將多個聚合體工件焊接在一起時使用目標運動學分布圖的適應(yīng)性工藝控制的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體涉及用于將多個工件焊接在一起的改良的技術(shù)，以及更確切地指用于聚合體復(fù)合材料的改良的超聲波焊接的系統(tǒng)和方法，其使用適應(yīng)性工藝控制將超聲焊頭運動學匹配至預(yù)先制定的目標焊頭運動學，例如目標焊頭位移、速度或加速度分布圖。
【背景技術(shù)】
[0002]在汽車制造業(yè)中，聚合體復(fù)合材料由于其有利的特性正在被越來越廣泛地使用，例如為輕質(zhì)的，高度一致的或可成形的，堅固的以及耐用的。一些復(fù)合材料進一步是可著色的以及能夠被表面加工具有大多數(shù)任意需要的構(gòu)造。
[0003]在汽車中增多的使用包括，例如在儀表和門面板、燈、空氣管道、方向盤、車內(nèi)裝飾、車箱或其它的車輛儲藏箱、車內(nèi)裝飾、外部件以及甚至發(fā)動機組件。關(guān)于發(fā)動機組件和其它的發(fā)動機罩(或UTH)應(yīng)用，例如聚合體被構(gòu)造和被持續(xù)發(fā)展成能夠經(jīng)受熱和/或化學侵蝕的環(huán)境。關(guān)于例如擋泥板的外部件，聚合體被發(fā)展使得其在更長的時間周期內(nèi)具有高熱、環(huán)境的和化學的抵抗力。以及在汽車應(yīng)用中許多其它潛在的使用正在不斷地被考慮到。
[0004]隨著聚合體、聚合體復(fù)合材料以及其它的小質(zhì)量的材料日益增多的使用，壓縮模塑法和后鑄模連接技術(shù)，例如超聲波焊接，也正被更普遍地使用。
[0005]一些常規(guī)的超聲波焊接技術(shù)是開環(huán)控制的。在超聲波能量施加裝置的配置上(例如超聲波尖端，被稱作超聲波焊極(sonotrode)或焊頭)，在焊接點處，施加裝置根據(jù)開環(huán)程序被控制，以下降至部件上，傳送超聲波振動，之后接觸，以及當傳送振動時持續(xù)下降。施加裝置運動學，例如在焊接的每次迭代中的運動，因此以同樣的方式根據(jù)程序被控制。
[0006]對于某些技術(shù)，焊接系統(tǒng)使用一種閉環(huán)反饋控制以確保焊頭振動被保持在一定的恒定的共振頻率，例如20kHz。
[0007]由于在焊接條件中的振動，對于每次迭代的參數(shù)被保持恒定(即恒定的焊頭振動頻率、振動的振幅以及在工件上向下的力)，同樣的焊接功能在每個情形下并不產(chǎn)生同樣的結(jié)果。變化主要包括，與那些被焊接在一起的工件相關(guān)，例如工件材料、工件的尺寸和形狀、工件表面粗糙度、工件表面清潔度以及工件定位和固定(例如夾住)。環(huán)境條件以及包括能量施加裝置的清潔度條件也能夠是其中的因素。
[0008]關(guān)于組成的材料，工件的一個或兩者均會包含未意料到的污染物。或者工件會除期望的外包括或多或少的基礎(chǔ)材料，例如除指定的外或多或少的碳纖維。在組成材料中的污染物或殘料/缺乏，影響工件對焊接能量的反應(yīng)。例如，工件可比通常熔化更慢或更快。
[0009]也關(guān)于工件材料，工件的一個或兩者均可包含缺陷，例如非期望的有孔性?；蛘呖纱嬖诠ぜ牧系臋C械性質(zhì)的局部差異，例如在纖維性復(fù)合材料-纖維加固聚合體(FRP)復(fù)合材料的情形下，由于在體積成分或纖維(例如碳纖維或玻璃纖維)的方位中的變化所引起的。
[0010]關(guān)于工件尺寸和形狀，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，例如體積中相對微小的變化(例如2%)，或局部厚度或輪廓中的差異能夠?qū)Σ牧先坌跃哂邢喈敶蟮挠绊憽?br>[0011]關(guān)于工件定位和夾住，有時工件的一個或兩者均初始地或由于不適當?shù)膴A住而變得位置不正的。即使是輕微的位置不正也能夠影響焊接。在常規(guī)的開環(huán)系統(tǒng)中，焊接能量施加裝置(例如焊頭)與最近的工件之間小于最優(yōu)的接觸會顯著降低焊接效率。
[0012]表面相關(guān)的特性(例如清潔度、粗糙度(比指定的(例如在說明書中)更粗糙或更光滑)，以及涂層(例如涂層太少或太多))也影響通過其超聲波振動被傳送至和穿過工件的效率。
[0013]因為常規(guī)的開環(huán)技術(shù)不調(diào)節(jié)那些影響焊接工藝的變化，例如工件中的污染物或不清潔的工件表面，過焊接和欠焊接在那些技術(shù)的使用中是普遍的。
[0014]例如過焊接部件可能是表面不理想的。過焊接接頭可能是更弱的，例如由于材料的過度加熱/熔化引起的接頭中和接頭周圍更弱的機械性質(zhì)。
[0015]而且過焊接可比所期望的需要更多的能量和時間。例如，在預(yù)期的情景中，其中焊接焊頭被降低，直至焊頭降低至工件的預(yù)設(shè)的深度，如果該工件被熔化比預(yù)期慢，則更多的能量和時間將會被花費。
[0016]當然欠焊接部件由于工件之間的連接量不理想地低而產(chǎn)生更弱的接頭。
[0017]欠焊接和過焊接部件可需要來被修復(fù)、再循環(huán)或廢棄。
[0018]本技術(shù)旨在克服先前的焊接技術(shù)的這些和其它缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明涉及用于將多個工件焊接在一起的系統(tǒng)和方法。
