使用具有延迟运动的伺服电机的超声波压力机

摘要

一种超声波焊接系统包括：运动控制系统，其与所述超声波焊接组套连接，并根据基于从一个或多个传感器接收的一个或多个控制信号的控制输入引起所述超声波焊接组套的受控移动。运动控制系统启动焊接操作，随后发生初始运动延迟，直到预定条件被满足。随后，响应于预定条件被满足，使超声波焊接组套根据焊接配置移动。随后，响应于预定延迟启动条件的发生，使超声波焊接组套停止运动并且保持固定位置。随后，响应于预定延迟终止条件的发生，恢复超声波焊接组套的根据焊接配置的运动。

说明书

技术领域

本发明大体涉及在超声波焊接中或在其它用于塑料部件的振动接合的系统中使用的压力机。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，超声波焊接系统包括：超声波焊接组套，其能够响应于控制输入进行移动以通过将振动能量施加至工件来启动焊接操作。该系统还包括一个或多个传感器以测量至少一个控制变量并输出与至少一个控制变量相对应的控制信号。该系统还包括运动控制系统，其与超声波焊接组套连接并使超声波焊接组套进行受控移动。运动控制系统响应于基于从一个或多个传感器接收的一个或多个控制信号的控制输入。运动控制系统包括启动焊接操作，并且在焊接操作启动之后，使超声波焊接组套的任何运动受到初始延迟，直到一个或多个控制信号指示各控制变量满足预定条件。运动控制系统还包括在初始延迟之后并响应于预定条件被满足，使超声波焊接组套根据焊接配置移动。在超声波焊接组套根据焊接配置移动之后，响应于预定延迟启动条件的发生，运动控制系统使超声波焊接组套停止运动并保持固定位置。响应于预定延迟终止条件的发生，运动控制系统使超声波焊接组套恢复根据焊接配置的运动。

在本发明的另一个方面中，焊接操作的方法包括通过响应于控制输入使移动超声波焊接组套移动以将振动能量施加至工件来启动焊接操作，并且经由一个或多个传感器测量至少一个控制变量并输出相应的控制信号。该方法还包括经由运动控制系统使超声波焊接组套进行受控移动，并且经由运动控制系统响应于基于从一个或多个传感器接收的一个或多个控制信号的控制输入。该方法还包括在焊接操作启动之后，经由运动控制系统使超声波焊接组套的任何运动受到，一直到一个或多个控制信号指示各控制变量满足预定条件。在初始延迟之后并响应于预定条件被满足，运动控制系统使超声波焊接组套根据焊接配置移动。在超声波焊接组套根据焊接配置移动之后，响应于预定延迟启动条件的发生，运动控制系统使超声波焊接组套停止运动并保持固定位置。响应于预定延迟终止条件的发生，运动控制系统使超声波焊接组套恢复根据焊接配置的运动。

在本发明的另外一个方面中，超声波焊接系统包括超声波焊接组套，其被安装成进行线性移动并向第一工件施加受控的力、速度或力和速度的组合，以朝着待与第一工件结合的第二工件推压第一工件。电动线性致动器包括与超声波焊接组套连接的可移动元件，响应于控制输入，电动线性致动器使可移动元件和超声波焊接组套按照受控的力和速度中的一者或多者移动。控制器将控制输入提供至电动线性致动器或伺服电机中的至少一者以控制电动线性致动器或伺服电机的输出。至少一个传感器测量至少一个相应的控制变量并且将与控制变量相对应的信号输出至控制器。在任意的先前焊接运动之后，从预定延迟启动条件开始一直到预定延迟终止条件，控制器基于由至少一个传感器输出的信号使电动线性致动器可移动元件停止运动并保持固定位置。基于由至少一个传感器输出的指示预定延迟终止条件被满足的信号，控制器进一步使电动线性致动器恢复超声波焊接组套的根据默认焊接配置或从多个可用焊接配置选择的焊接配置的运动。

