專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)監(jiān)控振動(dòng)體的共振頻率確定振動(dòng)體和固定點(diǎn)之間間隙的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定振動(dòng)體和固定點(diǎn)之間間隙的方法和系統(tǒng)，更具體地，涉及基于振動(dòng)體的共振頻率得出這樣一種測(cè)定的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在超聲焊接中(有時(shí)稱(chēng)作“聲學(xué)焊接”或者“聲波焊接”)，待連接的兩個(gè)部件(典型地是熱塑部件)被接近被稱(chēng)作超聲“喇叭”的器械放置，該超聲喇叭用于提供振動(dòng)能量。這些部件(或者“工件”)被限制在喇叭和砧臺(tái)之間。喇叭時(shí)常定位在工件和砧臺(tái)的垂直上方。該喇叭典型地以20,000Hz到40,000Hz振動(dòng)，典型地以摩擦熱的形式，在壓力下，將能量傳遞到部件。由于摩擦熱和壓力，至少其中一個(gè)部件的一部分變軟或者融化，從而接合這些部件。
在焊接過(guò)程期間，交流(AC)信號(hào)提供到喇叭組上，該喇叭組包括轉(zhuǎn)換器、調(diào)壓器和喇叭。該轉(zhuǎn)換器(也稱(chēng)作“變換器”)接收AC信號(hào)，并通過(guò)以與AC信號(hào)相等的頻率壓縮和擴(kuò)張來(lái)進(jìn)行響應(yīng)。因此，聲波穿過(guò)轉(zhuǎn)換器到調(diào)壓器。當(dāng)聲波波前傳播通過(guò)調(diào)壓器時(shí)，它被放大，并由喇叭接收。最后，波前傳播通過(guò)喇叭，并被給予到工件上，從而將它們焊接在一起，如前所述。
另一種類(lèi)型的超聲焊接是“連續(xù)超聲焊接”。這種類(lèi)型的超聲焊接典型地用于密封纖維和薄膜，或者其它“網(wǎng)”工件，其可以以一種通常連續(xù)的方式通過(guò)焊接設(shè)備供給。在連續(xù)焊接中，超聲喇叭典型地是固定的，并且待焊接的部件在它下面移動(dòng)。一種類(lèi)型的連續(xù)超聲焊接利用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)固定的棒喇叭和轉(zhuǎn)動(dòng)砧臺(tái)。該工件被供給在棒喇叭和砧臺(tái)之間。喇叭典型地縱向向工件延伸，并且振動(dòng)沿著喇叭軸向傳送到工件中。在另一個(gè)類(lèi)型的連續(xù)超聲焊接中，該喇叭是轉(zhuǎn)動(dòng)式，該喇叭是圓柱形，并且圍繞縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)。輸入振動(dòng)是在喇叭的軸向上，輸出振動(dòng)是在喇叭的徑向上。該喇叭靠近砧臺(tái)放置，其典型地也能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，以致要焊接的工件以線性速度通過(guò)圓柱表面之間，該速度基本上等于圓柱表面的切向速度。這種類(lèi)型的超聲焊接系統(tǒng)描述在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.5,976,316中，其通過(guò)參考全部包括在這里。
在每個(gè)上述超聲焊接技術(shù)中，待接合的工件在焊接過(guò)程期間被布置在喇叭和砧臺(tái)之間。一種焊接的方式是通過(guò)固定喇叭和砧臺(tái)之間的間隙。喇叭和砧臺(tái)之間的間隙在工件正在被接合時(shí)產(chǎn)生了保持工件在適當(dāng)位置的固定力。為了產(chǎn)生均勻、可靠的焊接操作，所希望的是保持在喇叭和砧臺(tái)之間的固定間隙。
在操作期間，喇叭組的一個(gè)或多個(gè)部件，包括喇叭本身，通常經(jīng)歷溫度上升。因此，喇叭組通常經(jīng)歷了熱膨脹，隨著喇叭組膨脹，喇叭和砧臺(tái)之間的間隙減小-這是不利于前述產(chǎn)生均勻、可靠焊接操作目的的結(jié)果。
如前面所建議的，當(dāng)前現(xiàn)有的超聲焊接方案展現(xiàn)了一個(gè)缺點(diǎn)，由于喇叭組和砧臺(tái)之間的間隙在后續(xù)焊接操作期間漸漸變窄。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)這個(gè)背景，發(fā)展了本發(fā)明。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種用于監(jiān)控振動(dòng)體和基準(zhǔn)之間的間隙的方法，其中振動(dòng)體的一部分通過(guò)剛性安裝系統(tǒng)固定在距離基準(zhǔn)給定距離，包括接收振動(dòng)體的共振頻率?；诠舱耦l率，確定與間隙長(zhǎng)度的大致改變保持已知關(guān)系的量。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，一種用于施加超聲能量到工件的系統(tǒng)，包括喇叭組和安裝系統(tǒng)，喇叭組安裝在安裝系統(tǒng)上。能量源耦合到喇叭組。該系統(tǒng)還包括具有用于支持工件的表面的砧臺(tái)?？刂破鞅慌渲贸山邮绽冉M的共振頻率，并且確定與喇叭組和砧臺(tái)之間的間隙的改變保持已知關(guān)系的量。
根據(jù)又一個(gè)其它實(shí)施例，一種用于施加超聲能量到工件的系統(tǒng)，包括喇叭組和安裝系統(tǒng)，喇叭組安裝在安裝系統(tǒng)上。系統(tǒng)還包括耦合到喇叭組的能量源以及具有用于支持工件的表面的砧臺(tái)。該系統(tǒng)還包括用于確定與喇叭組和砧臺(tái)之間的間隙的改變保持已知關(guān)系的量的裝置。


圖1描繪了耦合到能量源的簡(jiǎn)單超聲焊接喇叭組的實(shí)施例。
圖2描繪了耦合到圖1的超聲焊接喇叭組的安裝系統(tǒng)的實(shí)施例。
圖3描繪了用于確定喇叭和砧臺(tái)之間的間隙長(zhǎng)度的系統(tǒng)的實(shí)施例。
圖4A描繪了可以用作間隙確定部件的部分的表的示例性實(shí)施例。
圖4B描繪了確定間隙長(zhǎng)度方法的示例性實(shí)施例。
圖5A描繪了用在連續(xù)超聲焊接操作中的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊接喇叭的實(shí)施例。
圖5B描繪了確定間隙長(zhǎng)度的方法的示例性實(shí)施例。
圖6描繪了用于保持焊接喇叭和砧臺(tái)之間基本不變的間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
圖7描繪了用于調(diào)節(jié)超聲焊接系統(tǒng)中喇叭和砧臺(tái)之間間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
圖8A描繪了用于保持超聲焊接系統(tǒng)中喇叭和砧臺(tái)之間的基本不變間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
圖8B描繪了用于保持超聲焊接系統(tǒng)中喇叭和砧臺(tái)之間的基本不變間隙的系統(tǒng)的另一示例性實(shí)施例。
圖9A描繪了力確定部件的示例性實(shí)施例。
圖9B描繪了力確定部件的示例性實(shí)施例。
圖10描繪了一個(gè)用于調(diào)節(jié)超聲焊接系統(tǒng)中喇叭和砧臺(tái)之間間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
圖11A描繪了由沿著喇叭的縱向軸傳播的聲信號(hào)驅(qū)動(dòng)的喇叭的表面。
圖11B描繪了由比圖11A中聲信號(hào)幅度更小的沿著喇叭的縱向軸傳播的聲信號(hào)驅(qū)動(dòng)的喇叭的表面。
圖12A描繪了用于控制喇叭和砧臺(tái)之間的間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
圖12B描繪了用于控制喇叭和砧臺(tái)之間的間隙的系統(tǒng)的另一個(gè)示例性實(shí)施例。
圖13描繪了用于結(jié)合調(diào)節(jié)器和幅值確定模塊的操作的方法的示例性實(shí)施例。
