国特許第５，１９９，６３０号では、プランジ溶接用の振幅制御システムを検討しており、ここでは、ホーンの振幅は、センサを使用して測定される。比較器は、測定値が所望の値からどの程度ずれているかを決定する。次に比較器は、電源に信号を送信してこのずれを修正する。このずれは、振幅を作り出すトランスデューサへの入力電圧を調節したり、あるいは、送り込む配線の速度を修正して、金属製リードフレーム板に対する電気回路の超音波配線接続を行うことにより修正される。ミヒャエリとコーテの論文では、部品間のメルトフローを制御して最適な引張強度を得るため、プランジ溶接作業の加圧力を高から低への２段階式に切り換えることを検討している。これにはソレノイドバルブを使用するが、このバルブは高速走査溶接に用いるには遅すぎる。ドイツ特許第３３１３９１８号では、プランジ溶接において所望のエネルギーおよび変位を得るため、エネルギー曲線および溶接変位曲線をモニターして、加圧力を調節する方法を検討している。溶接距離は、電気式運動検出器により測定されて、事前決定したセットポイントと比較される。次に曲線の整合技術を用いる。［曲線整合において、この引例では、理想的条件が得られる溶接変位および溶接エネルギーを事前に決定して、コンピュータにプログラムすることを検討している。試験溶接について、溶接エネルギーと溶接変位を、事前に決定した値または曲線と比較する。プランジモードで溶接を行うにつれて、溶接変位曲線および溶接エネルギー曲線を通電時間に対してプロットする。これは走査溶接とは異なっており、これらのパラメータの数値は、部品またはテーブルの位置について求められる。］これ故、この特許は、走査溶接に適用できない。溶接を行う時に送られる所定量のエネルギーは、通電持続時間に従って変化する。２つの部品を接合する場合、溶接を開始する時に２つの部品を互いに接近させる。溶接中に移動した距離は変位として参照する。旧東ドイツ特許第２８１０３８号では、溶接する部品に働く力を測定するロードセルとプリセット値を用いて実際の力を測定する処理装置とを使用して、プランジ溶接の加圧力を調節する方法を検討している。処理装置は、ソレノイドおよびフロー制御バルブを切り換えて加圧力を調節する。第二ロードセルは、溶接深さを決定する。この特許では、走査溶接法または連続溶接法を検討していない。またこの特許では、加圧力と同時に生ずる振動の振幅変更または分布測定について何らの検討もしていない。発明の概要本発明は、部品とホーンとの間の相対運動を提供することによって、部品をホーンと接触させて、部品を溶接する方法および装置である。ホーンは、この部品に高周波エネルギーを印加する。加圧力、溶接速度、ホーン位置、および加圧力、溶接速度、溶接振幅、およびホーン位置の何れかの組み合わせのうちの一つは、プログラム可能であり、溶接中、変更することができる。例えば、これらの変数は、連続溶接の場合、部品の位置に対してプログラム可能であり、あるいは、プランジ溶接の場合、時間に対してプログラム可能である。一実施形態では、機械式ストップ、カムフォロア、または犠牲溶接領域を使用せずに溶接強度を制御するため、これらのパラメータが変更可能となっている。また、外部からプログラムされるか、あるいは測定されるかした一つ以上の入力値の関数として、パラメータを溶接中に変更することが可能であり、必要なエネルギーが異なる溶接領域も溶接可能である。これらの入力値の例としては、温度、溶接速度、加圧力、周波数、位置、溶接体積、溶接エネルギー等がある。本発明は、不均一な溶接領域および部品の幾何学的形状、および厚さがノンランダムであり溶接パターンを変更できない所を溶接するために使用可能であり、ユニット面積毎に均一な加圧力を提供できる。また、このユニットを用いれば、所望次第で、溶接強度を不均一に制御できる。本システムは、溶接品質を検知するために使用でき、また本システムによれば、得られた溶接品質に応じて、一つ以上の溶接パラメータをリアルタイムで自動的に調整して所望の溶接レベルを得ることができる。溶接品質の検知とパラメータの調整は、入来部品の厚さの測定、溶接厚さの自動調整、溶接厚さの測定とこの制御、溶接中の溶接温度の測定とこの制御、部品の周波数の測定、およびエネルギーフィードバックの測定、により行われる。