鉴于参照附图的各种实施例的详细说明，发明的其它方面对于本领域普通技术人员将是显而易见的，下面提供了附图的简要说明。

附图说明

参考以下优选实施例的说明并参照附图将更佳地理解本发明，其中，

图1是超声波焊接机的前视立体图；

图2是图1示出的包括线性致动器的超声波焊接机的一部分的放大侧面立体图，其中，壳体壁的各个部分被剖开以显露内部结构。

图3是图2的变形，其示出了代替伺服电机驱动型致动器的线性电机驱动。

图4是图2的变形，其示出了用于力反馈(forcefeedback)的测力传感器(loadcell)。

图5是图1示出的超声波焊接机中的超声波“组套(stack)”的分解立体图。

图6是图5的变形，其示出了保持被朝着接触杆按压的弹簧加载接触按钮。

图7是图1-图4示出的超声波焊接机中使用的线性致动器的控制系统的一个实施例的框图。

图8是图4示出的超声波焊接机中使用的线性致动器的控制系统的一个实施例的框图。

图9针对根据本方面的至少一个方面的使用伺服压力机并采用延迟运动技术形成的焊接样品示出了距离与时间的关系曲线。

图10针对图9中提到的样品中的焊接示出了力与时间的关系曲线。

图11针对图9中提到的样品中的焊接的被输出至焊接组套的换能器的功率示出了功率与时间的关系曲线。

图12针对延迟焊接运动示出了随时间绘制的相应的距离、力以及力变化速率的曲线的示例。

图13针对延迟焊接运动示出了随时间绘制的相应的距离、力以及超声波振幅的曲线的另一个示例。

图14针对具有两个运动延迟阶段的焊接运动示出了随时间绘制的相应的距离以及力的曲线的另一个示例。

图15针对不具有动态速度调节的焊接(a)和具有动态速度调节的焊接(b)示出了随时间绘制的相应的速度、力以及力变化速率的曲线的另一个示例。

图16针对不具有动态速度调节的焊接(a)和具有动态速度调节的焊接(b)示出了随时间绘制的相应的速度和力的曲线的另一个示例。

图17针对速度与超声波振幅成正比地增加的焊接示出了随时间绘制的相应的超声波振幅和速度的曲线的另一个示例。

具体实施方式

虽然结合某些优选实施例对发明进行了说明，但是应当理解，发明并不局限于那些特定实施例。相反，发明旨在覆盖可以包括在由随附的权利要求限定的发明的精神和范围内的所有替换、变形以及等效布置。

下面转向附图，并首先参照图1至图6，例示的超声波焊接机包括超声波焊接“组套”10，超声波焊接“组套”被安装成通过双向的、电动的线性致动器11(图2)进行受控的垂直移动。下面将结合图5和图6更详细地说明组套10。致动器11被安装在主壳体12内，主壳体还支撑辅助壳体13，辅助壳体13包含用于焊接压力机的电源和电子控制部。在该发明的变形中，壳体12和辅助壳体13可以组合成一个结构，而不会实质上影响本发明的主旨。待焊接的热塑工件W1和W2(图5)被安装在超声波焊接组套10下方的固定的夹具中，并且致动器11使组套10朝着上部工件W1向下前进。组套10的下端被朝着工件W1向下按压，以朝着下部工件W2按压上部工件W1，同时向工件W1施加机械振动以实现用于将两个工件W1和W2结合在一起的期望焊接。

主壳体12被安装在框架上，框架包括从底座15向上延伸的垂直柱14，且底座15承载用于接收和支撑待焊接的工件的夹具。壳体12通常按照能够调节的方式被安装在柱14上，以允许针对不同工件调节整个壳体12的垂直位置。控制面板16被设置在底座15的前部。

超声波焊接组套10包括以下三个部件(参见图5和图6)：

·机电换能器20，其将电能转换成机械振动；

·增强器21，其用于改变由换能器20产生的机械振动的增益(即，输出振幅)；及

·传声器22，其将来自增强器21的机械振动传递至待焊接的部件。

如图5所示，换能器20包括用于连接高压同轴电缆24的连接器23，高压同轴电缆24传送用于激励换能器20的高频电信号。该信号由单独的超声波信号发生器(未示出)提供。还可以使用替代的连接方法，以允许更容易地拆卸和安装换能器。图6所示的方法使用换能器20上的安装有弹簧的按钮，该按钮接触压力机上的导电杆。随着朝着杆按压按钮，按钮后方的弹簧力保证了导电性。

作为用于将电能转换成机械移动的郎之万(Langevin)压电转换器，换能器20产生超声波振动。被施加至换能器20的功率的范围可以是普通频率20kHz下从小于50瓦至高达5000瓦。应当注意，对于本发明的焊接工艺中经常使用的其它频率和功率电平的换能器，也存在相同的概念。

换能器20通常由被薄金属板分离并在高压力下被夹在一起的多个标准压电陶瓷元件制成。当将交流电压施加至陶瓷元件时，产生相应的电场，这导致陶瓷元件厚度的变化。该厚度变化引起通过材料进行传播并且被换能器的金属块的端部反射的压力波。当将组件的长度调谐到其频率激励时，组件发生谐振，并成为驻波源。20kHz换能器的输出振幅通常约为20微米(0.0008英寸)。该振幅需要通过增强器21和传声器22进行放大以在部件W1和W2上做有用功。增强器和传声器充当声学波导或转换器以将超声波振动放大并将其集中在工件上。

增强器21的主要功能是改变组套10的增益(即，输出振幅)。如果增强器增益大于1，则增强器进行放大，并且如果其增益小于1，则增强器进行缩小。20kHz处的增益的范围通常从小于0.5到大约3。