圖14描繪了用于結(jié)合調(diào)節(jié)器和幅值確定模塊的操作的方法的另一示例性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
參考附圖描述本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，其中，在多個(gè)視圖中相同參考數(shù)字都代表相同的部件和組件。對(duì)各個(gè)實(shí)施例的參考不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍僅由這里附加的權(quán)利要求的范圍限定。此外，任何在該說(shuō)明書(shū)中闡述的實(shí)施例均不是傾向于限制，而是僅闡述了對(duì)于要求保護(hù)的發(fā)明的許多可能實(shí)施例中的一些。
圖1描繪了簡(jiǎn)單的喇叭組100的實(shí)例，該喇叭組耦合到AC電能源102。如從圖1中可見(jiàn)，喇叭組100包括轉(zhuǎn)換器104、調(diào)壓器106以及超聲焊接喇叭108。在操作期間，AC源施加電能到轉(zhuǎn)換器104，其通過(guò)以與AC信號(hào)相等的頻率壓縮和擴(kuò)張來(lái)進(jìn)行響應(yīng)。因此，聲波通過(guò)轉(zhuǎn)換器104傳送到調(diào)壓器106。當(dāng)聲波波前傳播通過(guò)調(diào)壓器106時(shí)，它被放大，并且由焊接喇叭108接收。(在一些實(shí)施例中，喇叭108被設(shè)計(jì)成獲得增益，消除對(duì)于調(diào)壓器106的需要)。最后，波前傳播通過(guò)喇叭108，于是，它被給予到定位在焊接喇叭108和砧臺(tái)110之間的工件(圖1中未示出)。喇叭組的其它實(shí)例在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，并且利用下面系統(tǒng)、方案和方法來(lái)起作用。
喇叭108與砧臺(tái)110分隔圖1中以“間隙”標(biāo)記的距離。給予摩擦能量到工件的過(guò)程引起了喇叭組100的各個(gè)元件溫度上升。當(dāng)喇叭組100的元件溫度上升時(shí)，它們展現(xiàn)出了熱膨脹，意味著喇叭108和砧臺(tái)110之間的間隔很可能在尺寸上改變，這取決于喇叭組100安裝的特定方式。
圖2描繪了對(duì)于圖1的喇叭組100的簡(jiǎn)化示例性安裝方案。安裝方案利用了剛性的、通常分成三部分的框架200。該框架200包括第一部分202，在該部分上安裝有砧臺(tái)110，以及第二部分206，第二部分與喇叭組100上的節(jié)點(diǎn)鄰接。例如，框架的第二部分206在圖2中描繪為與調(diào)壓器106的中點(diǎn)208耦合?？蚣?00的第三部分204在第一和第二部分202和206之間延伸。
安裝系統(tǒng)200保持砧臺(tái)110的工件支持表面210和喇叭組100的一部分之間的基本固定距離。在這種情況下，安裝系統(tǒng)200保持了砧臺(tái)110的上表面210和調(diào)壓器106的中點(diǎn)/節(jié)點(diǎn)208之間的基本固定距離。因此，在操作期間喇叭組100應(yīng)該膨脹，喇叭組100從調(diào)壓器106的中點(diǎn)208向外沿著組100的縱向軸膨脹，如圖2中以“膨脹”標(biāo)記的箭頭所指示的。應(yīng)該理解的是多種其它安裝系統(tǒng)也可以保持砧臺(tái)110的上表面210和喇叭組100的一部分之間的基本固定距離，并且這種其它安裝系統(tǒng)在本申請(qǐng)的范圍之內(nèi)。
假定圖2的安裝布置，轉(zhuǎn)換器104和調(diào)壓器106上部分的熱膨脹在間隙長(zhǎng)度上沒(méi)有產(chǎn)生效果(因?yàn)檫@些元件相對(duì)于框架200接合組100的點(diǎn)208的位置，這些元件自由地向上膨脹，也就是，遠(yuǎn)離砧臺(tái)110)。另一方面，間隙長(zhǎng)度受到調(diào)壓器106下部分膨脹和喇叭108膨脹的影響-隨著這些元件膨脹，它們向著砧臺(tái)110膨脹，間隙收縮。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，轉(zhuǎn)換器104和調(diào)壓器106保持在基本不變的溫度。例如，轉(zhuǎn)換器104和調(diào)壓器106可以通過(guò)冷卻系統(tǒng)冷卻，例如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)循環(huán)相對(duì)冷的空氣到轉(zhuǎn)換器104和調(diào)壓器106的表面的風(fēng)扇，以致基本保持它們的溫度，并且由此基本抑制它們的膨脹。因此，根據(jù)這樣一個(gè)實(shí)施例，任何喇叭組100長(zhǎng)度上的改變可以認(rèn)為是基本上由于焊接喇叭108的膨脹。
此外，根據(jù)一些實(shí)施例，喇叭108通過(guò)冷卻系統(tǒng)冷卻，以致在操作期間抑制或降低變熱的傾向。通常，這樣一種方案不能完全消除喇叭108的熱膨脹，意味著它仍展示出一些程度的熱膨脹，如果要保持間隙長(zhǎng)度基本不變，那么應(yīng)該給予考慮這一點(diǎn)。
公知的是，給定體的長(zhǎng)度與給定體的共振頻率成反比例。用另一種方式闡述，當(dāng)體長(zhǎng)度增長(zhǎng)時(shí)，它展示了更低的共振頻率。因此，當(dāng)喇叭組100長(zhǎng)度增長(zhǎng)時(shí)，如所發(fā)生的，例如通過(guò)熱膨脹效力，它展示出了更低的共振頻率。具體的，體的長(zhǎng)度，1，通過(guò)下述等式與它的共振頻率f相關(guān)l≈E/ρ2f,]]>其中，E代表物體的彈性系數(shù)，ρ代表物體的密度。如果物體是復(fù)合物(例如，由多個(gè)部件構(gòu)成，或者具有由不同材料形成的多個(gè)部分，等)，考慮它的各個(gè)部件，E和ρ可以被賦予代表這些材料性能的值(例如，可以是加權(quán)平均值等)。
根據(jù)一些實(shí)施例，能量源102檢測(cè)喇叭組100的共振頻率f，為了生成與之頻率相等的AC信號(hào)。例如，能量源102可以提供給喇叭組100展示出特定峰峰電壓(或者均方根電壓)的正弦信號(hào)。在保持正弦信號(hào)的峰峰(或者RMS 電壓不變的同時(shí)，能量源102調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率，找到喇叭組100提取最小電流的頻率——該頻率是喇叭組100的共振頻率。因此，每個(gè)這種實(shí)施例，組100的共振頻率可以從能量源102獲得。根據(jù)其它實(shí)施例，組100的共振頻率可以利用檢測(cè)器通過(guò)觀察組100來(lái)檢測(cè)到。
在獲得喇叭組100的共振頻率之后，組100的全部長(zhǎng)度可以通過(guò)以與前述物理原理相似的方式，通過(guò)將共振頻率與喇叭組長(zhǎng)度相關(guān)來(lái)獲得。假定轉(zhuǎn)換器104和調(diào)壓器106冷卻，以致基本抑制了由此的熱膨脹效果，喇叭組100的長(zhǎng)度可以與間隙長(zhǎng)度相關(guān)。例如，根據(jù)圖2的方案，間隙長(zhǎng)度和喇叭108的長(zhǎng)度，1，通過(guò)下述等式相關(guān)間隙長(zhǎng)度≈D-1，其中D是代表喇叭108頂部和砧臺(tái)110工件支持表面210之間長(zhǎng)度的大致不變的值。
圖3描繪了一種用于確定焊接喇叭108和砧臺(tái)110的工件支持表面210之間的間隙長(zhǎng)度的系統(tǒng)。圖3的系統(tǒng)包括提供聲信號(hào)到喇叭(和調(diào)壓器)302的超聲電源300(例如，提供AC信號(hào)到轉(zhuǎn)換器而轉(zhuǎn)換器接著將信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波的電源)。超聲電源300由控制器電路來(lái)控制，例如，通過(guò)與存儲(chǔ)控制超聲電源300操作的固件/軟件的存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的處理器來(lái)控制。可選擇地，控制器電路可以實(shí)施為基于硬件的控制回路。在任何一個(gè)情況下，超聲電源300的控制器識(shí)別喇叭組的共振頻率，命令其中的電源信號(hào)發(fā)生電路與轉(zhuǎn)換器合作以獲得與之頻率相等的聲信號(hào)。電源300內(nèi)的控制器可以與間隙確定部件304接口。