このシステムは、犠牲溶接領域、部品配置方向、およびテーブルまたは製品設計の変更が所望されていない場合、これらが十分に機能していない場合、またはこれらの経費がかさんでいるような場合への適用に有効である。このシステムを用いれば、生産レートの向上、組立コストの低減、溶接不良発生割合の低減、部品品質の向上が得られる。また、本発明のプランジ溶接システムでは、溶接中に、少なくともホーンポジション、加圧力、アンビルポジションを変更し、あるいは加圧力、ホーンポジション、および溶接振幅のうちのいずれか２つを変更する。図面の簡単な説明図１は、本発明の溶接システムの斜視図である。図２は、図１の溶接システムのウェルダの一部切り欠き前面図である。図３は、図１の溶接システムのスプリングプランジャの側面図である。図４は、図１の溶接システムの概略図である。実施例本発明は、連続溶接法、プランジ溶接法、またはこれらを組み合わせた方法の何れかを用いる超音波溶接法を提供する。本システムは、連続またはプランジ溶接法について、溶接振幅、加圧力、テーブル速度、テーブルポジション、溶接ホーン速度、および溶接ホーンポジションを同時に変更し（これらの分布測定を行う、としても公知である）且つこれらを同時に制御することができる。これらのパラメータは、プリセットプロファイルに従い、且つ他の外部からの入力値に応じて、いかなる組み合わせでも変更できる。図４は、溶接システムの主要システムコンポーネント同士の関係を示す。本明細書を通して、水平面内での部品の移動方向は、Ｘ軸に沿う方向である。Ｙ軸は、水平面内でＸ軸に垂直となる。Ｚ軸は、垂直面内でＸ、Ｙ軸に垂直にとる。図１乃至４に示される溶接システム１０は、トラバーステーブル１２と、コントローラ１４と、アダプタ４８と、を含む。アダプタ４８は、変換器１８およびブースター２０を囲んでおり、ホーン２２に取付けられている。超音波スタック（変換器１８、ブースター２０、およびホーン２０）は、超音波電源２３により駆動される。システム１０は、溶接工程中に、ソニックホーンを精密に配置するため、キープロセスパラメータを正確に制御する。コントローラ１４により、ユーザーは、ホーン２２、および部品速度、ホーン加圧力、ホーンおよび部品ポジション、および音波エネルギー振動の溶接振幅をプリセットプロファイルに対して制御できるか、あるいは部品の要求条件に応じて制御できる。また、コントローラ１４により、ユーザーは、ホーン加圧力、ホーンまたはテーブルポジション、時間、または温度あるいは周波数等の外部入力値の関数として、音波エネルギーにプログラムトリガ（効果がある場合も、効果の無い場合もある）をかけることができる。これによって、溶接体積、表面積、および材料厚さ等の必要なエネルギーが異なる領域の溶接が可能となる。Ｚ方向で変更可能な力は、可変ニューマチックフォースコントロール（応答が遅い）を使用するか、または、例えばステッパーモータ駆動機構、磁気的機構、圧電式機構、リードスクリュー、水力学的機構、またはこれらを組み合わせて使用して、ホーンポジションを変えることによって得られる。代わりに、Ｚ軸の運動は、アンビル（図示せず）を動かすことにより行われるが、このアンビルは、トラバーステーブル１２にマウントできる。Ｘ、Ｙ、およびＺ軸方向の速度は、可変ニューマチックフォースコントロール（応答が遅い）を使用することで可変にできるか、または、ステッパーモータおよび駆動機構、磁気的機構、圧電式機構、リードスクリュー、または水力学的機構、あるいはこれらを組み合わせて使用してトラバーステーブルのポジションを変更することにより可変にできる。溶接パラメータのうちでも振幅は、急激な変更を行うのが最も容易である。振幅の変更は、市販の溶接機を用いて電気的に行える。多くの電源では、振幅は、電源内で直流供給電圧を制御することで変更できる。溶接速度および加圧力を素早く変更することは、溶接振幅を変更するよりも難しい。産業上利用するには、システム応答がＸ−Ｙ平面内で３０ｍ／ｍｉｎ（１００ｆｔ／ｍｉｍ）の部品速度を使用できるものであることが所望される。例えば、加圧力を１２．