传声器22由于其必须进行自由振动而通常不能被夹紧，并且因而仅换能器20和增强器21被固定。因此，增强器的次要功能(并且有时是唯一目的)是当被固定在压力机中时在不改变组套的放大倍数的情况下提供额外的安装位置。通过位于波节点(nodalpoint)处(在此处，驻波具有最小的纵向振幅)的安装环将中性增压器或耦合增压器添加在换能器和传声器之间并安装在压力机中。

传声器22具有三个主要功能，即为：

·它通过直接的物理接触将(来源于换能器20的)超声波机械振动能量传送到热塑工件(W1和W2)，并且使能量局部化在将发生熔化的区域中；

·它放大振动振幅以针对热塑工件和焊接工艺要求提供期望的末端振幅；并且

·在接合表面熔化时，它施加必要的压力来强迫焊接。

传声器是精密加工的并且通常被设计成以15kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz或70kHz进行振动。频率越高，声学波长越短，并且因此传声器越小。通常使用电子频率测量来完成传声器的调谐。传声器通常由高强度的铝合金或钛制造，高强度的铝合金和钛二者均具有良好的声学特性，从而几乎没有衰减地传播超声波能量。

根据工艺要求，存在多个不同的传声器形状和样式。影响传声器设计的因素为待焊接的材料和组装方法。传声器必须将机械振动放大成使得振幅足以在各个热塑工件的界面处将热塑工件熔化，并且传声器的增益由其配置确定。传声器末端处的振幅的峰间值(peaktopeak)的范围通常在20kHz处为30至125微米(一英寸的千分之1.2至千分之5.0)。在替代变形中，传声器可以被设计成使得其采取增强器的形式并结合有稳定功能和焊接功能。在该变形中，省略了增强器，并且传声器在增强器安装环区域的位置处被固定在压力机中。

随着频率增加，振动振幅降低。使用较高的频率对无需许多振幅的薄材料和精密部件进行接缝。由于在较高频率下传声器变得更小，因此可以实现更近的间隔。

塑料焊接是超声波组装的最常见应用。为了进行超声波塑料焊接，如图5所示，使传声器的末端与上部工件W1接触。施加压力并且通过上部工件传播超声波能量，这增加了两个工件的接触点处的动能(或热量)。该热量使一个工件上的塑料的模塑脊熔化，并且熔融的材料在两个表面之间流动。当振动停止时，材料固化以形成永久性结合。

线性致动器11包括与用于将电机30的转动输出转换成线性运动的转换器31集成的电动伺服电机30。转换器通常是与电机输出轴30a连接的导螺杆，转换器具有沿着导螺杆的螺纹行进以产生期望的线性输出的随动单元。在说明性的实施例中，线性输出是用于将转换器31连接至组套10的杆31a的受控垂直移动。包含伺服电机30和转换器31二者的集成单元为诸如明尼苏达州查哈森的Exlar公司销售的GSM或GSX系列线性致动器之类的市售产品。还参见被转让给Exlar公司的美国专利第5,557,154号。伺服电机使用的线性位置反馈可以通过与焊接组套10连接的线性编码器提供，或通过用于感测转动电机30的位置的旋转编码器提供。

如图2和图4所示，致动器杆31a沿垂直轴线性地移动。杆31的下端连接至如下部件，这些部件包括与超声波焊接组套10接合的托架(carriage)。致动器11的用途在于向组套10施加受控的力、速度或力和速度的组合，以朝着工件W1向下按压组套，同时组套也将机械振动传送至工件。杆31a的线性移动是另一个可控变量。例如，尤其是在工件的热塑材料被充分软化之后，杆31a的线性移动可以被控制成用于控制焊接深度，以便完成期望的焊接。在通过施加的振动能量将热塑材料软化之后，杆31a的过量前进会产生过薄的焊接，因此，该焊接会过于脆弱。同样地，根据下文披露的概念，可以诸如通过将杆31a保持在零点或零点附近之类的方式来延迟杆31a的初始线性移动，直到工件的热塑材料的软化使初始施加的力降低至预定阈值水平之下。

图3示出了通过使用直接驱动线性伺服滑轨来驱动焊接组套的替代方法。这些滑轨减少了由齿轮间隙(gearbacklash)引起的误差并为推动螺丝收卷装置。直接驱动线性伺服电机38作用于组套组件10。该线性驱动伺服电机是电机30和转换器31的组合。这种驱动器是来自多个供应商的诸如ParkerTrilogy410系列之类的市售产品。例如，位置反馈36直接由例如使用与电机轴直接连接的编码器或分解器(resolver)的线性电机提供。为了在垂直构造中使用线性伺服电机，需要单独的电气制动器37以避免在电力关闭的条件下焊接组套10在其自身重量作用下落下。

