用于振動焊接過程的在線質(zhì)量監(jiān)測和控制的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于振動焊接過程的在線質(zhì)量監(jiān)測和控制的方法和系統(tǒng)，具體提供一種用于監(jiān)測和控制振動焊接系統(tǒng)的方法，該方法包括：使用相對于工件的焊接界面定位的傳感器采集焊接結(jié)合部形成期間的傳感數(shù)據(jù)。主機從由所述傳感數(shù)據(jù)集合地限定的焊接標(biāo)識中提取特征組；將所述特征組與存儲庫中的已確認(rèn)信息進行比較和關(guān)聯(lián)；并且在當(dāng)前特征組與所述信息匹配不充分時執(zhí)行控制動作。一種焊接系統(tǒng)包括焊極、傳感器和主機。所述主機構(gòu)造成執(zhí)行上述方法。
【專利說明】用于振動焊接過程的在線質(zhì)量監(jiān)測和控制的方法和系統(tǒng)
[0001]本申請是申請日為2010年11月9日、申請?zhí)枮?01010545535.9、發(fā)明名稱為“用于振動焊接過程的在線質(zhì)量監(jiān)測和控制的方法和系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2009年11月9日提交的美國臨時專利申請N0.61/259，267的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該臨時申請的全部內(nèi)容在此通過引用并入本申請中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及振動焊接過程，更具體地涉及用于對振動金屬焊接過程進行非破壞性的在線質(zhì)量監(jiān)測和控制的方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0004]振動焊接過程使用特定頻率范圍和方向內(nèi)的受控振蕩或振動來將相鄰的塑料或金屬工件連接起來。超聲波焊接和其它振動焊接過程涉及使工件在壓力下運動，同時將振動傳遞通過所述工件，從而產(chǎn)生表面摩擦。最終所述表面摩擦產(chǎn)生熱量并軟化工件的相鄰部分，最終將所述工件結(jié)合到一起。
[0005]在振動焊接系統(tǒng)中，焊頭(weld horn )或焊極(sonotrode)直接連接至一個或多個焊接頭或與之一體形成。所述焊接頭可包括一個或多個有紋理的焊接尖端或軋花(knurls)—即在焊接工件時與所述工件實體接觸的表面。所述工件由固定的焊接砧支撐。振動焊接在工業(yè)上有極大的實用性，例如用于在制造車輛期間連接各種車載零部件。振動焊接部件(包括但不限于多單元車輛電池)的效率、一致性和可靠性/耐久性在很大程度上取決于用于在最終部件中形成各種焊點(weld spot)或焊接結(jié)合部(weld joint)的方法和焊接工具的設(shè)計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本申請?zhí)峁┝藘?yōu)化的振動焊接方法和系統(tǒng)。通過本方法，在超聲波金屬焊接和其它振動焊接過程期間提供實時的非破壞性的質(zhì)量監(jiān)測和控制，所述方法可實施為記錄在實體的計算機可讀介質(zhì)上且由如本文所述的主機自動執(zhí)行的算法或一組指令。在形成振動焊接結(jié)合部(例如焊點、多個焊點、焊接縫等)期間獲取各種測量結(jié)果，且所述測量結(jié)果集合地限定焊接標(biāo)識(weld signature)。然后從所述焊接標(biāo)識中提取特征組，以在焊接結(jié)合部的有效形成期間實時地/在線地判定所述焊接結(jié)合部是否是可接受的。
[0007]本方法包括從控制信號和/或傳感器或相對于焊接界面定位或定位成緊鄰所述焊接結(jié)合部的其它適當(dāng)傳感器采集焊接結(jié)合部的有效形成期間的一組傳感數(shù)據(jù)(例如溫度的、聲音的、電的、機械的傳感數(shù)據(jù))。這些值集合地限定所述焊接標(biāo)識。在一個可能的實施例中，可以在焊接系統(tǒng)的固定部分內(nèi)(諸如在砧的壁內(nèi))嵌入帶套的或絕緣的熱電偶?？梢詫Ρ恍纬傻拿總€焊點設(shè)置一個熱電偶，例如對需要三個焊點的電池片(tab)設(shè)置三個熱電偶。在另一實施例中，可以使用聲頻傳感器或電傳感器來測量能夠用于限定整體焊接標(biāo)識的其它焊接參數(shù)。
[0008]例如，所述砧可限定多個孔或孔洞，熱電偶或其它傳感器能夠臨近所述焊接界面插入所述孔或孔洞內(nèi)，使得能夠從所述焊接系統(tǒng)內(nèi)獲得精確的傳感測量結(jié)果。替代地，所述砧能夠被分段，且所述傳感器插入和結(jié)合在所述砧的相鄰段之間，且所述段被結(jié)合以形成實心的砧。來自所述傳感器的測量結(jié)果可以被給送至主機，以限定焊接標(biāo)識，并且能夠從所述焊接標(biāo)識中提取特征組，以便在形成所述焊接結(jié)合部時判定或預(yù)測其質(zhì)量。
