用于控制連續(xù)超聲波焊接工藝的超聲波焊接裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲波焊接裝置和超聲波焊接方法，其用于控制或調(diào)節(jié)對織物材料進(jìn) 行超聲波焊接的連續(xù)超聲波焊接工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于對織物材料進(jìn)行連續(xù)超聲波焊接的裝置已經(jīng)廣泛為人所知。在這些裝置中， 超聲波振蕩單元通常包括轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器一般是電聲換能器，超聲焊極通過又稱為升壓 器的振幅轉(zhuǎn)換部件安裝在其上。不過，也有一些實(shí)施方式中超聲焊極是直接連接到轉(zhuǎn)換器 上的。在這樣的超聲波振蕩單元中，或者振蕩單元被支撐于轉(zhuǎn)換器殼體中，或者振幅轉(zhuǎn)換部 件被扣環(huán)支撐，或者超聲焊極被底座支撐。這些支撐結(jié)構(gòu)通常被設(shè)置在超聲波振蕩的振蕩 節(jié)點(diǎn)上，至少是靠近振蕩節(jié)點(diǎn)設(shè)置的。振蕩單元的超聲焊極相對于一反向工具設(shè)置。在對織 物進(jìn)行超聲波焊接時(shí)，該反向工具為具有均勻或不均勻的外部輪廓或焊接輪廓的滾子。采 用可旋轉(zhuǎn)的，例如滾子形狀的超聲焊極，也是已知的技術(shù)。在一些不同的實(shí)施方式中，這種 滾子式超聲焊極包含轉(zhuǎn)換器。而且，滾子式超聲焊極還被設(shè)置成可以相對于反向工具，例如 砧板，進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。該可旋轉(zhuǎn)的滾子式超聲焊極和該反向工具可以相對于彼此進(jìn)行移動(dòng)，使得 二者之間的間隙可以調(diào)節(jié)，此外，該滾子式超聲焊極也具有均勻或不均勻的外部輪廓或焊 接輪廊。
[0003] 為了在電聲換能器（例如壓電陶瓷轉(zhuǎn)換器）的并行頻率或超聲波諧振頻率（其通 常為18kHz到60kHz之間的一個(gè)預(yù)定頻率）下對其進(jìn)行操作，需要使用特殊的電子電源，例 如超聲波發(fā)生器。設(shè)有超聲焊極的壓電換能器的電源必須能夠?qū)⒃摀Q能器的諧振頻率提供 給該換能器。這種換能器與超聲焊極的組合主要用于熱塑性塑料的焊接，在這類焊接過程 中需要在短則幾個(gè)毫秒，長則連續(xù)負(fù)載的時(shí)間內(nèi)提供數(shù)百瓦到數(shù)千瓦的功率。這些已知的 超聲波發(fā)生器只能對電聲換能器進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。
[0004] 為了在超聲焊極和反向工具之間調(diào)節(jié)出理想的焊接高度和/或間隙高度，可以采 用例如相對于機(jī)械擋止裝置設(shè)置，且相對于反向裝置固定裝設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)超聲 波振蕩單元。這里的缺陷在于，超聲波振蕩單元無法對被焊接的材料的厚度變化作出反應(yīng)。 在專利例如DE195 81 256B4中描述了這種固定支撐超聲焊極的設(shè)計(jì)。
[0005] 通過將電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器（例如步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)）對于超聲波振蕩單元進(jìn)行限位的 裝置也是已知的。