图7图示了用于线性致动器11的控制系统。力控制回路包括扭矩传感器32，扭矩传感器32连接到电气伺服电机30的转动输出轴30a，以产生与电机30的扭矩输出的大小相关的电信号。该扭矩信号在常规的信号调节电路33中受到处理，并且接着被提供至运动控制器34，运动控制器34用于从功率源35接收功率并控制经由驱动放大器34a被提供至电机30的电流。因此，扭矩传感器32和信号调节电路33构成反馈回路，反馈回路控制电机30以使输出轴30a以期望的扭矩转动，这继而控制通过用于将电机30的转动输出转换成杆31a的线性运动的转换器31施加至组套10的力。该反馈回路能够通过控制由伺服电机产生的输出扭矩来控制在焊接操作期间被施加至工件的压力。

用于向控制系统提供力反馈的替代方法使用市售的测力传感器来代替电机驱动器自身上的扭矩控制。测力传感器40被布置成使得其可以测量由焊接组套施加在工件上的力。图4和图8图示该测力传感器。

为了控制杆31a的线性位移的大小，位置传感器36连接到杆31a，以产生与杆31a的垂直移动相关的电信号。例如，位置传感器36可以是用于产生多个与杆31a位移的大小成比例的电脉冲的编码器。该位置信号被提供至控制器34作为控制器34在控制被提供给电动机30的电流时使用的另一个参数。因此，位置传感器36是反馈回路的一部分，该反馈回路对电机30进行控制以便控制输出轴30a的角位移，继而控制杆31a的垂直移动的大小以及控制组套10的垂直移动的大小。组套10的实际位移必然是由电机30施加的力和由工件提供的阻力二者的函数，其随着焊接区被加热而变化，并使工件的热塑材料软化。

用于在焊接周期期间确定焊接组套的线性位置的替代方法是通过利用电机的编码器反馈实现的。图7中的项目41或图8中的项目36表示该反馈。该位置是电机位置以及与在传动系统(drivetrain)中使用的任何齿轮减速器组合的驱动螺杆螺母导程(crewnutlead)的函数。

除直接控制力、速度或力和速度的组合之外，运动控制系统34能够基于使用输入信号或来自外部控制装置42的信号的组合的任意算法来自动地即时改变力或速度。外部控制装置42可以是超声波发生器或向组套10提供功率和控制的控制器。它可以是与工件W1和W2连接或关联的控制器。在这些情况中，运动控制器34从外部装置42、信号调节器33和位置传感器36接收输入信号，并且在焊接和保持工艺期间产生力或速度的变化。例如，可以命令致动器自动地改变力或速度，以便使(由超声波发生器提供的)超声波功率输出保持恒定。作为第二示例，超声波换能器20可以向外部控制装置42提供与被施加至其上的力相关的反馈功率。该反馈功率将被用作用于影响运动控制器34以改变电机30和致动器杆31a的力或速度的外部控制装置的基础。由此形成与被施加至工件W1和W2的力和由位置传感器36和41中至少一者报告的实际焊接速度相关的闭合伺服-控制回路。

在此类型焊接系统中使用伺服-电控具有很多优点。主要优点是：与遭受由介质压缩性引起的不精确性的气动系统相比，由于电功率的可重复和受控的性质，在整个焊接工艺中能够精确地控制焊接组套的位置。第二优点是：使用伺服系统能够更快地将焊接组套的速度或力从一个水平变化为另一个水平。第三优点是：由于不存在任何气动控制，因此使用电动伺服会更容易地校准和验证焊接系统，由此也减少了在建立多个焊接系统以实现匹配性能时所需的工作。

还能够结合速度和力反馈的作用以控制焊接工艺。在其示例中，作为次级控制，监测并改变速度，以保持由伺服电机施加至该部件上的恒定力。在这种情况下，可以对最大和最小焊接速度进行定义，以确保所有部件具有明确定义的工艺参数包络(envelope)。在所定义的限值内改变由伺服电机施加的力以保持预定的速度配置(velocityprofile)的互补方法也可以适用于本设备以及本设计中固有的控制能力。作为一个示例，超声波焊接方法包括至少一个输入信号，该输入信号用于响应于被传送至换能器20的测量功率(例如，瞬时功率)来调节线性致动器的力或速度。在另一个示例中，超声波焊接方法包括至少一个输入信号，该输入信号用于响应于被传送至换能器20的累积功率(即，被传送至换能器的功率随时间不断相加以得到累积功率，并且该累积功率可以用作反馈回路中的参考)来调节线性致动器的力或速度。