[0009]在另一實施例中，焊接控制參數(shù)或其它內(nèi)部控制變量可以在焊接結(jié)合部形成期間被自動地改變，以實時地改變所述焊接結(jié)合部的最終質(zhì)量。例如，如果判定焊接結(jié)合部的軌跡處的溫度下降到低于校準(zhǔn)的閾值，所述主機可對焊接控制器/功率源發(fā)出信號，以自動地改變某些焊接參數(shù)(例如機械振蕩和/或夾持力)，從而確保焊接質(zhì)量。在形成焊點期間施加至工件的夾持力可由伺服設(shè)備提供，例如由具有幾乎瞬時扭矩獲得能力的電機提供，以便進一步優(yōu)化所述焊接系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)測和控制響應(yīng)。
[0010]可使用一個或多個附加測量結(jié)果進一步改進溫度測量的預(yù)測值。在本發(fā)明的預(yù)期范圍內(nèi)有多種測量是可行的，諸如在焊點形成期間焊頭的位移和/或工件中形成的壓痕深度、焊極與砧之間測得的動態(tài)電阻、所施加的夾持力、測壓元件的測量值、聲頻值、溫度測量結(jié)果、激光錯位散斑(laser shearography)以及其它光學(xué)和/或干涉測量結(jié)果等。
[0011]集合地，這些測量結(jié)果可以看作是對于每個焊接結(jié)合點的特有焊接標(biāo)識，且將所述焊接標(biāo)識與經(jīng)確認(rèn)焊接標(biāo)識的預(yù)置存儲庫相關(guān)聯(lián)，以預(yù)測所產(chǎn)生的焊接結(jié)合部的質(zhì)量?？梢詫⒏郊拥耐ㄟ^或良好焊接添加至所述存儲庫中以用于未來的預(yù)測。主機可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、加權(quán)公式、預(yù)測算法、線性回歸分析、主成分分析、優(yōu)化方案、統(tǒng)計測量和分類方案、和/或其它適當(dāng)?shù)募夹g(shù)從所述焊接標(biāo)識中提取特征組，并最終在所述焊接結(jié)合部形成時預(yù)測其質(zhì)量。
[0012]具體地說，本申請?zhí)峁┮环N用于控制超聲波焊接或其它振動焊接系統(tǒng)的方法。所述振動焊接系統(tǒng)使用高頻機械振動或振蕩在工件的焊接界面處或沿著工件的焊接界面產(chǎn)生焊接結(jié)合部或焊點。所述方法包括:使用相對于焊接界面定位的多個傳感器采集一組傳感數(shù)據(jù)，即，在形成焊點期間由焊接控制器或功率源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，或來自所述焊接系統(tǒng)內(nèi)(例如固定焊接砧內(nèi))的數(shù)據(jù)。
[0013]在一個可能的實施例中，所述傳感器中的至少一個能夠構(gòu)造成熱電偶、聲頻或其它傳感器，且至少部分地封閉在所述砧的壁內(nèi)，例如處于孔內(nèi)或者定位在所述砧的各段之間。主機能夠從所述焊接標(biāo)識中提取當(dāng)前特征組，并將所述當(dāng)前特征組與容納在存儲庫中的經(jīng)確認(rèn)特征組進行比較和關(guān)聯(lián)。當(dāng)所述當(dāng)前特征組與來自所述存儲庫的經(jīng)確認(rèn)特征組匹配不充分時，則由所述主機執(zhí)行控制動作。
[0014]本申請還提供了具有焊接功率源和焊極的振動焊接系統(tǒng)，該振動焊接系統(tǒng)適于使用高頻振動或振蕩在工件中形成焊接結(jié)合部(例如一個或多個焊點)。所述系統(tǒng)包括構(gòu)造成用于執(zhí)行上述方法的主機。
[0015]方案1、一種用于在振動焊接過程期間監(jiān)測和控制振動焊接系統(tǒng)的方法，所述焊接系統(tǒng)構(gòu)造為使用高頻機械振動在工件的界面處形成焊接結(jié)合部，所述方法包括:
使用相對于所述焊接界面定位的多個傳感器采集所述焊接結(jié)合部形成期間的一組傳感數(shù)據(jù)； 使用所述傳感數(shù)據(jù)形成焊接標(biāo)識；
使用主機從所述焊接標(biāo)識中提取當(dāng)前特征組；
通過所述主機將所述當(dāng)前特征組與存儲庫中容納的已確認(rèn)信息進行比較和關(guān)聯(lián)；以及在所述當(dāng)前特征組與所述存儲庫中的信息匹配不充分時，執(zhí)行控制動作。
[0016]方案2、如方案I所述的方法，其中，所述傳感器中的至少一個是至少部分地處在用于支撐所述工件的焊接砧內(nèi)的溫度傳感器。
[0017]方案3、如方案I所述的方法，其中，執(zhí)行至少一個控制動作包括下述動作中的至少一個:改變所述振動焊接系統(tǒng)的控制參數(shù)；激活指示器設(shè)備；以及臨時停止所述振動焊接過程。
[0018]方案4、如方案I所述的方法，其中，所述焊接系統(tǒng)包括具有壁的砧，所述壁限定至少一個孔，所述砧在緊鄰所述焊接界面的位置處具有多個段，并且其中所述傳感器中的至少一個定位在所述孔內(nèi)或者介于所述多個段中的相鄰段之間。
[0019]方案5、如方案I所述的方法，其中，使用主機從所述焊接標(biāo)識中提取當(dāng)前特征組包括使用下述方法中的至少一種:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元分析、統(tǒng)計回歸分析和主成分分析。
[0020]方案6、如方案I所述的方法，其中，采集所述焊接結(jié)合部形成期間的一組傳感數(shù)據(jù)包括:在振動焊接多單元電池的導(dǎo)電片時采集所述一組傳感數(shù)據(jù)。