５ミリ秒間にファクター５だけ、Ｚ方向に溶接ホーンを最大０．０８ｃｍ（０．０３０ｉｎ）移動して、Ｘ方向のテーブルの移動が、０．６４ｃｍ（０．２５ｉｎ）以下を越えて変更できることが所望される。水力学的、圧電式、磁気的システム、またはこれらを組み合わせたシステムは、これらの要件を満たす。溶接振幅、変位（ホーン対部品ポジション）、溶接速度、および加圧力を、連続または走査溶接については部品位置の関数として変更でき、また、プランジ溶接については時間の関数として変更でき、所望の溶接を行うことができる。所望どおりに溶接すれば、一貫性のある品質を得たり、或は品質を変更したりできる。溶接品質を検知することにより、コントローラは、他の外部入力信号を使用して溶接パラメータのいずれか、または全てを自動的に調整して、所望の溶接レベルが得られるようにプログラムすることができる。制御方法には、入来製品の厚さを測定して自動的に調整する工程と、溶接自体の厚さを測定して制御する工程と、溶接中に溶接温度を測定して制御する工程と、部品周波数およびエネルギーフィードバックを測定する工程と、を含むものがある。部品溶接領域の設計データは、三次元モデリング技術から入力できる。図１乃至４は、製作したシステムの例を示すが、この例は、与えられた仕様に対する本発明の範囲を限定するものではない。ホーン２２は、市販の超音波電源２３で駆動すると、音波または超音波周波数で、共鳴できるアルミニウム、チタン、または焼結鋼から主につくられる音響ツールである。ホーン22を用いれば、超音波溶接あるいは他の方法で溶接を行うことができ、更に、連続溶接またはプランジ溶接法を用いて作業することができる。（ホーン２２は、この説明の中では、超音波エネルギーを提供するものとして説明する。）ロータリーまたはトラバーステーブル１２は、連続または断続的なウェブまたはピース状部品を溶接するため、ホーン２２に対して移動できる。またこの代わりに、ホーンが移動している時、テーブルは静止する。溶接スタックは、Ｚ方向でトラバーステーブル１２に垂直なアダプタ４８の内部にマウントされており、溶接する部品に超音波振動を付与し、且つＺ方向を移動する。変換器１８は圧電素子であり、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換したり、またこの逆の変換を行う。ブースター２０は、機械的共振器であり、変換器１８とホーン２２の間に位置しており、振動振幅を増幅したり、あるいは増幅された振幅を元に戻す。ホーン２２は、フレーム２６を用いて、トラバーステーブル１２に垂直にマウントされる。トラバーステーブル１２は、Ｘ軸に沿って、ベースプレート２８上を移動し、油圧式サーボ制御駆動機構等のテーブルアクチュエータ３０を用いて制御されており、例えば、ＭＴＳシリーズ２４７アクチュエータでは、最大ストローク７１．１ｃｍ（２８ｉｎ）で、テーブルポジションを０ｃｍ（０ｉｎ）（ホームポジション）から６６．４０ｃｍ（２６．１４ｉｎ）まで制御する。MTS Temposonics（商標）変位トランスデューサは、ポジションセンサ３２の役目を果たしており、アクチュエータ３０の位置を示す電気フィードバック信号を提供する。トラバーステーブル１２には、アンビルが取付け可能であり、更に、このトラバーステーブル１２は、無電解ニッケルめっきを施したスチールテーブルであり、その上面にはマウントホールの規則的グリッドパターンを有する。使用するあらゆるアンビルの寸法は、溶接する部品の寸法を基準に選択される。４つのリニアベアリング（図示せず）は、テーブル１２の下にマウントされており、ベースプレート２８に固く取付けられたレール上を移動する。ベースプレート２８は、機械加工された１０．２ｃｍ（４ｉｎ）厚の鋼板である。テーブル１２は、Ｘ−Ｙ平面内を移動する。加速度計３４、３６は、安定のためと、内力を打消すために、テーブル１２およびベースプレート２８に取付けられる。フレーム２６は、テーブルの上面に中心があるピボットを用いて、Ｚ軸沿いに、ベースプレート２８の両側面に取付けられた箱型構造の鋼板溶接物である。フレーム２６は、Ｚ軸アクチュエータ３８を含み、Ｘ軸に沿って±5o傾斜できる。