图9根据本发明的至少一个方面的针对使用伺服压力机系统并采用延迟运动技术形成的聚碳酸酯焊接样品示出了距离与时间的关系曲线。图10针对图9中提到的样品中的焊接示出了力与时间的关系曲线。图11针对图9中提到的样品中的焊接的被输出至焊接组套的换能器的功率示出了功率与时间的关系曲线。在所描述的该测试性焊接样品中，可以实现如下特征：在将20磅的初始负载(“触发力”)施加至超声波焊接组套之后，将超声波焊接组套10的位移大致保持在零点处。应当注意，初始负载是可由操作者选择的可变负载，或者是可选地由控制系统通过输入适当焊接参数和处理信息而选择的可变负载，并且可以在零磅与使用的线性致动器的任意上限之间变化。在施加该初始负载之后，通过向超声波焊接组套10的换能器20供电来在0秒时间处启动焊接操作。此时，焊接塌陷距离(weldcollapsedistance)为0英寸。在大约0.080秒时间内，焊接距离保持在大约0英寸。

在此期间，超声波焊接组套10功率增加，并且焊接操作开始使焊接点处的工件的热塑材料软化。相应地，观察到力在约0.064秒时间处开始下降。此时，换能器20的功率为约275W(见图11)。在约0.064秒和约0.080秒之间，观察到由线性致动器11施加至超声波焊接组套10的力从约26磅下降至约9磅。直到此时，焊接距离保持在零点附近，并且线性致动器杆31a和超声波焊接组套10并不明显地前进。然而，如图9-11中的参数所示，在观察到力的降低超过所选择的预定阈值力(在本示例中为约17磅)之后，控制系统启动焊接组套的向下运动(例如，正的向下速度)，以根据选择的焊接工艺配置继续进行焊接工艺。

对通过由图9-11所述的焊接工艺产生的焊接样品进行测量，产生了0.0174英寸的塌陷高度(例如，未焊接部分和焊接部分之间的差异)，并接着进行拉伸测试，产生了1006磅的最终拉伸强度。在对本文所述的概念进行测试时，在类似条件(即，实施这里所述的延迟运动技术)下焊接统计学上显著数量的样品，并且产生了标准偏差为0.0001英寸的0.0172英寸的平均塌陷高度以及标准偏差为19磅的991磅拉伸强度。通过使用具有相同超声波焊接传声器和发生器的气动系统，对另一个组的相同焊接样品进行比较测试。在气动测试中，在“力”模式下操作超声波焊接组套，其中，通过控制气压来保持指定的焊接力，以在整个焊接中实现相当稳定的焊接力。通过比较可知，对由气动系统焊接工艺产生的统计学上显著数量的样品进行测量，产生了标准偏差为0.0005英寸的0.0182英寸的塌陷高度，并接着进行拉伸测试，产生了标准偏差为约31磅的1002磅的最终拉伸强度。

对于塌陷距离的一致性和拉强度重复性，实施延迟运动技术的伺服测试的结果优于气动测试的结果。此外，虽然拉伸强度的绝对平均值略高于气动系统，但是平均焊接塌陷距离也略高。由于这些样品采用本领域技术人员所熟知的剪切焊接接头设计，因此可以比较每单位焊接塌陷距离的平均拉力强度。与在气动系统上焊接的样品相比，在伺服系统上焊接的样品会产生更高的相对强度。平均值分别为每英寸焊接塌陷的57,700和55,200磅。

期望地，可通过在启动超声波焊接组套10的向下运动之前调节延迟量并且通过在焊接的整个剩余部分中调节速度配置，来获得焊接强度的进一步提高。进一步期望地，通过提高本技术中采用的力感测的准确性和重复性，来实现强度重复性的提高，这可以通过进一步降低感测电路中的电气和机械噪声来实现。

对于本领域的技术人员来说，本发明显然不局限于前述示出的实施例的细节，并且本发明可以在不背离其精神和本质属性的前提下包含其它具体形式。因此，本实施例在所有方面被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由随附权利要求指示而非前述说明，并且因此该范围旨在包括落入权利要求的等效物的意义和范围内所有变化。作为一个示例，尽管这里说明了在焊接操作的延迟运动阶段中将超声波焊接组套的焊接距离保持在零点或零点附近，但是可以优选地使用轻微的斜坡或任意轮廓。

作为另一个示例，根据本发明的至少某些方面，可能的是，所述致动器和相关的控制系统能够与第二工件W2结合实施，使得致动器使第二工件W2朝向与固定的焊接组套(即，除传声器2的振动移动之外是固定的)连接或相邻的固定的工件W1移动。接着，这里所述的控制系统通过向第二工件施加受控的力、速度或力和速度的组合来控制第二工件W2相对于第一工件W1的线性移动，其中电动线性致动器将第二工件朝着待与第二工件结合的第一工件推动。同样地，本发明的另一个潜在应用可以包括以下布置，在该布置中，第二工件W2被安装成邻近超声波焊接组套的传声器以及按照上述方式实施的所述致动器和相关的控制系统，以朝着与固定的焊接组套(即，除传声器2的振动移动之外是固定的)连接或相邻的固定的工件W2偏置第一工件W1。接着，这里所述的控制系统控制第一工件W1朝着第二工件W2的线性移动。还应当理解，尽管这里示出了可以以诸如从上方朝着固定的目标工件按压之类的特定方式施加力，但是其它变型也包含在本发明内，例如但不限于，以类似方式朝着固定的工件(例如，W2)拉动可移动工件(例如，W1)。