[0021]方案7、如方案I所述的方法，其中，采集所述焊接結(jié)合部形成期間的一組傳感數(shù)據(jù)包括采集下述數(shù)據(jù)中的至少一種:所述焊接系統(tǒng)在所述振動焊接過程期間的動態(tài)電阻，以及所述焊接系統(tǒng)的一部分在所述振動焊接過程期間的位移。
[0022]方案8、一種焊接系統(tǒng)，其構(gòu)造成在振動焊接過程期間使用高頻機械振動在工件的焊接界面處形成焊接結(jié)合部，所述焊接系統(tǒng)包括:
多個傳感器，其相對于所述焊接界面定位，并且能夠采集一組傳感數(shù)據(jù)；
構(gòu)造為在所述振動焊接過程期間振動的焊極；
主機，其能夠訪問經(jīng)確認(rèn)信息的存儲庫；
其中，所述主機構(gòu)造成用于執(zhí)行下列操作:
從所述焊接標(biāo)識中提取當(dāng)前特征組；
將所述當(dāng)前特征組與所述存儲庫中容納的已確認(rèn)信息進行比較和關(guān)聯(lián)；以及在所述當(dāng)前特征組與所述存儲庫中的信息匹配不充分時，執(zhí)行控制動作。
[0023]方案9、如方案8所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述主機適于通過下述動作中的至少一個來執(zhí)行至少一個控制動作:改變所述焊接系統(tǒng)的控制參數(shù)；激活指示器設(shè)備；以及臨時停止所述振動焊接過程。
[0024]方案10、如方案8所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述焊接系統(tǒng)包括具有壁的砧，所述壁限定緊鄰所述焊接界面的孔，并且其中所述傳感器中的至少一個定位在所述孔內(nèi)。
[0025]方案11、如方案8所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述主機構(gòu)造成使用主成分分析來提取所述當(dāng)前特征組。
[0026]方案12、如方案8所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述傳感器包括適于測量下述數(shù)據(jù)中的一個的至少一個附加傳感器:所述焊接系統(tǒng)在所述振動焊接過程期間的動態(tài)電阻，所述焊接系統(tǒng)的一部分在所述振動焊接過程期間的位移；以及聲頻值。
[0027]方案13、如方案8所述的焊接系統(tǒng)，進一步包括具有多個段的焊接砧，其中所述傳感器中的至少一個位于所述多個段中的相鄰段之間。
[0028]方案14、一種焊接系統(tǒng)，其適于使用超聲波振動在多單元電池的焊接界面處形成焊接結(jié)合部，所述焊接系統(tǒng)包括:
焊極，其響應(yīng)于控制信號以超聲波頻率振動，從而在所述電池的一組片中形成焊接結(jié)合部;
主機，其具有經(jīng)確認(rèn)焊接標(biāo)識的存儲庫；以及
傳感器，其構(gòu)造為用于測量一組傳感數(shù)據(jù)，并將所述一組傳感數(shù)據(jù)傳遞至所述主機； 其中，所述主機構(gòu)造成用于執(zhí)行下列操作:
以實時方式自動地從由所述傳感數(shù)據(jù)集合地限定的當(dāng)前焊接標(biāo)識中提取當(dāng)前特征組；
將所述當(dāng)前特征組與從所述存儲庫中的已確認(rèn)焊接標(biāo)識中提取的相應(yīng)特征組進行比較和關(guān)聯(lián)；以及
在所述當(dāng)前特征組與來自所述存儲庫的所述相應(yīng)特征組匹配不充分時，執(zhí)行至少一個控制動作。
[0029]方案15、如方案14所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述焊接砧包括孔和多個段中的一種，并且其中所述傳感器中的一個定位在所述孔內(nèi)或者介于所述多個段中的相鄰段之間。
[0030]方案16、如方案14所述的焊接系統(tǒng)，包括適于測量下述數(shù)據(jù)中的一種的至少一個附加傳感器:所述焊接系統(tǒng)在所述振動焊接過程期間的動態(tài)電阻，以及所述焊接系統(tǒng)的一部分在所述超聲波焊接過程期間的位移。
[0031]通過結(jié)合附圖來研讀對用于實施本發(fā)明的最佳模式所作的詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點以及其它特征和優(yōu)點將變得清楚。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是根據(jù)本發(fā)明的振動焊接系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；
圖2是適于用在圖1所示的振動焊接系統(tǒng)內(nèi)的焊接砧的示意性立體圖；
圖3是可以使用圖1所示的系統(tǒng)進行振動焊接的多單元電池模塊的示意性立體圖；
圖4是可以用于監(jiān)測和控制圖1所示系統(tǒng)中的焊接質(zhì)量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的示意圖；
圖5是流程圖，描繪了用于對使用圖1中所示系統(tǒng)形成的焊接結(jié)合部的質(zhì)量進行監(jiān)測和控制的方法；
圖6是焊接質(zhì)量與測得焊接屬性的圖線。

【具體實施方式】