Ｚ軸方向の力とポジションの制御は、Ｚ軸アクチュエータ３８を用いて行われる。Ｚ軸アクチュエータ３８は、アクチュエータハウジング４０に取付けられたＺ軸油圧シリンダと、サーボバルブ組立構造体４２と、アキュムレータ４４と、Ｚ軸アクチュエータ３８に取付けられたＺアクチュエータマウンティングブラケット４６と、を含む。Ｚ軸油圧シリンダは、最大ストローク約２５．４ｃｍ（１０ｉｎ）を有しており、Ｚ軸ポジションを約２６．０９ｃｍ（１０．２７２ｉｎ）（完全引込状態）から約０．６１６ｃｍ（０．２４１ｉｎ）（テーブル下）まで制御する。線形可変差動変圧器は、Ｚ軸シリンダピストンロッドの内側にマウントされており、そのポジションを示すフィードバック電気信号を生じる。サーボバルブ４２は、コントローラ１４からの制御信号を変換して方向を制御して、Ｚ軸アクチュエータ３８への流体の流量を変換して、Ｚ軸シリンダピストンとロッドの動作を制御する。超音波ホーン２２、ブースター２０、および変換器組立構造体１８は、リサーキュレーティングＺガイドベアリングとＺアクチュエータマウンティングブラケットにマウントされたレール５０とに支持されて動くアダプタ４８の中にマウントされる。ロードセル５２は、アダプタ４８とＺ軸シリンダピストンロッドとの間にマウントされる。ロードセル５２は、コントローラ１４へフィードバックする力を提供する。また、加速度計５４も、安定性と内力を打消すためにアダプタ４８にマウントされる。油圧電源２４は、８１．１ｌ／ｍｉｎ（２１ｇａｌ／ｍｉｎ）、２０．７ＭＮ（３０００ｐｓｉ）の加圧作動流体をサーボバルブ４２に提供する。リザーバは作動流体を保持しており、ポンプは作動流体を加圧する。モータによってポンプが駆動しており、熱交換機は作動流体を冷却する。更に、センサが作動流体のレベル、圧力、温度をモニターするが、これら全ては、公知の方法で行われる。アキュムレータは、要求される通りに更に高いピークフローを提供する。Ｚアクチュエータマウンティングブラケット４６は、Ｚ軸に沿って±１２．７ｃｍ（５ｉｎ）に調節される。フレーム２６の裏面にマウントされたハンドリトラクタブルスプリングプランジャ５６（図３参照）は、フレーム２６沿いにある３つの移動止めポジション（１１．４ｃｍ（４．５ｉｎ）離間している）の一つにスナップ式に留まることで、組立構造体のポジショニングを容易にするが、いかなる所望の高さにもこれを配置できる。Ｚアクチュエータマウンティングブラケット４６は、±２．５４ｃｍ（±１ｉｎ）まで調節可能であり、Ｙ軸に沿って±２°まで傾けられる。Ｚアクチュエータマウンティングブラケット４６を移動するには、所定のポジションになるまで組立構造体をスライドさせて、クランプ５８を用いて、これを正しい位置にロックする。テーブル１２の上面に対するホーン２２の角度を調節して、部品とホーン２２との間のアライメントを改善できる。アダプタ４８の中に収容された溶接スタックは、Ｙ軸に垂直な方向から５°まで、Ｘ軸に垂直な方向から２°まで、Ｚ方向で調整できる。Ｘ軸の周りの回転は、フレーム２６上でブラケットを枢動させることにより行われ、Ｙ軸の周りの回転は、フレーム２６を傾斜することにより行われる。Ｚ軸アクチュエータ３８は、ポジション制限を有する加圧力で動作するか、あるいは加圧力制限を有するポジションモードで動作できる。アクチュエータ３８は、このアダプタ４８組立構造体を迅速に移動して、セットポイント加圧力またはポジション対時間の値に、Ｘ方向におけるテーブルポジション、または他の入力値を提供できる。コントローラ１４は、閉ループ回路を使用して、溶接中、部品への加圧力をモニターしてこれを制御する。部品ポジション出力値を提供する同じ駆動システムは、可変加圧力システムを駆動しており、Ｚ方向の所望の加圧力の分布を測定する。これによって、ポジション、加圧力、またはこれら両方を変更することができ、溶接領域にわたって均一な加圧力が得られて、溶接領域や部品の幾何学的形状が不均一であったり、厚さがノンランダムであることに関わらず、強固で均一な溶接ができる。この他、あらゆる所望の溶接強度のプロファイルが達成される。コントローラ１４は、セットポイント加圧力、ポジションプロファイル、および溶接後の実際のレスポンスプロファイルを表示できる。