参照图12，示例示出了用于基于参数变化速率来启动焊接运动的新条件。如以上更详细地说明，用于启动焊接运动的预定条件包括越过诸如力参数之类的感测参数的规定阈值。此外，当预定条件是基于越过感测参数的变化速率的规定阈值时，启动焊接运动。

例如，焊接运动被延迟，直到力的时间变化速率越过指定的或预定的水平。根据图12的具体示例，时间轴上的“0”(零点)与超声波振动的启动相对应，并且用于启动焊接运动的条件是力变化速率下降至规定水平。随时间绘制的距离的曲线表示：在焊接的初始阶段，焊接压力机保持固定。在该初始阶段期间，按压力最初从初始力F_i增加，到达顶峰，接着随着被焊接的部件的塑料材料软化并开始熔化而下降。力变化速率(且为力曲线的斜率)的对应曲线示出了力变化速率初始为正，接着降低至“0”(零点)，并且随后变为负。当力变化速率到达预定水平–F_d'时，启动焊接运动。在图12的示例中，在超过时间t₁时，通过距离的线性增加来说明焊接运动。

根据其它示例，其它参数的变化速率可以用作预定条件的基础。例如，变化速率可以包括换能器的功率输入变化速率、超声波焊接组套的频率变化速率和/或换能器的相位变化速率。

根据示例性实施例A1，传感器感测被输入到超声波焊接组套的换能器的功率的变化速率，并且预定条件是指定的功率变化速率或指定的累积功率变化速率中的一者或多者。

根据另一个示例性实施例A2，传感器感测超声波焊接组套的频率变化速率，并且预定条件是指定的频率变化速率。

根据另外一个示例性实施例A3，传感器感测超声波焊接组套的换能器的相位变化速率，并且预定条件是指定的相位变化速率。

根据另外一个示例性实施例A4，传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力变化速率，并且预定条件是指定的力变化速率。

根据另外一个示例性实施例A5，传感器感测伺服电机的输出扭矩的变化速率，并且预定条件是指定的输出扭矩变化速率。

参照图13，更详细地说明了用于启动焊接运动的条件的示例性改进。启动焊接运动的上述标准在多数情况下会足以明确地实现焊接工艺。然而，在包括当由于操作者缺乏经验未以最优方式对焊接系统进行编程时的某些条件下，可能未完全实现启动焊接运动的优点。根据一个具体示例，如果启动焊接运动的预定条件是指定的力X1，并且指定的力X1和预定正初始力X0之间的差dX被编程为过小，则可能在经过用于使超声波焊接组套的振幅增加至充分高的水平以引起熔化的充分时间之前到达指定的力X1。过快到达指定的力X1的一个原因在于，当启动超声波振动时由工件的对齐的轻微变化引起的力的波动。

为了增加完全实现延迟焊接运动优点的可能性，可以通过结合多个条件来提高延迟焊接运动的标准。例如，除依赖单个条件之外，可以利用基于来自多个传感器的输入的多个条件来启动焊接运动。例如，焊接运动被延迟，直到以下条件均被满足：(a)力降低至指定的阈值之下，且(b)超声波振幅增加至指定的阈值之上。在该示例中，通过确保显著量的能源被转移到各个部件以开始熔化，来防止在严格的基于力的标准的情况下发生过早的焊接运动启动。

图13示出了这种示例，其示出了随时间绘制的焊接距离的曲线、随时间绘制的力的曲线以及随时间绘制的超声波振幅的曲线。时间轴上的“0”(零点)对应于超声波振动的启动。如距离与时间的关系曲线所示，在焊接的初始阶段期间，压力机是固定的。在此阶段期间，压力机的力最初从初始力Fi增加，到达顶峰，接着随着被焊接的部件的塑料材料软化并开始熔化而下降。同时，超声波振幅随时间以预定比率从“0”(零点)增加至编程的焊接振幅A_w。尽管力在t₁处降低至规定水平F_d之下，但是焊接运动被延迟，直到振幅在时间t₂处增加至规定水平A_d之上。在该示例中，编程的焊接运动如下：在超过时间t₂时，通过距离的线性增加来说明编程的焊接运动。根据其它示例，也可以使用其它条件组合来获得类似优点。