[0020]更確切地，本技術(shù)提供使用適應(yīng)性工藝控制用于焊接聚合體復(fù)合材料的改良的系統(tǒng)、算法和方法。
[0021]在一個實施例中，控制涉及控制超聲波焊頭使得其運動學(例如位移、位置、速度或加速度)與預(yù)先設(shè)定的目標焊頭運動學分布圖或信號相匹配。
[0022]本發(fā)明的其它方面將是部分顯然的以及部分在下列指出。
[0023]本發(fā)明還提供了以下方案:
1.一種超聲波焊接系統(tǒng)，用于將兩個工件焊接在一起，其中工件中的至少一個包括聚合體復(fù)合材料，該系統(tǒng)包括:
能量施加裝置，其沿著系統(tǒng)動作軸線被放置，使得在運行中在焊接程序期間從能量施加裝置傳遞的超聲波振動，大致在系統(tǒng)動作軸線周圍傳遞至工件；
進程-控制主致動器，其沿著系統(tǒng)動作軸線被放置，使得由主致動器輸出的第一負載沿著系統(tǒng)動作軸線起作用；
精細-控制輔助致動器，其沿著系統(tǒng)動作軸線被放置，使得由輔助致動器輸出的第二負載沿著系統(tǒng)作用軸線起作用；以及
控制器，其與主致動器以及與輔助致動器操作連通，用于分別提供第一控制命令信號和第二控制命令信號給主致動器與輔助致動器，以在焊接程序期間，以及沿著系統(tǒng)動作軸線控制致動器，使得致動器將負載作用在工件上；
其中:
該控制器包括處理器、包括數(shù)據(jù)的計算機可讀的存儲器以及計算機可執(zhí)行的指令； 該數(shù)據(jù)包括能量-施加裝置運動學分布圖，其包括與焊接程序的時間或輸出能量相聯(lián)系的目標運動學數(shù)據(jù)點；以及
當指令被處理器執(zhí)行時，其使得處理器來執(zhí)行操作，其包括:
執(zhí)行閉環(huán)適應(yīng)性焊接施加裝置控制的第一次迭代，其包括:
a.發(fā)送主要的、進程-類型的命令信號給主致動器以使得主致動器來沿著系統(tǒng)動作軸線實施目標運動學數(shù)據(jù)點的下一個目標能量-施加裝置運動特征；
b.從測量裝置接收指示能量施加裝置的實際的運動特征的反饋；
c.基于焊接程序期間的反饋，確定指示能量施加裝置的實際的運動特征的反饋與相應(yīng)的目標能量-施加裝置運動之間的誤差；
d.基于誤差值，產(chǎn)生輔助的、精細類型的命令，其被配置以使得輔助致動器來沿著系統(tǒng)動作軸線致動，因此為了最小化誤差以便于修正能量-施加裝置運動；以及
e.發(fā)送輔助命令給輔助致動器，用于為了最小化誤差，通過輔助致動器執(zhí)行該命令來通過沿著系統(tǒng)動作軸線提供精細水平的負載以修正能量-施加裝置運動；以及
在焊接程序期間與下一步迭代相結(jié)合，重復(fù)操作a-e，直至焊接程序的結(jié)束，以便于在程序期間保持能量-施加裝置運動盡可能接近能量-施加裝置運動學分布圖。
[0024]2.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其進一步包括放置在輔助致動器與能量施加裝置之間的放大器，用于放大輔助致動器的輸出負載。
[0025]3.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中進程-控制主致動器包括氣動的致動器。
[0026]4.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中進程-控制主致動器包括液壓的致動器。
[0027]5.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中精細-控制輔助致動器包括伺服電動機。
[0028]6.根據(jù)方案5所述的系統(tǒng)，其中該電動機包括或被連接至測量裝置。
[0029]7.根據(jù)方案6所述的系統(tǒng)，其中該測量裝置包括被配置來提供所述反饋的編碼器或電位計。
[0030]8.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中該測量裝置包括線性變量差動變壓器。
[0031]9.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其進一步包括被配置和布置來促進控制器與主致動器和輔助致動器中每個之間的通信的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，包括主要的和輔助的命令信號。
[0032]10.根據(jù)方案9所述的系統(tǒng)，其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括有線。
[0033]11.根據(jù)方案9所述的系統(tǒng)，其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括與控制器相關(guān)的至少一個無線的傳送器，以及與主和輔助致動器相關(guān)的至少兩個接收器。
[0034]12.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中:
移動特征為位置；
下一個目標能量-施加裝置移動為下一個目標能量-施加裝置位置；
能量施加裝置的實際的運動特征為能量施加裝置的實際的位置；