システムは、トラバース速度０〜１３７ｍ／ｍｉｎ（４５０（ｆｔ／ｍｉｎ））で動作できる。トラバース機構は、０．６２５ｃｍ（０．２５ｉｎ）以下のテーブルの移動範囲内で、０〜６１ｍ／ｍｉｎ（２００ｆｔ／ｍｉｎ）、最大アンビルウェイト６６７Ｎ（１５０１ｂ）、且つ最大溶接ドラッグフォース５７８Ｎ（１３０１ｂ）で、トラバーステーブル１２を加速することができる。油圧式サーボ制御テーブルアクチュエータ３０は、Ｘ方向内でのテーブルの速度対ポジションのプロファイルに対して素早く応答する。ポジション精度は、ポジションセンサ３２により測定される。ポジションセンサ３２は、Ｘ軸方向におけるテーブルポジションを測定する。センサ３２は、テーブル１２の速度およびポジションをフィードバック制御するために使用される。コントローラ１４は、予め定めた方法で、セットポイント速度プロファイル内の移動距離に亘って、トラバーステーブル１２の移動を制御できる。このセットポイント速度プロファイルには、テーブルの移動距離に沿った個々の速度セットポイントが含まれる。本システムによって、０．００２５ｃｍ（０．００１ｉｎ）毎、または１ミリ秒毎に溶接変数をプログラムすることが可能となる。コントローラ１４は、セットポイント速度プロファイルを視覚的に表示することができる。コントローラ１４は、フィードバック機構を有しており、この機構は、トラバーステーブル１２の速度の閉ループ制御のためのフィードバックを提供する。このフィードバックは、実際の速度プロファイルを視覚的に表示するために、リアルタイムデータを収集するためにも使用される。加圧力を精密且つ迅速に変更することは困難である。応答の早い駆動機構によって、加圧力を０から４４４８Ｎ（１０００１ｂ）まで連続的に変更することが可能となる。同一の被加工物と同一のプログラム条件を用いれば、０〜４４５Ｎ±１３．５Ｎ（１００１ｂ±３１ｂ）、および４４５〜４４４８Ｎ（１００〜１０００１ｂ）±３％の制限の範囲内で、加圧力は再現可能である。加圧力は、１２．５ミリ秒以短で、少なくともファクター５だけ増減できる。溶接システム１０は、ポジションモードまたは加圧力モードにおいてＺ軸の分布を測定することができる。溶接部品が加圧力のセットポイント値よりも大きな上向きの力をホーン２２に加える場合、ホーン２２は、プリセットＺ軸ポジションより上にある間は、部品上をそのセットポイント加圧力で「浮動」する。Ｚ軸アクチュエータ３８がＺ方向において後退駆動される（部品から離れる方向に押される）場合、この結果生ずる加圧力の誤差は、各ｃｍ／ｓｅｃにつき１５７．６Ｎ（各ｉｎ／ｓｅｃにつき９０１ｂ）の外乱であり、超音波スタックおよびそのマウントの初期段階での影響を無視できる。トランスデューサは、部品に対する加圧力とホーン２２のポジションとを測定する。これは、Ｚ方向における力およびポジションのフィードバック制御を行うたえに使用される。コントローラ１４は、力およびポジショントランスデューサにより測定されたあらゆるずれを修正する。コントローラ１４は、セットポイントフォースおよびポジションプロファイル、更に、溶接後の実際の応答プロファイルを表示できる。超音波電源２３は、所望の周波数で、溶接スタックを駆動する。コントローラ１４と超音波電源２３とのインタフェースは、超音波電源２３に対して信号を提供して、溶接中に溶接振幅の分布を測定する。ホーン２２の振動は、測定可能であり、フィードバック制御は、所望のセットポイントプロファイルに振幅を調整する。コントローラ１４は、セットポイントデータプロファイルと実際の応答データプロファイルを入力、保存、表示、プロットして、再生させる。制御されたセットポイントおよび記録された測定値には、テーブル速度コマンド、テーブル速度フィードバック、Ｘ軸ポジションコマンド、Ｘ軸ポジションフィードバック、ホーン溶接振幅プロファイル、Ｘ軸ポジションコマンド、Ｚ軸ポジションフィードバック、Ｚ軸加圧力コマンド、Ｚ軸加圧力フィードバック、およびエネルギー、電力、および温度等のその他外部入力が含まれる。コントローラ１４は、加圧力／ポジションアクチュエータ、振幅アクチュエータ、および速度／ポジションアクチュエータにコマンドを送る。