[0033]參見附圖，在附圖中，相同的標(biāo)號指示相同的元件，并且從圖1開始，圖1示出構(gòu)造成用于使用超聲頻率范圍或其他合適的頻率范圍內(nèi)的振動能量來形成焊接結(jié)合部的振動焊接系統(tǒng)10。焊接系統(tǒng)10包括焊接功率源12，焊接功率源12將可用的源功率轉(zhuǎn)換為可引發(fā)振動焊接的形式。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，在振動焊接過程中使用的功率源(諸如功率源12)能夠電連接至任何適當(dāng)?shù)哪芰吭?例如50-60赫茲的墻壁插座)。功率源12可包括焊接控制器112，焊接控制器112通常與所述功率源形成為一個整體但是并非必須如此。
[0034]功率源12和焊接控制器112最終將源功率轉(zhuǎn)換成具有適用于振動焊接過程的預(yù)定波形特征的適當(dāng)功率控制信號(箭頭23)，例如頻率為數(shù)赫茲(Hz)至大約40KHz，或者根據(jù)具體應(yīng)用為更高的頻率。
[0035]功率控制信號(箭頭23)從功率源12 (或者更精確地，從焊接控制器112)傳送至轉(zhuǎn)化器13，轉(zhuǎn)化器13具有為在一個或多個焊接頭118中產(chǎn)生機械振動或振蕩信號(箭頭57)所需的機械結(jié)構(gòu)。焊接頭118可以與焊頭或焊極18—體形成或與之連接，且所述機械振蕩信號(箭頭57)響應(yīng)于所述控制信號(箭頭23)而產(chǎn)生。機械振蕩信號(箭頭57)可以其各種波形特性(在振蕩方向和振幅以及頻率/波長方面)來說明。如文中所使用的，功率控制信號(箭頭23)和機械振蕩信號(箭頭57)被看作是內(nèi)部控制信號一即由圖1中所示系統(tǒng)10產(chǎn)生且在系統(tǒng)10內(nèi)部的信號。
[0036]圖1的振動焊接系統(tǒng)10還可包括如下文中所說明的適用于放大振動幅值和/或改變所施加的夾持力(箭頭59)的方向的增強器16。也就是說，機械振蕩信號(箭頭57)可以初始地具有相對較小的幅值(例如不到I微米至數(shù)毫米)，然后能夠由增強器16放大以產(chǎn)生所需的機械振蕩。所述機械振蕩信號(箭頭57)又被傳送至焊極18的一個或多個焊接頭118。
[0037]焊接頭118是焊接系統(tǒng)10中的實際的振動或振蕩設(shè)備，用于與施加的夾持力(箭頭59)相結(jié)合而形成振動焊接結(jié)合部。夾持力(箭頭59)可以由外部機構(gòu)施加，在圖1的實施例中所述外部機構(gòu)構(gòu)造為伺服設(shè)備20，例如是電動馬達或具有快速響應(yīng)時間的其他伺服控制設(shè)備。在多個工件22的每個之間的焊接界面17附近形成焊接結(jié)合部。如本領(lǐng)域中公知的，通過改變焊極18發(fā)射出的振蕩的方向，系統(tǒng)10可用于焊接或結(jié)合金屬或熱塑性塑料。也就是說，對于熱塑性塑料，由焊極18發(fā)射出的振蕩將垂直于被焊接表面，而對于金屬，所述方向可大體上與被焊接表面相切。
[0038]還是參見圖1，每個焊接頭118可直接附接至一個或多個焊接尖端21 (即焊接頭的、在沿著焊接界面或在焊接界面處形成焊接結(jié)合部期間與工件22的表面實際接觸的表面)或與之一體形成，根據(jù)工件的性質(zhì)所述焊接界面可以由一個或多個界面組成。焊接尖端21可設(shè)置成具有紋理或構(gòu)造為包括軋花、齒和/或其它摩擦圖案或結(jié)構(gòu)，以便在工件22上提供足夠的夾持力。工件22能夠是多層的層疊件，即具有多個層，且層數(shù)并非意在限制于圖2所示的數(shù)量。為了進一步利于振動焊接過程，可將一個或多個工件22定位在固定表面或焊接砧24上。盡管圖1為了簡單起見沒有示出，但是如本領(lǐng)域中公知的，砧24也可包括類似的軋花、齒和/或其它摩擦圖案或結(jié)構(gòu)，以在工件22上提供足夠的夾持力。
[0039]在本發(fā)明的范圍內(nèi)，相對于焊接界面17定位的傳感器25測量、感測或以其他方式采集一組外部傳感數(shù)據(jù)11，且所述傳感數(shù)據(jù)被傳送至主機26。主機26可訪問先前確認(rèn)的焊接標(biāo)識和/或其特征組的存儲庫30，并且適于執(zhí)行下面結(jié)合圖6說明的方法100，以實時地評測當(dāng)前焊接的質(zhì)量。盡管為了清楚起見，主機26在圖1中示出為與焊接控制器112分開，但是所述主機和焊接控制器可集成到單個設(shè)備中，或者各種元件可分布在各種不同設(shè)備中，而不脫離本發(fā)明的預(yù)期保護范圍。
[0040]仍然參見圖1，主機26從基于傳感數(shù)據(jù)11形成的焊接標(biāo)識中提取選定的特征組，并且將所提取的特征組與確認(rèn)的存儲庫30進行比較和聯(lián)系。此后，如下文參考圖5所說明的那樣，主機26能夠執(zhí)行一個或多個控制動作(例如，致動指示器設(shè)備19或者根據(jù)需要通過控制信號15以開環(huán)或閉環(huán)方式修改各種控制參數(shù))。
[0041]存儲庫30是經(jīng)確認(rèn)的整體焊接標(biāo)識和/或其提取特征組(例如限定整體焊接標(biāo)識的一部分的各種成對或成組的選定焊接參數(shù))的集合。存儲庫30中的數(shù)據(jù)可以在一組試樣焊接形成期間被收集，所述一組試樣焊接作為確認(rèn)過程的一部分在后期被測試，例如，通過對多個試樣或測試焊接中的焊點進行離線電阻測試和/或拉伸強度測試。存儲庫30可留存在主機26的內(nèi)存中或者設(shè)置成能夠由所述主機根據(jù)需要容易地訪問。