間隙確定部件304接收喇叭組的共振頻率，并且生成與間隙長(zhǎng)度保持已知關(guān)系的量。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，間隙確定部件304是在耦合到存儲(chǔ)部件的處理器上執(zhí)行的軟件模塊。間隙確定部件304可以在與其上執(zhí)行控制超聲電源300的固件的處理器相同的處理器上執(zhí)行?？蛇x擇地，它可以在與之進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的不同的處理器上執(zhí)行。在任何一個(gè)情況下，由間隙確定部件304執(zhí)行的軟件/固件可以根據(jù)參考附圖4A-5B討論的方案(下面)運(yùn)行。
根據(jù)可選擇的實(shí)施例，間隙確定部件304可以從除了超聲電源300之外的源接收喇叭組的共振頻率。例如，該系統(tǒng)可以包括檢測(cè)器306，該檢測(cè)器觀察喇叭組，測(cè)量它的共振頻率，并且傳遞該共振頻率到間隙確定部件304。在下面的討論中，僅為了實(shí)例的目的，假定共振頻率源自超聲電源300。
圖4A描繪了一種間隙確定部件304可以利用其操作的方案。間隙確定部件304可以包括存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中的表400。該表400根據(jù)共振頻率組織，并且將間隙長(zhǎng)度G和共振頻率f相關(guān)。因此，在接收到共振頻率f之后，間隙確定部件304利用共振頻率來(lái)訪問(wèn)表400，并且確定對(duì)應(yīng)于該共振頻率f的間隙長(zhǎng)度G。例如，假定間隙確定部件304接收頻率f2作為輸入，部件304通過(guò)訪問(wèn)表400響應(yīng)，以識(shí)別對(duì)應(yīng)于頻率f2的行。在識(shí)別該行之后，返回輸入到其中的間隙長(zhǎng)度G2。任選的，表400可以被訪問(wèn)從而確定喇叭組100的長(zhǎng)度L，或者確定任何其它與間隙長(zhǎng)度保持已知關(guān)系的量。假定間隙確定部件304接收值fx作為輸入，并且假定fx落入連續(xù)表?xiàng)l目之間(也就是，fi＜fx＜fi+1)，于是，間隙確定部件304可以訪問(wèn)表400，從而獲得間隙長(zhǎng)度值Gi和Gi+1，并且可以在兩個(gè)值之間插值，從而得出對(duì)應(yīng)于共振頻率fx的間隙長(zhǎng)度。
表400中的各個(gè)條目可以事先利用啟發(fā)式過(guò)程來(lái)填充，其中對(duì)于每個(gè)頻率f，在表格400中記錄喇叭組100的長(zhǎng)度和間隙的長(zhǎng)度?？蛇x擇地，表400中的各個(gè)條目可以以與上面描述的相似的方式通過(guò)理論計(jì)算來(lái)填充。
圖4B描繪了間隙確定部件304可以利用其操作理論計(jì)算的另一個(gè)方案。例如，間隙確定部件304可以通過(guò)接收喇叭組100的共振頻率開(kāi)始它的操作，如在操作402中所示。此后，基于共振頻率，部件304通過(guò)使用基于例如在操作404中顯示的等式隱含的物理原理的等式，來(lái)計(jì)算喇叭108的長(zhǎng)度L作為響應(yīng)。最后，如操作406中所示，基于從采用的安裝方案出現(xiàn)的特定幾何約束的知識(shí)，部件304可以將在操作404中確定的長(zhǎng)度L與間隙長(zhǎng)度相關(guān)。例如，在圖2的安裝方案關(guān)系中，間隙長(zhǎng)度可以得出為間隙長(zhǎng)度＝D-L，其中，D代表喇叭108的頂部和砧臺(tái)110工件支持表面210之間的距離，并且L代表喇叭的長(zhǎng)度。
圖5A描繪了用于連續(xù)超聲焊接的焊接喇叭500的實(shí)例。其中喇叭500包括喇叭500可以圍繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的縱向軸502。喇叭500由安裝系統(tǒng)約束(未在圖5A中描繪)，以致間隙保持在喇叭和砧臺(tái)504之間。喇叭組可以安裝在系統(tǒng)上的任何節(jié)點(diǎn)處。喇叭的縱向軸502基本上平行于砧臺(tái)504的工件支持表面506。
基于喇叭組的共振頻率來(lái)確定喇叭和砧臺(tái)之間的間隙長(zhǎng)度的前述原理可應(yīng)用到圖5的喇叭500。當(dāng)材料熱膨脹時(shí)，它們?cè)谒蟹较蛏弦韵嗟缺壤蛎?。因此，描繪在圖5B中的下述技術(shù)可以用于確定喇叭和砧臺(tái)之間的間隙長(zhǎng)度。
最初，如操作508中所示，焊接組的共振頻率被接收。此后，喇叭502的長(zhǎng)度L，基于頻率，以與上述相似的方式確定(操作510)。如前，圖5A的焊接組被冷卻，以致轉(zhuǎn)換器(圖5A中未示出)和調(diào)壓器(圖5A中未示出)在操作期間保持基本不變的溫度，因此，抑制了它們的熱膨脹和在系統(tǒng)共振頻率上的效果。
由于喇叭500在所有尺寸上按比例膨脹，因此它的長(zhǎng)度L和它的半徑B之間的比率保持不變。因此，在計(jì)算喇叭502長(zhǎng)度之后，它的半徑可以通過(guò)將該長(zhǎng)度與前述比率B相乘得出，如操作512所示。最后，間隙的長(zhǎng)度可以通過(guò)從喇叭500的縱向軸和砧臺(tái)504的工件支持表面506之間的距離D減去半徑獲得，如操作514所示。
應(yīng)該注意的是，與圖5B描述的方法相關(guān)的結(jié)果存儲(chǔ)在表內(nèi)，如參考圖4A描述的。因此，間隙長(zhǎng)度，或者任何與之具有已知相關(guān)的值，基于喇叭組的共振頻率，可以通過(guò)訪問(wèn)這樣的表來(lái)獲得。
圖6描繪了基于觀察喇叭組的共振頻率用于保持喇叭和砧臺(tái)之間基本不變間隙的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括喇叭組600和耦合到其上的電源602。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電源602確定喇叭組600的共振頻率，如上所述。
位置調(diào)節(jié)器606耦合到喇叭組。在輸入信號(hào)的控制下，位置調(diào)節(jié)器606朝向或者遠(yuǎn)離砧臺(tái)地調(diào)節(jié)焊接組600。在提供到調(diào)節(jié)器606的輸入信號(hào)和它的對(duì)其響應(yīng)之間存在已知的關(guān)系。位置調(diào)節(jié)器606與控制信號(hào)發(fā)生器604進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？刂菩盘?hào)發(fā)生器604接收喇叭組的共振頻率作為輸入，生成提供給位置調(diào)節(jié)器606的控制信號(hào)。給定喇叭組600的共振頻率和位置調(diào)節(jié)器606的響應(yīng)和它的輸入信號(hào)之間的關(guān)系，控制信號(hào)發(fā)生器604產(chǎn)生保持砧臺(tái)和喇叭之間基本不變間隙的控制信號(hào)。
控制信號(hào)發(fā)生器604可以實(shí)施為控制電路，例如與根據(jù)上述原理存儲(chǔ)固件/軟件的存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的處理器。它可以可選擇地實(shí)施為產(chǎn)生上述控制信號(hào)的ASIC，從而保持基本不變的間隙。在說(shuō)明書(shū)的下述部分中，公開(kāi)了位置調(diào)節(jié)器的特定實(shí)施例。不一定采用下面為了實(shí)踐本發(fā)明而公開(kāi)的位置調(diào)節(jié)器。而且，說(shuō)明書(shū)的前述部分的目的在于基于喇叭組的共振頻率來(lái)確定喇叭長(zhǎng)度或間隙長(zhǎng)度的特定方法。根據(jù)其它實(shí)施例，這種確定可以通過(guò)測(cè)量喇叭組的溫度或者它的各個(gè)組件的溫度得出。
圖7描繪了用于調(diào)整喇叭和砧臺(tái)之間間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。其中的系統(tǒng)包括定向在砧臺(tái)704的工件支持表面702上方的喇叭700。喇叭700剛性耦合到框架706上。框架706包括滑塊708，該滑塊與接收器710嚙合，以致框架706和喇叭700可以垂直平移。