[0006] 在專利DE195 26 354Cl中，用傳感器檢測超聲焊極和反向工具之間的距離。傳 感器產(chǎn)生的相應(yīng)信號被傳輸?shù)酵獠康目刂坪驼{(diào)節(jié)裝置。根據(jù)該傳感器信號，可以控制超聲 焊極和反向工具之間的距離變化。在專利DE10 2006 054 760Al中，驅(qū)動(dòng)器將超聲焊極 朝反向工具的方向移動(dòng)或者將反向工具向超聲焊極的方向移動(dòng)。傳感器檢測輸入該驅(qū)動(dòng)器 的狀態(tài)數(shù)據(jù)或者該驅(qū)動(dòng)器輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)傳感器檢測到的這些狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以改變 超聲焊極和反向工具之間的距離。在專利DE197 53 740Cl中，力傳感器檢測超聲焊極在 反向工具所在的方向上的壓力。根據(jù)檢測到的壓力，傳感器產(chǎn)生信號并將其傳輸?shù)酵獠康?控制或調(diào)節(jié)裝置。接著，該控制或調(diào)節(jié)裝置輸出對應(yīng)的控制信號，根據(jù)該控制信號調(diào)節(jié)超聲 焊極和反向工具之間的距離。
[0007] 如果此時(shí)織物材料被導(dǎo)入用于焊接或切割的空隙或間隙中，焊接力以及織物材料 產(chǎn)生的應(yīng)力都將作用于超聲焊極上。特別是在焊接力較大或發(fā)生變化時(shí)，織物移動(dòng)速度較 快時(shí)，織物厚度發(fā)生變化時(shí)，以及滾子具有特殊的形狀時(shí)，這時(shí)的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致超聲焊極相對 于織物發(fā)生后退，也就是說，超聲焊極向遠(yuǎn)離反向工具的方向移動(dòng)。如果滾子具有所謂的橫 縫或者類似橫縫的輪廓，也就是不均勻的外部輪廓，織物材料的應(yīng)力會(huì)特別大。這些不均勻 的外部輪廓通常是相對于滾子的旋轉(zhuǎn)方向橫向延伸的輪廓，也就是說，焊接沒有發(fā)生在平 面上，而是僅僅發(fā)生在這些輪廓（即較高處）上。在后續(xù)的處理步驟中，通常會(huì)切除織物材 料表面單獨(dú)突出的部分。實(shí)際上，眾所周知的是，這些輪廓使得焊接很難達(dá)到均一的質(zhì)量。 由于織物材料的應(yīng)力大于阻擋力，超聲波振蕩單元的驅(qū)動(dòng)組件的支撐結(jié)構(gòu)和空隙會(huì)導(dǎo)致超 聲焊極產(chǎn)生屈服性或者退讓性的移動(dòng)，上述間隙會(huì)過度打開，使得后續(xù)形成的接縫不再具 有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合力。因此，焊接效果將無法令人滿意，特別是在所述接縫的部位。
[0008] 專利DE44 00 210Al描述了一種在物理上正確控制數(shù)字發(fā)生器的頻率和功率輸 出的方法，尤其適用于超聲波焊接工藝，以及減少在生產(chǎn)超聲波換能器、振幅轉(zhuǎn)換器及超聲 焊極時(shí)的尺寸修正工作。本方法通過數(shù)字控制單元執(zhí)行，不僅補(bǔ)償了諧振頻率在較寬廣范 圍內(nèi)的擴(kuò)散，而且也能補(bǔ)償焊接過程中因?yàn)闇囟然驂毫ψ兓鸬闹C振點(diǎn)的水平位移。通 過軟件可以對由電源電壓或壓力的波動(dòng)引起的功率波動(dòng)進(jìn)行檢測和補(bǔ)償。該軟件對在線機(jī) 械的整個(gè)工作流程進(jìn)行注冊，調(diào)整在線機(jī)械的參數(shù)，并監(jiān)控整個(gè)周期的工作。對于單個(gè)工作 流程，例如處于空閑狀態(tài)下的換能器系統(tǒng)的參數(shù)檢測、壓力下的參數(shù)檢測、對聲學(xué)和電子元 件的盡可能緩和的供電、對重要系統(tǒng)參數(shù)的變化趨勢的鑒定、以及預(yù)定閾值的超出情況等 等，它們的順序都由該軟件加以處理。該軟件對物理上正確的控制和調(diào)節(jié)參數(shù)予以監(jiān)控，從 而可以確保在將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量時(shí)取得最佳的效率因素。