コントローラ１４は、十分なマルチプルセットポイントを提供して、所望のプロファイルを入力する。溶接速度、加圧力、Ｚポジション、および溶接振幅プロファイルは、所定のポジションに部品を位置決めして、所望の溶接速度、加圧力、溶接振幅セットポイントを入力することによって作り出されて、所望のプロファイルを作り出すことができる。コントローラ１４は、直流−１０〜１０ボルトの範囲内で、振幅出力を提供できる。これは、予め定めた方法で、セットポイント振幅プロファイルの形で、連続溶接法については移動距離の亘って、プランジ溶接法については溶接サイクルに亘って溶接振幅を制御する。コントローラ１４は、時間、ポジション、または外部入力の関数として可変振幅プロファイルを提供して、これらをプロットしてセットポイント振幅プロファイルを視覚的に表示できる。溶接システム１０は、可変加圧力、振幅、およびホーンポジションプロファイルを、時間または他の外部入力の関数として提供してこれをプロットできるが、テーブルは、プランジ溶接の場合静止したままである。Ｚ軸アクチュエータの降下速度は、フル加速度から０．２５ｃｍ／ｓｅｃ（０．１ｉｎ／ｓｅｃ）までプログラムできる。スイッチの閉塞は、ロードセルからプリセット加圧力が検出された時開始される。加圧力の調整は、溶接サイクル中、ミリ秒毎に調整可能である。加圧力の変化の増加は、ランプ形で生じ、一カ所から別の場所へ定められたスロープを移動する。加圧力の調整は、時間の関数として変更可能であり、且つ瞬間パルスまたはスイッチ閉塞のような外部入力により制御できる。（ホーンが部品に接近する速度は、ポジション対時間プロファイルに従って調節できる。）加圧力トリガプロファイルにより決定されている加圧力信号の始動時（プリセット加圧力が得られる時）に、最初のタイマー信号が、始動されてシステムが加圧力対時間モードにとどまる時間を決定する。時間経過後に、アクチュエータは、プログラム可能な速度でリトラクトする。溶接継続時間もまた、ホーンポジション、溶接速度、加圧力、通電時間、または電力、エネルギー、周波数、および温度等の他の外部入力により決定される。また、所定サイクルの範囲内で複数の溶接継続時間を得ることができる。米国特許第４，９７３，８７６号に反して、本発明では、部品の設計に従って、走査溶接中、振幅、加圧力、およびテーブルの速度の分布測定を行う。振幅は、溶接中、外部信号により変更する。また、米国特許第５，１９９，６３０号に反して、本発明では、振幅を測定せず、あらゆるずれを修正するための比較器は備えていない。振幅は、溶接中、セットポイントプロファイルに追従する。振幅がセットポイントプロファイルから逸脱した場合、次の溶接では、加圧力、テーブル速度、または入力電圧が変更されて、所望のセットポイント値を得る。本発明では、走査溶接について、加圧力、ポジション、および速度の変化の分布を測定する。振幅の変化は、加圧力および部品の速度またはポジションの変化にリンクされる。米国特許第５，１９９，６３０号では、ポリマーがその状態を変えるに従い、溶接中に振幅を変更するよりもむしろ、振幅を一定に保っている。また、合成材料の出版物の場合に反して、本発明では、走査溶接モードおよびプランジ溶接モードについて、通電時間または速度およびポジションと、保持時間との両方の時間、加圧力を増減する。装置は、時間の関数として（プランジ溶接の場合）加圧力、Ｚポジション、および振幅の分布を測定可能であり、また、走査溶接については、加圧力、振幅、溶接姿勢、および部品の速度の分布を測定できる。全てのパラメータ（加圧力、振幅、ポジション、および速度）は、相関しており、これらのパラメータは、部品に依存して増減する方法で変更される。ポジションの関数としての加圧力の変更は、１２．５ミリ秒以下で行われる。本発明により、高速接合に重要である迅速なるパラメータ変更が可能となる。