框架706還包括通過(guò)一對(duì)構(gòu)件714耦合到框架706上的力接收板712。通過(guò)力施加器(未在圖7描繪)向力接收板712施加力。該力向砧臺(tái)704推動(dòng)喇叭700。力的方向由箭頭713指示。該力具有引起接觸表面716鄰接彈性應(yīng)變止擋718的效果。施加到彈性應(yīng)變止擋718的力引起了止擋718變形，并且從而展示了向下偏轉(zhuǎn)(也就是，在砧臺(tái)704方向上的偏轉(zhuǎn))。通常，施加到板712上的力越大，由止擋718展示出的向下偏轉(zhuǎn)越大。由止擋718展示的偏轉(zhuǎn)越大，喇叭700和砧臺(tái)704之間的間隙越小。
為了保持喇叭700和砧臺(tái)704之間的不變間隙，可以采用下面的方案。當(dāng)喇叭700處于未升高的溫度時(shí)，向板712施加最初的力，從而引起喇叭700和砧臺(tái)704之間的間隙建立在“理想的”長(zhǎng)度。當(dāng)在操作期間喇叭700熱膨脹時(shí)，間隙逐漸變小。為了抵消這種效果，施加到板712的力減小，引起止擋718展示出較小的偏轉(zhuǎn)，意味著喇叭700和框架向上平移(也就是，遠(yuǎn)離砧臺(tái))。因此，喇叭700和砧臺(tái)704之間的間隙可以通過(guò)控制到板712的力的應(yīng)用而保持基本不變。為了確保該方案的功能性，施加到板712的最初的力應(yīng)該具有足夠的幅度，從而引起止擋718展示至少在程度上與要抵消的預(yù)期熱膨脹一樣大的偏轉(zhuǎn)。
應(yīng)變止擋714是彈性的，并且優(yōu)選地具有相對(duì)較高的彈性系數(shù)。通過(guò)選擇具有相對(duì)較高彈性系數(shù)的材料，設(shè)置了一個(gè)環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，偏轉(zhuǎn)止擋714的力相比較過(guò)程力(也就是通過(guò)喇叭施加在工件上的力)是較大的。這種安排提供了容易的控制設(shè)計(jì)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，止擋714可以由鋼制成，或者其它合適的材料制成。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，施加到止擋714上的力不會(huì)引起其中材料超出它的彈性范圍(也就是，在撤回力時(shí)，止擋714會(huì)返回到最初形狀)。此外，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，止擋714展示了與施加到其上的力成比例的偏轉(zhuǎn)，也就是，在施加到止擋714上的力和由此展示的偏轉(zhuǎn)的程度之間存在線性關(guān)系。
圖8A描繪了與圖7的示例性調(diào)整系統(tǒng)一同使用的控制系統(tǒng)的實(shí)例。
(下面討論的圖8A中的各個(gè)部件804-810，可以實(shí)施為存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)并由處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者實(shí)施為專(zhuān)用硬件，例如一個(gè)或多個(gè)特定用途集成電路，或者可以實(shí)施為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。此外，部件804-810可以為了設(shè)計(jì)選擇的方便而組合或分開(kāi))。如可以從圖8A中看出的，該系統(tǒng)包括耦合到超聲能量源802的喇叭800。間隙確定部件804確定喇叭800和砧臺(tái)(未描繪在圖8中)之間的間隙。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，間隙確定部件804獲得了來(lái)自于電源802的焊接組的共振頻率，并且由此確定間隙。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，間隙確定部件804通過(guò)對(duì)喇叭的觀察檢測(cè)喇叭800的共振頻率。根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，間隙確定部件804通過(guò)測(cè)量喇叭的溫度，由此推理喇叭的長(zhǎng)度，并且基于該喇叭長(zhǎng)度得出間隙長(zhǎng)度，從而得出間隙長(zhǎng)度。
由間隙確定部件得出的間隙長(zhǎng)度提供給力確定部件806。力確定部件806確定要施加到框架(例如，圖7中的板712)上的力，以便保持間隙基本不變的長(zhǎng)度。由間隙確定部件806得出的力提供給控制信號(hào)發(fā)生器808。控制信號(hào)發(fā)生器808產(chǎn)生控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)傳達(dá)到力施加器810。該力施加器810展示了接收的控制信號(hào)和它施加的力之間的已知的關(guān)系。因此，控制信號(hào)發(fā)生器808根據(jù)該關(guān)系產(chǎn)生控制信號(hào)。
圖8B描繪了間隙確定部件804和力確定部件806的示例性實(shí)施例。(如具有圖8A部件的情況，下面討論的圖8B的各個(gè)部件，可以實(shí)施為存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中并由處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者可以實(shí)施為專(zhuān)用硬件，例如一個(gè)或多個(gè)特定用途集成電路，或者實(shí)施為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。此外，圖8B的部件可以為了設(shè)計(jì)選擇的方便而組合或分開(kāi))?？梢詮膱D8B中看出的，間隙確定部件804包括長(zhǎng)度確定部件812和間隙確定部件814。長(zhǎng)度確定部件812接收喇叭組的共振頻率，并應(yīng)用參考圖4A和4B描述的其中一種方法來(lái)確定喇叭的長(zhǎng)度。此后，喇叭的長(zhǎng)度由間隙確定部件814接收。間隙確定部件814通過(guò)喇叭長(zhǎng)度的知識(shí)以及由安裝方案施加的特定幾何關(guān)系(例如，間隙長(zhǎng)度可以等于從喇叭頂部到工件支持表面的長(zhǎng)度與喇叭長(zhǎng)度之間的差，間隙＝D-L)來(lái)得到間隙長(zhǎng)度。
在得出間隙長(zhǎng)度后，該值被提供給力確定部件806。力確定部件806得出施加到框架上的力，以便保持間隙基本不變。得出的力是一些因素的函數(shù)止擋的長(zhǎng)度Lstop，止擋的彈性系數(shù)E，止擋的橫截面面積A，最初間隙長(zhǎng)度和由間隙確定部件804得出的間隙長(zhǎng)度之間的差Δ，以及組裝系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)。
圖9A描繪了力確定部件806可以利用其操作的方案。力確定部件806可以包括存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中的表900。該表900根據(jù)共振間隙長(zhǎng)度G來(lái)組織，并且將力F與間隙長(zhǎng)度G相關(guān)。因此，在接收到間隙長(zhǎng)度G之后，力確定部件806利用間隙長(zhǎng)度來(lái)訪問(wèn)表900，并且確定對(duì)應(yīng)于該間隙長(zhǎng)度G的力F。例如，假定力確定部件806接收間隙長(zhǎng)度G2作為輸入，部件806通過(guò)訪問(wèn)表900來(lái)響應(yīng)，以識(shí)別對(duì)應(yīng)于間隙長(zhǎng)度G2的行。在識(shí)別出該行之后，返回在這里輸入的力F2。任選的，表900可以被訪問(wèn)，用于確定提供給力施加器810的控制信號(hào)C，或者用于確定任何其它與施加在框架上的力保持已知關(guān)系的量。假定力確定部件806接收值Gx作為輸入，假定Gx落入連續(xù)表?xiàng)l目之間(也就是，Gi＜Gx＜Gi+1)，于是，力確定部件806可以訪問(wèn)表900以獲得力值Fi和Fi+1，并且可以在兩個(gè)值之間插值，從而得出對(duì)應(yīng)于間隙長(zhǎng)度Gx的力。