[0009] 專利DE100 09 174Al描述了一種通過外部控制和調(diào)節(jié)裝置來操作的超聲波加 工裝置。該外部控制和調(diào)節(jié)裝置從描述了其輸出信號特征的超聲波發(fā)生器接收信號。為了 調(diào)節(jié)該發(fā)生器的輸出功率，通過該控制和調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)超聲焊極的壓力或振幅。由于超聲 焊極的振幅變化，發(fā)生器的輸出功率的變化是很容易檢測到的，超聲波振蕩器的反應(yīng)時(shí)間 則處于5到10毫秒的范圍內(nèi)。如果通過控制閥門來改變超聲焊極的壓力，則該反應(yīng)時(shí)間的 范圍可以達(dá)到50到700毫秒。
[0010] 本發(fā)明的一個(gè)目的是改善已知的超聲波加工裝置的操作工藝，達(dá)到能夠快速地、 靈活地對超聲波加工裝置的工作條件的變化作出反應(yīng)的效果，從而保證超聲波加工裝置的 處理效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 獨(dú)立權(quán)利要求1及3所述的超聲波加工裝置和獨(dú)立權(quán)利要求13所述的超聲波加 工方法解決了上述問題。以下結(jié)合文字?jǐn)⑹?、圖示和相關(guān)的權(quán)利要求給出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí) 施例及其相應(yīng)的擴(kuò)展方案。
[0012] 本發(fā)明的超聲波加工裝置包括以下結(jié)構(gòu)：超聲波發(fā)生器、轉(zhuǎn)換器、至少一個(gè)超聲焊 極及與超聲焊極相對設(shè)置的反向工具，超聲焊極與反向工具之間由間隙隔開；其中超聲焊 極或反向工具被設(shè)置為可旋轉(zhuǎn)的并且包括均勻的外部表面；一控制/調(diào)節(jié)模塊，優(yōu)選為數(shù) 字控制/調(diào)節(jié)模塊，整合在超聲波發(fā)生器的信號處理部分中，使得該超聲波發(fā)生器可以處 理該超聲波發(fā)生器收到的多種發(fā)生器數(shù)據(jù)，特別是電壓Uus、電流I、實(shí)際振幅Aist和/或?qū)?際發(fā)生器功率Pist;其中，a)通過控制/調(diào)節(jié)模塊的間隙控制器可以將功率實(shí)際值Pist與超 聲波發(fā)生器的功率參考值匕^進(jìn)行比較，從而確定和調(diào)節(jié)超聲焊極相對于滾子的位置參考 值POSstjll,以便對超聲波發(fā)生器的功率參考值Pstjll進(jìn)行調(diào)節(jié)；和/或b)通過控制/調(diào)節(jié)模 塊的振幅控制器可以將功率實(shí)際值Pist與超聲波發(fā)生器的功率參考值P3()11進(jìn)行比較，從而 確定超聲波發(fā)生器的振幅參考值A(chǔ)stjll,以便調(diào)節(jié)功率參考值PS()11。
[0013] 本發(fā)明的超聲波加工裝置用于通過超聲波對材料進(jìn)行焊接、切割和/或紡織。實(shí) 施這些手段時(shí)，連續(xù)的織物材料可以通過超聲波加工裝置的反向工具和超聲焊極之間的間 隙進(jìn)行移動(dòng)。通過相對移動(dòng)，超聲焊極和反向工具相對于彼此的距離是可調(diào)的，使得超聲焊 極和反向工具之間的間隙具有預(yù)定的寬度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，超聲焊極與用 作反向工具的可旋轉(zhuǎn)地安裝的滾子相對設(shè)置。另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供的超聲焊極的形狀被 設(shè)置成例如可旋轉(zhuǎn)的滾子式超聲焊極。以此為目標(biāo)，優(yōu)選地，至少一個(gè)超聲焊極被安裝在設(shè) 置為可旋轉(zhuǎn)的滾子上，使得滾子的徑向外表面通過其外部輪廓將超聲焊極產(chǎn)生的超聲波振 蕩傳遞到織物材料上。在又一實(shí)施例中，反向工具由砧板制成。為了使可旋轉(zhuǎn)的超聲焊極 與砧板之間的間隙寬度是可調(diào)的，優(yōu)選地，砧板和/或可旋轉(zhuǎn)的超聲焊極是可移動(dòng)的，從而 確保二者之間能夠如上所述地相對移動(dòng)。