根据示例性实施例B1，超声波焊接系统包括可移动超声波焊接组套，该可移动超声波焊接组套响应于控制输入进行移动并将振动能量施加到至少一个工件。系统还包括运动控制系统，该控制系统控制超声波焊接组套的运动。系统进一步包括控制器，该控制器将控制输入提供至与超声波焊接组套相关联的运动控制系统，以控制超声波焊接组套的移动并控制超声波焊接组套输出到至少一个工件的输出。系统还包括至少两个传感器，上述传感器感测控制变量，并将与控制变量相对应的信号输出至控制器。控制器使超声波焊接组套在焊接启动之前将预定的正初始力施加到至少一个工件，并且仅在来自上述至少两个传感器的信号输出指示控制变量的组合满足预定条件之后，启动焊接启动之后的超声波焊接组套的后续移动。

根据另一个示例性实施例B2，实施例B1的传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力和超声波焊接组套的振幅。预定条件包括指定的力和指定的振幅二者。

根据另外一个示例性实施例B3，实施例B1的传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力和被输入到超声波焊接组套的换能器的功率。预定条件包括指定的力和指定的功率二者。

根据另外一个示例性实施例B4，实施例B1的传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力和被输入到超声波焊接组套的换能器的功率。预定条件包括指定的力和指定的累积功率二者。

根据另外一个示例性实施例B5，实施例B1的一个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力，并且实施例B1的另一个传感器追踪在焊接启动之后经过的时间。预定条件包括指定的力和指定的经过时间二者。

根据另外一个示例性实施例B6，实施例B1的传感器感测伺服电机的输出扭矩和超声波焊接组套的振幅。预定条件包括指定的输出扭矩和指定的振幅二者。

根据另外一个示例性实施例B7，实施例B1的传感器感测伺服电机的输出扭矩和被输入到超声波焊接组套的换能器的功率。预定条件包括指定的输出扭矩和指定的功率二者。

根据另外一个示例性实施例B8，实施例B1的传感器感测伺服电机的输出扭矩和被输入到超声波焊接组套的换能器的功率。预定条件包括指定的输出扭矩和指定的累积功率二者。

根据另外一个示例性实施例B9，实施例B1的一个传感器感测伺服电机的输出扭矩，并且另一个传感器在追踪在焊接启动之后经过的时间。预定条件包括指定的输出扭矩和指定的经过时间二者。

根据另外一个示例性实施例B10，实施例B1的传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力、伺服电机的输出扭矩、超声波焊接组套的振幅、被输入到超声波焊接组套的换能器的功率、被输入到超声波焊接组套的换能器的累积功率、超声波焊接组套的频率以及超声波焊接组套的换能器的相位中的一者或多者，和/或一个或多个传感器追踪在焊接启动之后经过的时间。预定条件包括同时满足两个标准，这两个标准包括第一标准和第二标准，每个标准均与不同的感测的控制变量相关联。第一标准包括指定的力、输出扭矩、振幅、功率、累积功率、频率、相位或经过时间中的一者。第二标准包括指定的力、输出扭矩、振幅、功率、累积功率、频率、相位或经过时间中的一者。

参照图14，替代实施例包括在已经发生某些焊接运动之后延迟焊接运动。如上所述，采用延迟运动的超声波焊接系统适用于焊接阶段的初始阶段，在该初始阶段中，被接合的塑料部件开始熔化。然而，对于某些应用来说，当在焊接的一个或多个后续阶段期间使用本技术时也是有益的。例如，在塑料部件上一个区域被设计成相对于其它区域存在更多量的熔化材料，这些塑料部件上的熔化速率可能不一致，从而导致不均匀的焊接部分。在这种情况下，通过在力降低了规定的量并且在凝缩材料的区域中出现额外熔化之前暂时中止焊接运动(例如，保持焊接组套的位置)，来提供整体焊接均匀性。

图14针对具有两个运动延迟阶段的焊接通过具体示例示出了随时间绘制的焊接距离图和力的曲线。时间轴上的“0”(零点)对应于超声波振动的启动。在时间“0”到t₁的时间间隔中出现的第一延迟大体上类似于上述焊接延迟。第二延迟出现在已经发生某些焊接运动之后。在本实施例中，当力到达规定水平F_d2i(其被表示在时间t₂处)时，启动第二延迟，并且当力降低了规定量ΔF_d2并变为F_d2t(其被表示在时间t₃处)时，终止第二延迟。

可以通过多个参数中的一个或多个来启动第二运动延迟，该多个参数包括例如力阈值、功率阈值、累积功率阈值和/或从开始焊接穿过的距离。可以使用多个参数中一个或多个来终止第二运动延迟，该多个参数包括例如从在启动条件时感测的水平开始的力或功率的变化，和/或从启动条件时刻开始经过的时间量。根据需要，基于具体的焊接要求，在单个焊接周期中焊接运动可以延迟的次数从单次延迟变化至多次延迟。额外地，当在已经发生某些焊接运动之后接着采用一个或多个延迟时，可以省略超声波振动的启动时的延迟。