表900中的各個(gè)條目可以事先由啟發(fā)式過(guò)程填充，其中在表900內(nèi)，確定施加到框架上的力和對(duì)應(yīng)于其的控制信號(hào)用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于每個(gè)間隙長(zhǎng)度G?？蛇x擇地，表900中的各個(gè)條目可以以與下面參考圖9B描述的相似的方式通過(guò)理論計(jì)算來(lái)填充。
圖9B描繪了力確定部件806利用其可以操作理論計(jì)算的另一個(gè)方案。例如，力確定部件806可以通過(guò)接收由間隙確定部件804計(jì)算的間隙長(zhǎng)度CG開(kāi)始它的操作，如在操作902中所示。此后，部件806通過(guò)計(jì)算最初間隙IG和計(jì)算的間隙CG之間的差來(lái)響應(yīng)，如操作904中所示。該差Δ指的是為了使間隙返回到最初長(zhǎng)度必須減小的止擋偏轉(zhuǎn)的量。因此，在操作906中，施加到框架上的新力Fnew可以通過(guò)在此顯示的方程中求解Fnew得出。
圖10描繪了用于調(diào)整喇叭和砧臺(tái)之間間隙的系統(tǒng)的另一個(gè)示例性實(shí)施例。焊接系統(tǒng)1010具有固定到支持表面1017上的焊接系統(tǒng)1030以及固定到支持表面1018上的砧臺(tái)1021。焊接系統(tǒng)1030包括喇叭1032，該喇叭由喇叭支架1020支持，并且相對(duì)于表面1017可以移動(dòng)；關(guān)于表面1017固定的具有支持板1056的固定止擋1055；以及可膨脹的氣動(dòng)氣囊1061。
氣囊1061被用來(lái)施加力以向砧臺(tái)1021移動(dòng)喇叭支架1020和喇叭1032；該力通過(guò)調(diào)整氣囊1061中的空氣壓力進(jìn)行控制。當(dāng)表面1025接觸固定止擋1055時(shí)，支持板1056在施加的力下輕微偏轉(zhuǎn)。
在一個(gè)特別實(shí)施例中，焊接預(yù)期產(chǎn)品的最小可允許力是600磅(大約272kg)，其由氣囊1061中的30-psig(大約270kPa)空氣壓力生成。預(yù)期固定間隙是0.0020英寸(大約0.05mm)。
在用鈦喇叭操作中，可以確定的是溫度將會(huì)從房間溫度增加最大50(大約27.7℃)，這會(huì)將喇叭長(zhǎng)度增加0.0010英寸(大約0.025mm)。因此，如果沒(méi)有作出補(bǔ)償?shù)脑挘?032和砧臺(tái)1021之間的間隙減小了0.0010英寸(大約0.025mm)。支持板1056的偏轉(zhuǎn)已知為每675磅力(大約306kg力)0.0010英寸(大約0.0025mm)。因此，利用室溫喇叭施加的力必須至少是1125磅(大約510kg)，或者60psig(大約414kPa)。當(dāng)喇叭操作并在長(zhǎng)度上增加時(shí)，施加的空氣壓力從60psig(大約414kPa)減小到30psig(大約207kPa)，從而保持喇叭和砧臺(tái)之間的間隙不變。
焊接儀器，通常配置成利用可變形止擋組件來(lái)控制砧臺(tái)和喇叭之間的距離，焊接儀器包括具有固定止擋的砧臺(tái)、喇叭以及力施加器，該力施加器被安裝使得能夠施加力以相對(duì)于固定止擋壓緊緊靠喇叭，以致固定止擋的彈性變形提供了在喇叭和砧臺(tái)之間的間隙上的微調(diào)控制。該儀器可以包括監(jiān)控喇叭的特有特性和控制施加到喇叭上的力的傳感系統(tǒng)，以致，不管特有特性上的改變而將喇叭和砧臺(tái)之間的間隙保持在固定值。監(jiān)控的特性可以是例如溫度、長(zhǎng)度或喇叭的振動(dòng)頻率。
為了補(bǔ)償由于熱膨脹產(chǎn)生的喇叭長(zhǎng)度增加，可變形并固定的止擋的使用，可以與轉(zhuǎn)動(dòng)砧臺(tái)、固定砧臺(tái)、轉(zhuǎn)動(dòng)喇叭、固定喇叭或者上述的任何組合一起使用。
在使用中，要接合的工件將定位在喇叭和砧臺(tái)之間，能量會(huì)施加到喇叭，喇叭將會(huì)被激勵(lì)，并且力會(huì)施加到喇叭，從而推動(dòng)固定止擋緊靠喇叭，以致固定止擋的彈性變形提供了喇叭和砧臺(tái)之間的間隙的微調(diào)控制。
為了采用上面討論的方法，人們可以對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)，并且將它配合到特定部件的控制系統(tǒng)中使用的方程中。申請(qǐng)者已經(jīng)對(duì)于上述系統(tǒng)采用了下面的方法，但是，該方法可以應(yīng)用到不同配置的其它系統(tǒng)。這些方程可以利用工程原理或者利用來(lái)自于單個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)導(dǎo)出。
方程2-5是對(duì)于兩個(gè)變量的線性系統(tǒng)的最佳擬和。方程的斜率和截距根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從系統(tǒng)的最佳擬和測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)確定。測(cè)量變量之間的關(guān)系可以相似地產(chǎn)生任何特定系統(tǒng)的斜率和截距。優(yōu)選的，系統(tǒng)在操作區(qū)域表現(xiàn)為線性，但是，如果系統(tǒng)是非線性的，可以采用二階或更高階的方程。
申請(qǐng)者已經(jīng)開(kāi)發(fā)和采用了下面描述的方法用于在超聲焊接期間控制間隙。
首先，對(duì)于如上述的轉(zhuǎn)動(dòng)超聲系統(tǒng)，下面的參數(shù)可以確定。
(1)喇叭直徑＝6.880”(2)環(huán)境溫度＝65(3)在環(huán)境溫度的頻率＝19.989KHz(4)設(shè)定間隙處的壓力＝72.5psig(5)對(duì)于過(guò)程的間隙設(shè)定點(diǎn)＝2mils(1mils＝0.001英寸)喇叭的材料特性也是已知的。
(6)熱膨脹系數(shù)ααTitanium＝5.4×10-6degF/inch/inchαAluminum＝5.4×10-5degF/inch/inch當(dāng)系統(tǒng)被激勵(lì)并操作時(shí)，喇叭溫度會(huì)增加。于是接下來(lái)，可以確定溫度Tfinal會(huì)是多少，當(dāng)連續(xù)焊接時(shí)在該溫度下不會(huì)存在剩余間隙(也就是，2.0mil間隙到零，例如，喇叭和砧臺(tái)之間接觸)。該溫度通過(guò)求解方程1可以得出(方程1)Tfinal=(2*IG*10-3D*α)]]>在方程1中，Tfinal是間隙消失的溫度，IG是當(dāng)系統(tǒng)建立并未操作時(shí)設(shè)定和測(cè)量的最初間隙(以mils計(jì))，D是轉(zhuǎn)動(dòng)喇叭的外直徑，并且α是喇叭材料的熱膨脹系數(shù)。利用對(duì)于鋁喇叭的上述輸入求解方程給出172.7degF的溫度，基于操作期間的喇叭的加熱在該溫度下間隙變成零。因此，如果喇叭加熱到172.67，將不會(huì)有間隙剩余。因此存在溫度的上限。對(duì)于任何給定系統(tǒng)的上限可以利用對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的方程1得出。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也將了解相似的方程也可以對(duì)于其它幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)出，并且為了避免間隙消失的最高操作溫度可以被確定。