相應(yīng)的目標能量-施加裝置移動為相應(yīng)的目標能量-施加裝置位置；以及能量-施加裝置移動為能量-施加裝置位置。
[0035]13.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中:
移動特征為位移；
下一個目標能量-施加裝置移動為下一個目標能量-施加裝置移動；
能量施加裝置的實際的移動特征為能量施加裝置的實際的位移； 相應(yīng)的目標能量-施加裝置移動為相應(yīng)的目標能量-施加裝置位移；以及能量-施加裝置移動為能量-施加裝置位移。
[0036]14.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中該移動特征包括能量施加裝置的速度或加速度。
[0037]15.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中能量施加裝置包括超聲波焊接焊頭或超聲波焊極尖?而。
[0038]16.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中的第一工件和工件中的第二工件具有同樣的材料。
[0039]17.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中的第一工件和工件中的第二工件具有不同的材料。
[0040]18.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中兩個工件均包括聚合體。
[0041]19.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括混合塑料-金屬復(fù)合材料。
[0042]20.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括熱塑性塑料。
[0043]21.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中兩個工件均包括聚合體復(fù)合材料。
[0044]22.根據(jù)方案21所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括纖維-加固聚合體(FRP)復(fù)合材料。
[0045]23.根據(jù)方案22所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括碳纖維-加固聚合體(CFRP)復(fù)合材料。
[0046]24.根據(jù)方案23所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括玻璃纖維加固聚合體(GFRP)或玻璃纖維，復(fù)合材料。
[0047]25.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括選自包含下列材料的列表中的至少一種材料:
聚酰胺-級聚合體；
聚氯乙烯(PVC)；
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);以及聚碳酸酯(PC)。
[0048]26.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括聚乙烯。
[0049]27.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或高密度聚乙烯(HDPE)。
[0050]28.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)0
[0051]29.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括合成聚合體、無機聚合體、生物高聚物(或綠色聚合體)以及基于石油的聚合體中至少一個。
[0052]30.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括包含一定百分比的使用后再循環(huán)的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)聚合體。
[0053]31.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個包括樹脂。
[0054]32.根據(jù)方案31所述的系統(tǒng)，其中該樹脂包括下列至少一個:
玻璃纖維聚丙烯(PP)樹脂； PC/PBT樹脂；以及 PC/ABS 樹脂。
[0055]33.一種超聲波焊接方法，用于將兩個工件焊接在一起，其中工件中至少一個包括聚合體復(fù)合材料，以及系統(tǒng)包括(i)能量施加裝置，其沿著系統(tǒng)動作軸線被放置使得在運行中在焊接程序期間從能量施加裝置被傳遞的超聲波振動，被傳送至工件，大致在系統(tǒng)動作軸線周圍，(?)進程-控制主致動器，其沿著系統(tǒng)動作軸線被放置，使得由主致動器輸出的第一負載沿著系統(tǒng)動作軸線起作用，(iii)精細-控制輔助致動器，其沿著系統(tǒng)動作軸線被放置使得由輔助致動器輸出的第二負載沿著系統(tǒng)作用軸線起作用，以及(iv)控制器，其與主致動器以及與輔助致動器操作連通，用于分別提供第一控制命令信號和第二控制命令信號給主致動器與輔助致動器