[0042]主機26可構(gòu)造為具有下述組成部分的數(shù)字計算機:微處理器或中央處理單元，只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPR0M)、高速時鐘、模-數(shù)(A/D)和數(shù)-模(D/A)轉(zhuǎn)換電路、以及輸入/輸出電路和設(shè)備(I/O)、以及適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)制和緩沖電路。包括實施如下文結(jié)合圖5說明的方法100的任何指令或編碼的、駐留在主機26中或可由其訪問的任何算法，能夠存儲在實體計算機可讀介質(zhì)上且能夠自動地執(zhí)行以提供所需功能。
[0043]還是參見圖1，傳感器25定位為緊鄰焊接界面17，即在被形成的焊點或焊接結(jié)合部處或其附近的臨界點處，以精確地測量傳感數(shù)據(jù)11。在一個實施例中，傳感器25可包括適于測量溫度讀數(shù)(作為傳感數(shù)據(jù)11的一部分)的熱偶傳感器。該實施例的具體構(gòu)造在圖2中示出并將在下文中說明。
[0044]可相對于界面17定位附加的傳感器125，以采集類似的傳感數(shù)據(jù)111，其實際位置取決于傳感器的具體功能和結(jié)構(gòu)。此種傳感器125可包括適于測量動態(tài)電阻(例如，在形成焊接結(jié)合部期間工件22與焊接頭118或焊極18之間的動態(tài)電阻)的傳感器，和/或在焊接結(jié)合部形成期間測量焊極和/或焊接頭的位移的傳感器，例如現(xiàn)有技術(shù)中已知類型的基于線性可變差動轉(zhuǎn)換器(LVDT)的傳感器。
[0045]傳感器125還可包括但不限于測壓元件、激光裝置、聲敏傳感器、聲發(fā)射傳感器、熱成像相機等。用于圖1中的焊接系統(tǒng)10的各種傳感器25、125可以改變而不脫離本發(fā)明的預(yù)期保護范圍，且收集的成組傳感數(shù)據(jù)11、111傳遞至主機26。通過執(zhí)行本發(fā)明的方法100，主機26自動地比較且關(guān)聯(lián)來自使用傳感數(shù)據(jù)11、111以及根據(jù)需要使用任何內(nèi)部控制數(shù)據(jù)(例如功率控制信號(箭頭23)和機械振蕩信號(箭頭57))而構(gòu)造的焊接標(biāo)識的特征組，以實時地監(jiān)測和/或控制焊接系統(tǒng)100。更精確地，使用焊接系統(tǒng)10形成的焊接能夠在它們動態(tài)形成期間被自動地監(jiān)測，而無需將工件22移動至不同的監(jiān)測站。
[0046]參見圖2，在一個可能的實施例中，圖1的砧24可以被特別地適配成用于與上文描述的一個或多個傳感器25 —起使用。例如，砧24可以在所述砧的實心壁31中限定孔或孔洞29。還可在砧24中設(shè)置螺栓孔27，以接收一組緊固件(未示出)，并因此將所述砧固定至固定表面35，使得砧在振動焊接過程期間保持固定。傳感器25可緊鄰圖1中示出的焊接界面17而插入孔29中。當(dāng)傳感器25構(gòu)造為適于直接測量作為傳感數(shù)據(jù)11的一部分的界面17處的溫度時，此種定位是特別有用的。
[0047]在另一實施例中，砧24可被分段，如線60、62和64所大體指示的那樣。熱電偶或上文提及的任何其它傳感器可以插在結(jié)合在合適位置的相鄰段之間，并且所述段被結(jié)合或夾持在一起以形成砧24。此種方案將有助于減輕相對于工件22和界面17將傳感器25精確定位在孔29內(nèi)的難度。
[0048]可對被形成的每個焊點或焊接結(jié)合部設(shè)置一個傳感器25。在圖2的圖示實施例中，砧24包含適于接納三個傳感器(即圖1的傳感器25)的三個孔29，使得所述傳感器嵌入在砧的壁31內(nèi)。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到:其它位置以及其它傳感器類型是可能的，而不會脫離本發(fā)明的預(yù)期保護范圍。例如，傳感器25可包括定位在界面17附近且位于砧24之外的熱成像相機。給定傳感器25、125距離界面17的實際位置和距離可根據(jù)給定傳感器的設(shè)計和絕緣特性而變化。
[0049]參見圖3，根據(jù)再一個實施例，焊接頭218可用于形成焊點，所述焊點將工件122焊接在一起，其中工件122具體為電元件，在此表示為多單元電池34，但是在本發(fā)明的范圍內(nèi)也可以使用其它電元件。電池34包括一組導(dǎo)電片138、238以及長形互連構(gòu)件85。為了清楚起見焊極18以及圖1的焊接系統(tǒng)10的其余部分被省略。互連構(gòu)件85可以由適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料制造，并且其形狀、尺寸和/或其它特征可以構(gòu)造為形成軌道或總線條，并且安裝至電池34的互連板(未示出)。為了簡單，在圖3中僅示出電池34的在虛擬平面37上方延伸的部分。