由于在喇叭的動(dòng)態(tài)共振狀態(tài)上很難測(cè)量溫度時(shí)，申請(qǐng)者開(kāi)發(fā)了利用待用品的給出非直接但是準(zhǔn)確的溫度測(cè)量。替代直接測(cè)量溫度，喇叭的頻率通過(guò)測(cè)量操作期間喇叭的頻率以及然后通過(guò)利用下面的方程2確定溫度來(lái)確定(方程2)λmin＝-0.0017*Tfinal+20.096在方程2中，λmin是在間隙到零之前喇叭可以操作的最小頻率，并且線性方程的系數(shù)已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)確定。對(duì)于輸入?yún)?shù)求解方程2，當(dāng)喇叭頻率降到小于19,802赫茲時(shí)，間隙將到零。由于喇叭的頻率是利用通常由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝備容易測(cè)量的參數(shù)，因此可以利用方程1和2來(lái)確定保持間隙不閉合的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)最小的操作頻率，這種閉合可以導(dǎo)致產(chǎn)品損壞，并且由于接觸還會(huì)損壞喇叭和/或砧臺(tái)。
利用方程1和2，現(xiàn)在具有將間隙與溫度以及將溫度與頻率相關(guān)的能力。因此，可以將間隙與頻率相關(guān)。在正常的操作期間，當(dāng)材料在間隙(或箝)中時(shí)，很難測(cè)量間隙，但是利用上述原理，頻率可以用來(lái)確定間隙。喇叭頻率與喇叭和砧臺(tái)之間間隙之間的關(guān)系可以利用下面的方程3確定(其或者可以對(duì)于作為頻率函數(shù)的間隙求解，或者反過(guò)來(lái)求解)(方程3)λ＝0.0965*Gap+19.7925在方程3中，λ是喇叭頻率，Gap以mil為單位測(cè)量的(1mil＝0.001英寸)。對(duì)于1mil的間隙求解方程3給出了19,889赫茲的頻率。注意，現(xiàn)在存在一種方法來(lái)確定作為頻率函數(shù)的間隙的改變。使用通過(guò)方程1-3確定的信息，施加到喇叭/砧臺(tái)布置上的力可以被控制，從而在喇叭組件的操作期間當(dāng)喇叭溫度和頻率改變時(shí)保持操作間隙不變。
為了控制間隙，并且將其保持不變的操作值，施加到系統(tǒng)的壓力被控制，從而補(bǔ)償在操作期間隨著喇叭變熱的喇叭的熱膨脹。返回來(lái)參考上面的實(shí)例，當(dāng)間隙減小到1mil時(shí)，需要減小施加到系統(tǒng)上的壓力，以致系統(tǒng)可以保持或者返回到原始的間隙設(shè)定2mils。因此，為了補(bǔ)償熱膨脹，壓力減小到使得間隙返回到2mils。
為了正確地減小壓力，首先需要確定壓力和頻率之間的關(guān)系，如下面方程4所示(方程4)Pcompensation＝-367.3404*λ+7412.7731-Psetpoint其中，Pcompensation是系統(tǒng)壓力(每平方英寸規(guī)格的磅數(shù))上的減小，λ是從方程3確定的頻率，Psetpoint是在最初間隙設(shè)定點(diǎn)的壓力。
例如，利用上述參數(shù)，可以確定當(dāng)由于熱膨脹喇叭膨脹1mil時(shí)移動(dòng)回復(fù)到最初2mils間隙所需要的壓力減小。
實(shí)例如果間隙改變到1mil需要的壓力補(bǔ)償是多少？首先從方程3計(jì)算在1mil間隙的頻率(該值是19.889KHz，如之前確定的)。接著，將該值代入方程4，得到Pcompensation＝-367.3404*(19.889)+7412.7731-72.5＝106.7399-72.5Pcompensation＝34.24psig(操作壓力上的減小)
在已經(jīng)確定壓力之后，為了補(bǔ)償熱膨脹，可以檢驗(yàn)在壓力補(bǔ)償處的間隙是多少。該間隙應(yīng)該是粗略的等于最初間隙加上由于熱膨脹的間隙改變。為了檢驗(yàn)，首先由下面的方程5確定壓力和間隙之間的關(guān)系(方程5)Pcompensation＝35.461*(間隙@壓力補(bǔ)償)+142.205例如，在34.24psig的壓力補(bǔ)償(由方程4)處，可以重新整理方程5，并且求解間隙間隙@壓力補(bǔ)償＝(34.24-142.205)/-35.461＝3.045mils因此，可以驗(yàn)證該模型，因?yàn)樽畛醯拈g隙設(shè)為2.0mils，間隙改變是1mil。因此，為了補(bǔ)償由于操作期間喇叭變熱的膨脹，會(huì)將間隙打開(kāi)1mil，從而恢復(fù)原始的2.0mil間隙。
因此，利用為了確定操作參數(shù)的上面討論的方程(或者對(duì)于線性喇叭或者其它幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)出它們的等價(jià)方程)，可以對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊接過(guò)程確定操作限制。例如，利用方程1以及間隙設(shè)定點(diǎn)的值(目標(biāo))得出操作溫度限制。利用方程2以及利用由方程1的溫度限制值得出超聲喇叭的操作頻率限制。利用方程3并利用間隙值作為輸入得出間隙改變處的頻率。利用方程2，但是利用由方程3確定的頻率值得出在間隙改變處的溫度。利用方程4，但是利用由方程3的頻率值得出對(duì)于間隙改變的壓力補(bǔ)償。利用方程5，但是利用由方程4的壓力補(bǔ)償值得出在壓力補(bǔ)償處(環(huán)境溫度)的間隙。
存在另一個(gè)可以控制喇叭和砧臺(tái)之間的間隙的方案。如前所述，在超聲焊接環(huán)境中，喇叭由聲信號(hào)驅(qū)動(dòng)，通常在20,000-40,000Hz范圍內(nèi)。圖11A描繪了當(dāng)聲波沿著喇叭的縱向軸傳播時(shí)喇叭的表面1100。聲波的傳播方向由箭頭1102表示。如可以從圖11A看出的，當(dāng)聲波沿著喇叭的縱向軸傳播時(shí)，喇叭表面1100被擾動(dòng)，并且展示出在其上的駐波波形。駐波波形1104展示出了峰峰幅值，被稱(chēng)為由喇叭表面展示的“位移”。峰峰幅值或者表面位移，是沿喇叭傳播的聲信號(hào)的幅值的函數(shù)。當(dāng)然，聲信號(hào)的幅值是提供給耦合到喇叭的轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)的幅值。因此，由喇叭表面1100展示的位移是提供給轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)的幅值的函數(shù)。典型的，提供給轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)的幅值越大，沿著喇叭傳播的聲信號(hào)的幅值越大；聲信號(hào)的幅值越大，在喇叭表面1100上展示的位移越大。
如可以從圖11A看出的，喇叭表面1100和砧臺(tái)1106表面之間的間隙是位移的函數(shù)。當(dāng)喇叭展示了較大的表面位移時(shí)，喇叭表面和砧臺(tái)表面之間的間隙縮小。
在繼續(xù)進(jìn)行之前，應(yīng)該指出的是，圖11A和11B沒(méi)有按比例繪制，并且其中的一些特征，諸如表面位移，已經(jīng)為了顯示的目的夸張了。(例如，當(dāng)在正常條件下操作時(shí)，典型的喇叭可以展示出大約2-3mils的表面位移)。
為了討論，激發(fā)圖11A中顯示的表面位移的電壓信號(hào)的幅值被稱(chēng)為Amplitude1。圖11B描繪了如當(dāng)由具有Amplitude2幅值的電壓信號(hào)激發(fā)時(shí)出現(xiàn)的圖11A的喇叭表面1100(Amplitude2小于Amplitude1)。如從圖11A和11B之間的比較可以看出的，當(dāng)激發(fā)喇叭的電壓信號(hào)幅值縮小時(shí)，喇叭1100的表面和砧臺(tái)1106之間的間隙增長(zhǎng)，因?yàn)槔?100表面不是那么大的朝向砧臺(tái)移動(dòng)。
如前提到，在典型的焊接操作期間，例如，喇叭可以展示出在3mils數(shù)量級(jí)上的表面位移。然而，即使表面位移減少了例如33％，焊接操作仍可以產(chǎn)生滿(mǎn)意的產(chǎn)品。因此，每個(gè)前述的實(shí)例，焊接操作可以利用展示了與2mils一樣小的位移的喇叭操作。于是，緊接著，焊接操作可以利用足夠激發(fā)3mils表面位移的幅值的電信號(hào)來(lái)啟動(dòng)。在操作期間，喇叭經(jīng)歷了熱膨脹，意味著喇叭和砧臺(tái)之間的間隙隨著喇叭向砧臺(tái)膨脹而縮小。為了抵消這種效果，激發(fā)喇叭的電信號(hào)的幅值可以被衰減，以致產(chǎn)生小于原始3mils的表面位移，從而保持基本不變的間隙。當(dāng)然，在需要至少2mils位移產(chǎn)生合適產(chǎn)品的操作的情況下，電信號(hào)不應(yīng)該被衰減到以至于喇叭表面展示出小于需要的2mils位移的程度。