[0014] 特別優(yōu)選地，該超聲波加工裝置可以用作超聲波焊接裝置。與上面所討論的現(xiàn)有 技術(shù)所述的超聲波加工裝置不同，整個(gè)處理流程的控制和調(diào)節(jié)是在超聲波發(fā)生器中進(jìn)行 的。以此為目標(biāo)，超聲波發(fā)生器的信號處理部分包括控制/調(diào)節(jié)模塊，通過該控制/調(diào)節(jié)模 塊確定加工過程的條件和要求，優(yōu)選地，例如為了確定超聲焊極和滾子之間的間隙或距離 而產(chǎn)生的外部啟動(dòng)系統(tǒng)的定位信號。當(dāng)控制/調(diào)節(jié)模塊被整合在超聲波發(fā)生器的信號處理 部分中時(shí)，操作超聲波發(fā)生器所必需的發(fā)生器數(shù)據(jù)以及對其作出的選擇都是有效的。該多 種發(fā)生器數(shù)據(jù)包括例如電壓Uus、電流I、實(shí)際振幅Aist及實(shí)際發(fā)生器功率Pist。如有必要，控 制/調(diào)節(jié)模塊可以對該多種發(fā)生器數(shù)據(jù)作出至少一次選擇，且無需為了在超聲波發(fā)生器與 控制/調(diào)節(jié)模塊之間對發(fā)生器數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和/或適配和/或傳輸而花費(fèi)時(shí)間。除了由此 帶來的超聲波處理工藝的數(shù)據(jù)加工過程的時(shí)間上的節(jié)省，通過超聲波發(fā)生器與它所合并的 控制/調(diào)節(jié)模塊的組合，超聲波處理工藝的數(shù)據(jù)處理中的核實(shí)及更詳細(xì)的運(yùn)算也得到了保 證。此外，這里使用的將控制/調(diào)節(jié)模塊整合到超聲波發(fā)生器的信號處理部分中的方案，使 得在例如分別調(diào)節(jié)超聲焊極與滾子或砧板之間的間隙時(shí)，可以避免使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、在一 定程度上可能形成干擾的、且在一定程度上還會(huì)占用空間的外部控制器。
[0015] 該超聲波加工裝置依靠超聲波發(fā)生器的功率對超聲波處理工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)。超聲波 發(fā)生器的理想功率參考值？ 3()11通過控制/調(diào)節(jié)模塊中的間隙調(diào)節(jié)器和/或振幅調(diào)節(jié)器來調(diào) 節(jié)。例如，在超聲波發(fā)生器需要達(dá)到預(yù)定的功率參考值？ 3()11的情況下，間隙調(diào)節(jié)器控制超聲 焊極相對于反向工具的自身位置參考值POSstjll,也就是分別相對于滾子或砧板的位置參考 值。優(yōu)選地，也可以在超聲波加工裝置中使用振幅調(diào)節(jié)器，其可以與間隙調(diào)節(jié)器相結(jié)合或者 二者擇一地使用。在超聲焊極與反向工具之間的被調(diào)節(jié)的預(yù)定間隙中，優(yōu)選為在超聲焊極 與滾子或砧板分別形成的間隙中，振幅控制器專門用于改變由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生并用來控 制超聲焊極的超聲波振蕩的振幅。對應(yīng)地，當(dāng)控制/調(diào)節(jié)模塊中的振幅控制器控制振幅增 大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超聲焊極與反向工具之間的間隙，優(yōu)選為超聲焊極與滾子或砧板分別形成的 間隙，變得較小，這樣就使得超聲波發(fā)生器的功率實(shí)際值Pist增加。通過同樣手段，當(dāng)由超 聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波振蕩的振幅在控制下被減小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超聲焊極與滾子或砧板分 別形成的間隙，或者超聲焊極與反向工具之間的間隙，變得較大。這樣，通過單獨(dú)地或