【手続補正書】【提出日】１９９７年１２月２９日【補正内容】請求の範囲１．ホーンのワーク面に全体的に平行に、部品および前記ホーンとの間に相対的運動を与えることにより部品と前記ホーン２２とを接触させる工程と、前記ホーン２２から前記部品へ向けて高周波エネルギーを印加する工程と、溶接中、（ａ）加圧力、（ｂ）溶接速度、（ｃ）部品ポジション、（ｄ）ホーンポジション、（ｅ）加圧力、溶接速度、溶接振幅、部品ポジション、およびホーンポジションの中のいずれかの組み合わせ、のうちの少なくとも一つを変更する工程と、を含む部品溶接方法。２．前記変更する工程が溶接振幅を変更する工程も含む請求項１に記載の方法。３．ホーンのワーク面に全体的に垂直に、部品および前記ホーンとの間に相対的運動を与えることにより部品と前記ホーン２２とを接触させる工程と、前記ホーン２２から前記部品へ向けて高周波エネルギーを印加する工程と、溶接中、（ａ）加圧力、（ｂ）ホーンポジション、（ｃ）アンビルポジション、（ｄ）加圧力、ホーンポジション、アンビルポジション、および溶接振幅のうちの２つ、の中の少なくとも一つを変更する工程と、を含む部品溶接方法。４．前記変更する工程が、溶接中、必要に応じて温度、時間、溶接速度、加圧力、周波数、ホーンポジション、溶接体積、および溶接エネルギー等の、外部からプログラムされる入力値または測定値の１つ以上の関数として、加圧力、ホーンポジション、溶接速度、および溶接振幅を変更する工程を含み、それによって、必要エネルギーが異なる領域を溶接する、請求項１、２、または３のいずれかに記載の方法。５．更に、溶接品質を検知する工程と、検知した溶接品質に応じて一つ以上の溶接パラメータをリアルタイムで自動的に調整して所望の溶接レベルを得る工程と、を含み、前記検知する工程および調整する工程が、入来部品の厚さを測定して溶接厚さ自動的に調整して、次に溶接厚さを測定してこれを制御する工程と、溶接中に溶接温度を測定してこれを制御する工程と、部品周波数を測定する工程と、溶接エネルギーを測定する工程と、溶接品質を制御する工程と、のうちの一つの工程を含む、請求項４に記載の方法。６．高周波ホーン２２と、前記ホーン２２および溶接する部品の間に相対的運動を与える手段と、溶接中に、（ａ）加圧力、（ｂ）溶接速度、（ｃ）部品ポジション、（ｄ）ホーンポジション、および（ｅ）加圧力、溶接速度、溶接振幅、部品ポジション、およびホーンポジションのうちの少なくとも一つを、変更して、必要に応じて、溶接体積、表面積、および材料厚さが異なる領域を溶接する手段と、を含む部品を溶接する装置１０。７．前記変更する手段が、溶接振幅を変更する手段も含み、前記加圧力を手段が、少なくとも一つの可変フォースコントロール装置またはホーンポジションを変更する装置を含み、前記溶接速度を変更する手段が、少なくとも一つの可変フォースまたは速度コントロール装置、若しくはトラバーステーブル１２のポジションを変更する手段を含む、請求項６に記載の装置。８．高周波ホーン２２と、（ａ）加圧力、（ｂ）ホーンポジション、（ｃ）アンビルポジション、および（ｄ）加圧力、ホーンポジション、アンビルポジション、および溶接振幅の中の２つ、の中の少なくとも一つを溶接中に変更して、必要に応じて、溶接体積、表面積、および材料厚さの異なる領域を溶接する手段と、を含む部品をプランジ溶接する装置１０。９．前記変更する手段が、溶接中、必要に応じて、温度、時間、溶接速度、加圧力、周波数、ホーンポジション、溶接体積、および溶接エネルギー等の、外部からプログラムされる入力値または測定値の１つ以上の関数として、加圧力、ホーンポジション、溶接速度、および溶接振幅を、変更して、それによって、必要なエネルギーが異なる領域を溶接する手段を含む、請求項６、７、および８のいずれかに記載の装置。１０．更に、溶接品質を検知する手段と、前記検知した溶接品質に応じて溶接パラメータを一つ以上リアルタイムで自動的に調整して所望の溶接レベルを得る手段と、を含む請求項６、７、および８のいずれかに記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ルークス，ジョン・ダブリューアメリカ合衆国55133−3427ミネソタ州セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427 (72)発明者カールソン，リチャード・ケイアメリカ合衆国55133−3427ミネソタ州セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427