圖12A中顯示了一個(gè)用于控制喇叭和砧臺(tái)之間的間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。如從圖12A中可見(jiàn)的，該系統(tǒng)包括喇叭1200(其依次包括轉(zhuǎn)換器和調(diào)壓器)，該喇叭提供有來(lái)自于電源1202的AC電信號(hào)。電源1202將喇叭1200的共振頻率傳遞到間隙確定模塊1204。(如前描述的，電源1202檢測(cè)喇叭組的共振頻率，并在那個(gè)頻率驅(qū)動(dòng)喇叭組)。
基于共振頻率，間隙確定模塊1204確定喇叭的長(zhǎng)度(或者，可以確定間隙上的改變，或者可以確定任何其它與喇叭長(zhǎng)度保持已知關(guān)系的值)，如前所述。此后，間隙長(zhǎng)度(或者其中改變)被提供到幅值確定模塊1206。作為響應(yīng)，幅值確定模塊識(shí)別要由電源提供的電信號(hào)的合適的幅值，以便保持間隙基本不變。該幅值可以從查找表中檢索到，或者可以通過(guò)計(jì)算得出。由此確定的幅值被傳遞到控制信號(hào)發(fā)生模塊1208，該控制信號(hào)發(fā)生模塊生成適當(dāng)?shù)拿詈涂刂菩盘?hào)，從而引起電源1202將信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)到由幅值確定模塊1206選擇的幅值。
如前面描述的，模塊1204-1208的每個(gè)可以實(shí)施為專(zhuān)用硬件，例如彼此合作的一個(gè)多個(gè)ASIC?？蛇x擇的，模塊1204-1208可以實(shí)施為存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中并且由與之通信的處理器執(zhí)行的軟件/固件。如果實(shí)施為固件/軟件，為了設(shè)計(jì)選擇的方便，構(gòu)成模塊1204-1208的指令可以由相同的處理器執(zhí)行，或者可以由多個(gè)處理器執(zhí)行。
圖12B描繪了一種用于控制喇叭和砧臺(tái)之間間隙的系統(tǒng)的另一個(gè)示例性實(shí)施例。圖12B的系統(tǒng)利用了兩個(gè)不同的方案，通過(guò)這兩個(gè)方案間隙可以進(jìn)行調(diào)整(1)控制喇叭的位置本身；以及(2)控制由喇叭展示的表面位移的量。如從圖12B中可見(jiàn)的，該系統(tǒng)包括喇叭1210(其依次包括轉(zhuǎn)換器和調(diào)壓器)，該喇叭提供有來(lái)自于電源1212的AC電信號(hào)。電源1212將喇叭1210的共振頻率傳遞給間隙確定模塊1214。(如前所述，電源1212檢測(cè)喇叭組的共振頻率，并且在那一頻率驅(qū)動(dòng)喇叭組。)基于共振頻率，間隙確定模塊1214確定間隙的長(zhǎng)度(或者，可以確定間隙中的改變，或者可以確定任何與間隙長(zhǎng)度保持已知關(guān)系的值)，如前描述的。此后，喇叭長(zhǎng)度(或者其改變)提供給幅值確定模塊1216以及調(diào)節(jié)器1220。調(diào)節(jié)器1220是可以改變喇叭位置的系統(tǒng)，例如圖7和10中顯示的調(diào)整系統(tǒng)，其通過(guò)改變角度改變彈性止擋的變形來(lái)調(diào)節(jié)喇叭的位置。如圖12A的實(shí)施例的情況，幅值確定模塊1216識(shí)別要由電源提供的適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)的幅值，以便保持間隙基本不變。然而，幅值確定部件1216與調(diào)節(jié)器1220合作，聯(lián)合地調(diào)節(jié)位置和/或調(diào)節(jié)由電源1212提供的AC信號(hào)的幅值，以便獲得基本保持不變的間隙的最終目的。
例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，幅值確定部件1216和調(diào)節(jié)器1220根據(jù)圖13中描繪的方法操作。如其中所示，模塊1216和1220從間隙確定部件1214接收間隙長(zhǎng)度或者其改變，如操作1300所示。此后(假定實(shí)施例中，調(diào)節(jié)器1220包含壓緊喇叭緊靠應(yīng)變彈性止擋的力施加器)，幅值確定部件1216從調(diào)節(jié)器1220接收在那里施加的力(操作1302)。接下來(lái)，如操作1304中顯示的，該力與用于喇叭操作的容許力的下限比較。如果力仍高于該限，調(diào)節(jié)器1220確定應(yīng)用需要的新力，并相應(yīng)的調(diào)整該力(操作1306)。另一方面，如果該力已經(jīng)達(dá)到了下限，則該力不應(yīng)該進(jìn)一步減小，控制進(jìn)行到操作1308，其中確定是否表面位移的幅值已經(jīng)達(dá)到了它的下限。如果沒(méi)有，控制轉(zhuǎn)移到操作1310，在那幅值確定模塊1216識(shí)別要由電源提供的合適的電信號(hào)的幅值，以便保持間隙基本不變。由此確定的幅值被傳遞到控制信號(hào)發(fā)生模塊1218，其生成適當(dāng)?shù)拿罨蛘呖刂菩盘?hào)，引起電源1212將信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)到由幅值確定模塊1216選擇的信號(hào)的幅值。另一方面，如果表面位移的幅值已經(jīng)達(dá)到了它的下限，則控制轉(zhuǎn)到操作1312，產(chǎn)生警報(bào)，以指示該間隙在沒(méi)有減小它容許限度之下的過(guò)程力或者減小它的容許限度下面的表面位移的情況下，不能保持在不變的長(zhǎng)度。
盡管圖13的操作描述為由幅值確定模塊1216執(zhí)行，但是這些操作可以通過(guò)圖12B中描繪的任何一個(gè)模塊執(zhí)行，或者可以由專(zhuān)門(mén)與幅值確定模塊1216和調(diào)節(jié)器1220的操作協(xié)調(diào)的另一個(gè)模塊執(zhí)行。
此外，應(yīng)該注意的是，在操作1302中，調(diào)節(jié)器1220可以將喇叭的位置傳遞到執(zhí)行圖13的方法的模塊。然后，在操作1304中，喇叭的位置可以與表達(dá)調(diào)節(jié)器1220將喇叭從砧臺(tái)收回能力的位置限制做比較。換句話說(shuō)，在操作1304中，確定是否調(diào)節(jié)器1220已經(jīng)如它所能夠做的將喇叭從砧臺(tái)收回。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，幅值確定部件1216和調(diào)節(jié)器1220根據(jù)圖14中描繪的方法操作。如其中所示，模塊1216和1220均接收來(lái)自于間隙確定部件1214的間隙長(zhǎng)度或者其改變，如操作1400所示。此后，(再次假定該實(shí)施例中調(diào)節(jié)器1220包含壓緊喇叭緊靠應(yīng)變彈性止擋的力施加器)，幅值確定部件1216從調(diào)節(jié)器1220接收在那里施加的力(操作1402)。接下來(lái)，如操作1404中顯示的，確定是否表面位移的幅值已經(jīng)達(dá)到了它的下限。如果沒(méi)有，控制轉(zhuǎn)移到操作1406，在這里幅值確定模塊1216識(shí)別要由電源提供的合適的電信號(hào)的幅值，以便保持間隙基本不變。由此確定的幅值被傳遞到控制信號(hào)發(fā)生模塊1218，其生成適當(dāng)?shù)拿罨蛘呖刂菩盘?hào)，引起電源1212將信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)整到由幅值確定模塊1216選擇的信號(hào)的幅值。另一方面，如果由喇叭展示的表面位移的幅值已經(jīng)達(dá)到了它的下限，則該力不應(yīng)該進(jìn)一步減小，控制轉(zhuǎn)到操作1408，其中確定是否在操作1402期間接收的力的值在焊接操作的容許力的下限。如果該力仍在該限之上，則調(diào)節(jié)器1220確定應(yīng)用需要的新力，并且由此調(diào)節(jié)該力(操作1410)。另一方面，如果該力已經(jīng)達(dá)到了它的下限，則控制轉(zhuǎn)到操作1412，將產(chǎn)生警報(bào)，指示該間隙在沒(méi)有減小它容許限度之下的過(guò)程力或者減小它的容許限度之下的表面位移的情況下，該間隙不能保持在不變的長(zhǎng)度。