[0050]電池34的潛在用途包括但不限于混合動力車(HEV)、電動車(EV)、插電式混合電動車(PHEV)等中的推進器和為各種車載電設(shè)備進行供電。作為示例，取決于所需的應(yīng)用，電池34能夠有足夠的尺寸以便提供所需的電壓(例如大約300至400伏特或其它電壓范圍)來對電動車或混合汽油/電力車供電。
[0051 ] 電池34可包括多個電池單元，每個電池單元具有正電荷端子或片238和負(fù)電荷端子或片138。正電和負(fù)電的具體片238、138可以與圖3中所示構(gòu)造相反，而不脫離本發(fā)明的預(yù)期保護范圍，即片238接負(fù)極，片138接正極。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的那樣，不論其相應(yīng)的極性，片138、238是電池單元的電極延伸部，并且每個都從內(nèi)部焊接至構(gòu)成具體電池單元的各種陽極和陰極。
[0052]參見圖4，在執(zhí)行方法100以便在振動焊接過程期間監(jiān)測焊接結(jié)合部和/或控制焊接系統(tǒng)10時，圖1中示出的主機26使用傳感數(shù)據(jù)11、111自動地建立整體焊接標(biāo)識并且從焊接標(biāo)識中提取選定的特征組。如上所述，整體焊接標(biāo)識由多種不同的焊接參數(shù)構(gòu)成。然后主機26用任何可用的和相關(guān)的內(nèi)部控制數(shù)據(jù)(例如功率控制信號(圖1的箭頭23)和振蕩信號(圖1的箭頭57))將所提取的特征組與存儲庫30比較和關(guān)聯(lián)。在一個實施例中，此種特征組提取和關(guān)聯(lián)可以使用下述計算方法，諸如有限元分析、微分方程、回歸分析、加權(quán)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析、優(yōu)化算法、統(tǒng)計測量和分類系統(tǒng)等。
[0053]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實施例在圖4中示出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供信息處理范例。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40可以實時地關(guān)注可檢測或可測量焊接過程變量(包括上述傳感數(shù)據(jù)11、111)的預(yù)定的全部或組合組。然后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40可以判定或識別:在由傳感數(shù)據(jù)11和111集合限定的整體焊接標(biāo)識中，或者在此種焊接標(biāo)識的被提取特征組中是否存在特定圖案，根據(jù)預(yù)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)組，判定結(jié)果是:(I)可接受的、良好的、或通過的；或者(2)不可接受的、差的、或失敗的。
[0054]如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(諸如圖4中所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40)可用于預(yù)測特定結(jié)果和/或用于識別由不完美、不精確、和/或相對復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)組表示的圖案。例如，此種輸入數(shù)據(jù)可以由上述傳感信號11和/或111以及諸如來自圖1的功率源12的焊接電壓和/或電流值的任何內(nèi)部信號、夾持力(箭頭39)、環(huán)境溫度等組成。
[0055]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40可以被編程或存儲在圖1的主機26中，或者可以由主機26訪問，并且能夠由方法100使用，以精確地預(yù)測、分類或以其他方式識別所采集的傳感數(shù)據(jù)11中的圖案并在形成焊點/焊接結(jié)合部期間產(chǎn)生輸出信號(箭頭90)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40可包括至少一個輸入層50，輸入層50具有多個不同的輸入神經(jīng)元或節(jié)點51，每個所述神經(jīng)元或節(jié)點51構(gòu)造成接收來自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40的外部的數(shù)據(jù)、測量結(jié)果、和/或其它預(yù)定信息。該信息或輸入組45可包括但不限于界面17處的測得溫度61、在圖1的砧24和焊極18之間測出的動態(tài)電阻63、以及工件22的位移65。至少一個附加輸入節(jié)點51可構(gòu)造成根據(jù)需要接收由變量67表示的工件的附加輸入數(shù)據(jù)、測量結(jié)果或其它處理信息。例如，輸入變量67可對應(yīng)于來自上述傳感器125之一的測量結(jié)果，例如紅外相機測量結(jié)果、聲學(xué)測量結(jié)果等。