Claims

【特許請求の範囲】１．ホーンのワーク面に全体的に平行に、部品および前記ホーンとの間に相対的運動を与えることにより部品と前記ホーン２２とを接触させる工程と、前記ホーン２２から前記部品へ向けて高周波エネルギーを印加する工程と、溶接中、（ａ）加圧力、（ｂ）溶接速度、（ｃ）部品ポジション、（ｄ）ホーンポジション、（ｅ）加圧力、溶接速度、溶接振幅、部品ポジション、およびホーンポジションの中のいずれかの組み合わせ、のうち少なくとも一つを変更する工程と、を含む部品溶接方法。２．変更する工程が溶接振幅を変更する工程も含む請求項１に記載の方法。３．ホーンのワーク面に全体的に垂直に、部品および前記ホーンとの間に相対的運動を与えることにより部品と前記ホーン２２とを接触させる工程と、前記ホーン２２から前記部品へ向けて高周波エネルギーを印加する工程と、溶接中、（ａ）加圧力、（ｂ）ホーンポジション、（ｃ）アンビルポジション、（ｄ）加圧力、ホーンポジション、アンビルポジション、および溶接振幅のうちの２つ、の中の少なくとも一つを変更する工程と、を含む部品溶接方法。４．変更する工程が、溶接中、必要に応じて温度、時間、溶接速度、加圧力、周波数、ホーンポジション、溶接体積、および溶接エネルギー等の、外部からプログラムされる入力値または測定値の１つ以上の関数として加圧力、ホーンポジション、溶接速度、および溶接振幅を変更する工程を含み、それによって、必要エネルギーが異なる領域を溶接する、請求項１、２、または３のいずれかに記載の方法。５．更に、溶接品質を検知する工程と、検知した溶接品質に応じて一つ以上の溶接パラメータをリアルタイムで自動的に調整して所望の溶接レベルを得る工程と、を含む請求項４に記載の方法。６．前記検知する工程および調整する工程が、入来部品の厚さを測定して溶接厚さを自動的に調整して、これを測定して制御する工程と、溶接中に溶接温度を測定してこれを制御する工程と、部品周波数を測定する工程と、溶接エネルギーを測定する工程と、溶接品質を制御する工程と、のうちの一つの工程を含む請求項４に記載の方法。７．高周波ホーン２２と、前記ホーン２２および溶接する部品の間に相対的運動を与える手段と、溶接中に、（ａ）加圧力、（ｂ）溶接速度、（ｃ）部品ポジション、（ｄ）ホーンポジション、および（ｅ）加圧力、溶接速度、溶接振幅、部品ポジション、およびホーンポジションの中のいずれかの組み合わせ、のうちの少なくとも一つを変更して、必要に応じて、溶接体積、表面積、および材料厚さが異なる領域を溶接する手段と、を含む部品を溶接する装置１０。８．前記変更する手段が、溶接振幅を変更する手段も含む請求項７に記載の装置。９．前記加圧力を変更する手段が、可変加圧力制御または前記ホーンのポジションを変更する手段の少なくとも一つを含む請求項７に記載の装置。１０．前記溶接速度を変更する手段が、可変加圧力または速度制御あるいはトラバーステーブル１２のポジションを変更する手段を少なくとも一つを含む、請求項７に記載の装置。１１．高周波ホーン２２と、（ａ）加圧力、（ｂ）ホーンポジション、（ｃ）アンビルポジション、および（ｄ）加圧力、ホーンポジション、アンビルポジション、および溶接振幅の中の２つ、の中の少なくとも一つを溶接中に変更して、必要に応じて、溶接体積、表面積、および材料厚さの異なる領域を溶接する手段と、を含む部品をプランジ溶接する装置１０。１２．前記変更する手段が、溶接中、必要に応じて、温度、時間、溶接速度、加圧力、周波数、ホーンポジション、溶接体積、および溶接エネルギー等の、外部からプログラムされる入力値または測定値の１つ以上の関数として、加圧力、ホーンポジション、溶接速度、および溶接振幅を、変更して、それによって、必要なエネルギーが異なる領域を溶接する手段を含む、請求項７、８、９、１０、および１１のいずれかに記載の装置。１３．更に、溶接品質を検知する手段と、前記検知した溶接品質に応じて溶接パラメータを一つ以上リアルタイムで自動的に調整して所望の溶接レベルを得る手段と、を含む請求項７、８、９、１０、および１１のいずれかに記載の装置。