盡管圖14的操作描述為由幅值確定模塊1216執(zhí)行，但是這些操作可以通過(guò)圖12B中描繪的任何一個(gè)模塊執(zhí)行，或者可以由專(zhuān)門(mén)與幅值確定模塊1216和調(diào)節(jié)器1220的操作協(xié)調(diào)的另一個(gè)模塊執(zhí)行。
此外，應(yīng)該注意的是，在操作1402中，調(diào)節(jié)器1220可以將喇叭的位置傳遞到執(zhí)行圖14的方法的模塊。然后，在操作1408中，喇叭的位置可以與表達(dá)調(diào)節(jié)器1220將喇叭從砧臺(tái)收回能力的位置限做比較。換句話說(shuō)，在操作1408中，確定是否調(diào)節(jié)器1220已經(jīng)如它所能夠做的將喇叭從砧臺(tái)收回。
在閱讀和理解了上述用于控制超聲焊接系統(tǒng)的前述過(guò)程之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解對(duì)于系統(tǒng)的間隙控制可以通過(guò)測(cè)量喇叭的操作頻率、調(diào)節(jié)例如控制間隙的壓力的力來(lái)獲得。對(duì)于任何喇叭幾何形狀，包括線性和轉(zhuǎn)動(dòng)喇叭，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出或確定特別的方程。
上面描述的各種實(shí)施例僅以示例的形式給出，并且不應(yīng)該解釋為對(duì)于本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)容易地識(shí)別，在不按照這里示出和描述的實(shí)施例和應(yīng)用，以及不背離下面權(quán)利要求中陳述的本發(fā)明精神與范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明作出各種調(diào)整和改變。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)控振動(dòng)體和基準(zhǔn)之間的間隙的方法，其中振動(dòng)體的部分由剛性安裝系統(tǒng)固定在距離基準(zhǔn)給定距離，該方法包括接收振動(dòng)體的共振頻率；以及基于共振頻率，確定與間隙長(zhǎng)度的近似改變保持已知關(guān)系的量。
2.權(quán)利要求1的所述方法，其中振動(dòng)體是復(fù)合物。
3.權(quán)利要求2的所述方法，其中復(fù)合物振動(dòng)體包含轉(zhuǎn)換器、調(diào)壓器和超聲喇叭。
4.權(quán)利要求1的所述方法，其中確定與間隙長(zhǎng)度的近似改變保持已知關(guān)系的量的行為包括訪問(wèn)表，從而獲得對(duì)應(yīng)于所述共振頻率的間隙長(zhǎng)度。
5.權(quán)利要求1的所述方法，其中確定與間隙長(zhǎng)度的近似改變保持已知關(guān)系的量的行為包括訪問(wèn)表，從而獲得對(duì)應(yīng)于共振頻率兩側(cè)的頻率的第一和第二量；以及在第一和第二間隙量之間插值，從而得出近似間隙長(zhǎng)度。
6.權(quán)利要求1的所述方法，其中確定與間隙長(zhǎng)度的近似改變保持已知關(guān)系的量的行為包括計(jì)算振動(dòng)體的長(zhǎng)度，作為振動(dòng)體的共振頻率和材料特性的函數(shù)。
7.權(quán)利要求6的所述方法，材料特性包括所述振動(dòng)體的密度。
8.權(quán)利要求6的所述方法，材料特性包括所述振動(dòng)體的彈性系數(shù)。
9.權(quán)利要求1的所述方法，還包含檢測(cè)所述振動(dòng)體的共振頻率。
10.權(quán)利要求1的所述方法，還包含調(diào)節(jié)所述振動(dòng)體的固定部分和基準(zhǔn)之間的給定距離，以基本保持不變的間隙長(zhǎng)度。
11.權(quán)利要求1的所述方法，還包含基于振動(dòng)體的共振頻率，調(diào)節(jié)所述振動(dòng)體的固定部分和基準(zhǔn)之間的給定距離。
12.權(quán)利要求11的所述方法，其中，基于從所述振動(dòng)體的共振頻率得出的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)振動(dòng)體的固定部分和基準(zhǔn)之間的給定距離。
13.一種用于施加超聲能量到工件的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括喇叭組；安裝系統(tǒng)，喇叭組安裝在該安裝系統(tǒng)上；耦合到喇叭組的能量源；具有用于支持工件的表面的砧臺(tái)；以及控制器，配置成接收所述喇叭組的共振頻率，并且確定與喇叭組和砧臺(tái)之間的間隙的改變保持已知關(guān)系的量。
14.權(quán)利要求13的所述系統(tǒng)，其中所述喇叭組包括轉(zhuǎn)換器、調(diào)壓器和喇叭。
15.權(quán)利要求13的所述系統(tǒng)，其中安裝系統(tǒng)基本上在所述喇叭組的節(jié)點(diǎn)處與喇叭組配合。
16.權(quán)利要求13的所述系統(tǒng)，其中所述喇叭組具有喇叭圍繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的縱向軸，并且，其中縱向軸基本上與所述砧臺(tái)的支持表面平行。
17.權(quán)利要求13的所述系統(tǒng)，其中喇叭組具有縱向軸，并且其中縱向軸基本上垂直于所述砧臺(tái)的支持表面。
18.權(quán)利要求13的所述系統(tǒng)，還包括冷卻系統(tǒng)，用于在系統(tǒng)操作期間冷卻所述轉(zhuǎn)換器和調(diào)壓器。
19.權(quán)利要求18的所述系統(tǒng)，其中，冷卻系統(tǒng)防止在系統(tǒng)操作期間調(diào)壓器和轉(zhuǎn)換器的顯著熱膨脹。
20.權(quán)利要求13的所述系統(tǒng)，還包括耦合到所述喇叭組的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)喇叭組的位置，以在系統(tǒng)操作期間保持所述喇叭組和所述砧臺(tái)之間的基本不變的間隙。
21.權(quán)利要求13的所述系統(tǒng)，還包括耦合到所述喇叭組的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于基于所述喇叭組的共振頻率來(lái)調(diào)節(jié)所述喇叭組的位置。
22.權(quán)利要求13的所述系統(tǒng)，還包括耦合到所述喇叭組的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于基于從所述喇叭組的共振頻率生成的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所述喇叭組的位置。
23.一種用于施加超聲能量到工件的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含喇叭組；安裝系統(tǒng)，所述喇叭組安裝在該安裝系統(tǒng)上；耦合到所述喇叭組的能量源；具有用于支持工件的表面的砧臺(tái)；以及用于確定與所述喇叭組和砧臺(tái)之間間隙的改變保持已知關(guān)系的量的裝置。
全文摘要
一種用于監(jiān)控振動(dòng)體和基準(zhǔn)之間間隙的系統(tǒng)和方法，其通過(guò)監(jiān)控振動(dòng)體的共振頻率獲得。振動(dòng)體的一部分通過(guò)剛性安裝系統(tǒng)固定在距離基準(zhǔn)給定距離。振動(dòng)體的共振頻率被接收。然后，基于共振頻率，確定與間隙長(zhǎng)度的近似改變保持已知關(guān)系的量。
文檔編號(hào)G01H13/00GK101094743SQ200580045853
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月3日
發(fā)明者薩丁德?tīng)枴·納亞爾, 唐納德·S·奧布拉克, 保羅·M·費(fèi)蒂格, 唐納德·L·泊察爾特 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司