[0056]仍然參見圖4，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40進一步包括至少一個“隱藏”層52，隱藏層52包含多個隱藏神經(jīng)元或隱藏節(jié)點53，每個隱藏神經(jīng)元或隱藏節(jié)點53各自以特定方式接收和傳遞從輸入層50的輸入節(jié)點51輸出的信息,且隱藏節(jié)點將被處理的信息傳遞至一個或多個附加隱藏層(未示出)(如果使用的話)的其它神經(jīng)元或節(jié)點，或直接傳遞至輸出層54。輸出層54類似地包含至少一個輸出神經(jīng)元或輸出節(jié)點55，所述輸出神經(jīng)元或輸出節(jié)點55將信息傳送或發(fā)送至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40外，諸如傳送至指示器設(shè)備19 (見圖1)，和/或發(fā)送至如由方法100所確定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，下文將參考圖5對此進行說明。節(jié)點53和55可包含線性的、S形的或處理輸入組45的其它傳送功能，例如通過給輸入組中的不同值分配特定的重要性或權(quán)重，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所能理解。
[0057]在執(zhí)行關(guān)聯(lián)操作之后，也就是說，在主機26使用上述提取特征組或整體焊接標(biāo)識預(yù)測或判定焊接質(zhì)量之后，所述主機可響應(yīng)于判定結(jié)果執(zhí)行控制動作。這可包括激活圖1的指示器設(shè)備19 (諸如聲音和/或視頻顯示盤、信號燈、人機交互面板等)，臨時地中斷焊接過程、發(fā)送信息等。其它適當(dāng)?shù)目刂苿幼骺砂?對于焊接過程實時地執(zhí)行開環(huán)或閉環(huán)控制以快速地改變一些內(nèi)部控制變量，例如功率控制信號(箭頭23)和/或振蕩信號(箭頭57)、或其它內(nèi)部信號。諸如圖1的伺服設(shè)備20的伺服控制的使用，可以在需要此種過程控制時優(yōu)化響應(yīng)時間。存儲庫30可預(yù)先加載整體焊接標(biāo)識和/或其確認(rèn)特征組的已知通過和失敗的圖案，且主機26在關(guān)聯(lián)期間自動地參考存儲庫。
[0058]參見圖5，并參考圖1的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的方法100以步驟102開始，在步驟102中，開始振動焊接過程。步驟102包括任何所需的定位和預(yù)備步驟，諸如將工件22放置在砧24上，以及用焊接系統(tǒng)10啟動振動焊接過程。然后方法100進行到步驟104。
[0059]在步驟104處，傳感器25、125分別采集傳感數(shù)據(jù)11、111，并且將所述傳感數(shù)據(jù)傳送或中轉(zhuǎn)至主機26。一旦主機26接收了數(shù)據(jù)，方法100便進行至步驟106，在步驟106中主機使用上述任何方法將傳感數(shù)據(jù)11、111與存儲庫30的內(nèi)容相關(guān)聯(lián)。
[0060]簡要地參見圖6，對三個不同的焊點提供圖70，其中針對被測量的特定焊接屬性(例如溫度或位移，即橫軸82)繪制焊接質(zhì)量(縱軸80)。數(shù)據(jù)點71、73和75每個都表示給定焊接結(jié)合部的屬性及其質(zhì)量的測量值，例如拉伸強度。如本領(lǐng)域所理解的，回歸分析一例如最小方差可用以確定關(guān)聯(lián)系數(shù)R，并且得到R2值，以及最適合的線，即線72、74和76。
[0061]圖70表示給定焊接質(zhì)量和焊接屬性之間的關(guān)系并非必然是線性的，或者所述關(guān)系對于一部分范圍可以是線性的，而在其它部分是非線性的。例如，如果所述屬性是焊接溫度且所述質(zhì)量是拉伸強度，那么溫度向一個點的增加可導(dǎo)致強度的增加。溫度的進一步增加只會有很小量地影響，或者會降低焊接強度。因此，對于一些焊接屬性而言需要保持硬性的低的和高的閾值限制，且此種限制存儲為校準(zhǔn)值，并且在執(zhí)行方法100期間進行參考。不論使用哪種關(guān)聯(lián)技術(shù)，一旦步驟106完成，方法100就進行到步驟108。
[0062]在步驟108處，主機26判定當(dāng)前正在形成的焊點/焊接結(jié)合部的質(zhì)量。如果主機26判定由傳感數(shù)據(jù)11、111限定的焊接標(biāo)識或從其提取的當(dāng)前特征組對應(yīng)于不可接受的焊接，那么方法100進行至步驟110，否則所述方法完成，或者可選地所述方法可進行至步驟109。
[0063]在步驟109處，通過步驟108預(yù)測出的良好的或通過的焊接可添加至存儲庫30。例如通過向圖4的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40或者其他任何可能的關(guān)聯(lián)技術(shù)提供被比較的其它焊接標(biāo)識，此步驟有助于優(yōu)化方法100的預(yù)測精確度。替代地，由傳感數(shù)據(jù)11、111限定的焊接標(biāo)識可被識別而用于未來的確認(rèn)，并且僅在基于校準(zhǔn)的質(zhì)量衡量標(biāo)準(zhǔn)被獨立地確認(rèn)之后被添加至存儲庫30。
[0064]在步驟110處，主機26可自動地執(zhí)行一個或多個如上所述的控制動作，例如激活指示器設(shè)備19、暫時停止焊接過程、發(fā)送消息、對焊接過程執(zhí)行開環(huán)或閉環(huán)控制等。然后方法100結(jié)束。
[0065]盡管已經(jīng)詳細(xì)說明了實施本發(fā)明的最佳模式，但是熟悉本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的、用于實施本發(fā)明的各種替代設(shè)計和實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在振動焊接過程期間監(jiān)測和控制振動焊接系統(tǒng)的方法，所述振動焊接系統(tǒng)構(gòu)造為使用高頻機械振動在工件的焊接界面處形成焊接結(jié)合部，所述方法包括: 使用相對于所述焊接界面定位的多個傳感器采集所述焊接結(jié)合部形成期間的一組傳感數(shù)據(jù)，包括測量所述焊接系統(tǒng)的溫度、動態(tài)電阻，聲信號和位移； 使用所采集的所述一組傳感數(shù)據(jù)形成整體焊接標(biāo)識，其中所述整體焊接標(biāo)識由形成所采集的所述一組傳感數(shù)據(jù)的多個不同焊接參數(shù)限定； 使用主機從所述整體焊接標(biāo)識中提取當(dāng)前特征組，其中所提取的當(dāng)前特征組是所述多個不同焊接參數(shù)的組合編組； 在所述焊接結(jié)合部形成期間實 時地通過所述主機將所提取的當(dāng)前特征組與存儲庫中容納的已確認(rèn)信息進行比較和關(guān)聯(lián)，從而識別所述組合編組中的圖案；以及 在所提取的當(dāng)前特征組中的識別圖案與所述存儲庫中的信息匹配不充分時，執(zhí)行控制動作。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個傳感器中的至少一個是至少部分地處在用于支撐所述工件的焊接砧內(nèi)的溫度傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述焊接系統(tǒng)包括具有壁的砧，所述壁限定至少一個孔，所述砧在緊鄰所述焊接界面的位置處具有多個段，并且其中所述多個傳感器中的至少一個定位在所述孔內(nèi)或者介于所述多個段中的相鄰段之間。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用主機從所述整體焊接標(biāo)識中提取當(dāng)前特征組包括使用下述方法中的至少一種:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元分析、統(tǒng)計回歸分析和主成分分析。
5.一種焊接系統(tǒng)，其構(gòu)造成在振動焊接過程期間使用高頻機械振動在工件的焊接界面處形成焊接結(jié)合部，所述焊接系統(tǒng)包括: 多個傳感器，其相對于所述焊接界面定位，并且能夠采集一組傳感數(shù)據(jù)；
石占; 定位成鄰近于所述砧并且構(gòu)造為在所述振動焊接過程期間振動的焊極，其中所述一組傳感數(shù)據(jù)包括所述焊接系統(tǒng)的溫度、所述砧和所述焊極之間的動態(tài)電阻、所述焊接系統(tǒng)的聲信號和位移； 主機，其能夠訪問經(jīng)確認(rèn)信息的存儲庫； 其中，所述主機構(gòu)造成用于執(zhí)行下列操作: 從使用所述一組傳感數(shù)據(jù)形成的整體焊接標(biāo)識中提取當(dāng)前特征組，其中所述當(dāng)前特征組是來自所述一組傳感數(shù)據(jù)的多個焊接參數(shù)的組合編組； 在所述焊接結(jié)合部形成期間實時地將所提取的當(dāng)前特征組與所述存儲庫中容納的已確認(rèn)信息進行比較和關(guān)聯(lián)，從而識別所述當(dāng)前特征組的組合編組中的圖案；以及 在所提取的當(dāng)前特征組中的圖案與所述存儲庫中的信息匹配不充分時，執(zhí)行控制動作。
6.如權(quán)利要求5所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述主機適于通過下述動作中的至少一個來執(zhí)行至少一個控制動作:改變所述焊接系統(tǒng)的控制參數(shù)；激活指示器設(shè)備；以及臨時停止所述振動焊接過程。
7.如權(quán)利要求5所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述砧包括壁，所述壁限定緊鄰所述焊接界面的孔，并且其中所述多個傳感器中的至少一個定位在所述孔內(nèi)。
8.如權(quán)利要求5所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述主機構(gòu)造成使用主成分分析來提取所述當(dāng)前特 征組。
【文檔編號】B29C65/08GK104070286SQ201410241958
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2009年11月9日
【發(fā)明者】W.W.蔡, J.A.阿貝爾, J.C.H.唐, M.A.溫塞克, P.J.布爾, P.F.斯帕徹爾, S.胡 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司, 密執(zhí)安大學(xué)評議會