根据示例性实施例C1，超声波焊接系统包括超声波焊接组套，该超声波焊接组套被安装成用于线性移动并向第一工件施加受控的力、速度或力和速度的组合，以朝着待与第一工件结合的第二工件推动第一工件。该系统还包括电动线性致动器，该电动线性致动器包括与超声波焊接组套连接的可移动元件，并且响应于控制输入使可移动元件和超声波焊接组套按照受控的力、速度或力和速度进行移动。系统还包括控制器以用于将控制输入提供至电动线性致动器或伺服电机中的至少一者，以便控制电动线性致动器的输出。系统还包括一个或多个传感器以用于测量至少一个相应的控制变量并将与控制变量相对应的信号输出至控制器。基于由至少一个传感器输出的信号，控制器使电动线性致动器可移动元件停止运动，并在任何先前的焊接运动之后，从预定的延迟启动条件直到预定的延迟终止条件一直保持固定位置。基于由至少一个传感器输出的用于指示预定延迟终止条件得到满足的信号，控制器进一步使电动线性致动器恢复超声波焊接组套的根据默认焊接配置(weldprofile)或从多个可用的焊接配置选择的焊接配置的运动。

根据另一个示例性实施例C2，实施例C1的至少一个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力。预定延迟启动条件是指定的力，并且预定延迟终止条件是从在起始条件时感测的水平开始的指定的力变化。

根据另外一个示例性实施例C3，实施例C1的至少一个传感器感测从开始焊接穿过的距离和由线性致动器可移动元件输出的力。预定延迟启动条件是指定的距离，并且预定延迟终止条件是从在起始条件时感测的水平开始的指定的力变化。

根据另外一个示例性实施例C4，实施例C1的至少一个传感器感测被输入到超声波焊接组套的换能器的功率和由线性致动器可移动元件输出的力。预定延迟启动条件是指定的功率，并且预定延迟终止条件是从在起始条件时感测的水平开始的指定的力变化。

根据另外一个示例性实施例C5，实施例C1的至少一个传感器感测被输入到超声波焊接组套的换能器的功率。预定延迟启动条件是指定的功率，并且预定延迟终止条件是从在起始条件时感测的水平开始的指定的功率变化。

根据另外一个示例性实施例C6，实施例C1的至少一个传感器感测被输入到超声波焊接组套的换能器的功率和由线性致动器可移动元件输出的力。预定延迟启动条件是指定的累积功率，并且预定延迟终止条件是从在起始条件时感测的水平开始的指定的力变化。

根据另外一个示例性实施例C7，实施例C1的一个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力，并且另一个传感器追踪从延迟启动条件时刻开始经过的时间。预定延迟启动条件是指定的力，并且预定延迟终止条件是指定的经过时间。

根据另外一个示例性实施例C8，实施例C1的一个传感器感测从开始焊接穿过的距离，并且实施例C1的另一个传感器追踪从延迟启动条件时刻开始经过的时间。预定延迟启动条件是指定的距离，并且预定延迟终止条件是指定的经过时间。

根据另外一个示例性实施例C9，实施例C1的一个传感器感测被输入到超声波焊接组套的换能器的功率，并且实施例C1的另一个传感器追踪从延迟启动条件时刻开始经过的时间。预定延迟启动条件是指定的功率，并且预定延迟终止条件是指定的经过时间。

根据另外一个示例性实施例C10，实施例C1的一个传感器感测被输入到超声波焊接组套的换能器的功率，并且实施例C1的另一个传感器追踪从延迟启动条件时刻开始经过的时间。预定延迟启动条件是指定的累积功率，并且预定延迟终止条件是指定的经过时间。

根据另外一个示例性实施例C11，实施例C1的一个或多个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力、伺服电机的输出扭矩、超声波焊接组套的位置、从开始焊接穿过的距离、被输入到超声波焊接组套的换能器的功率、被输入到超声波焊接组套的换能器的累积功率、超声波焊接组套的频率以及超声波焊接组套的换能器的相位中的一者或多者，和/或实施例C1的一个或多个传感器追踪在焊接的启动之后经过的时间。预定延迟启动条件包括指定的力、输出扭矩、位置、距离、功率、累积功率、频率、相位和/或经过时间中的一者或多者。预定延迟终止条件包括力输出扭矩、功率、累积功率、频率、相位和/或经过时间的指定的绝对值或指定的相对值中的一者或多者。相对值的参考是在启动条件时感测的特定参数的水平。

根据另外一个示例性实施例C12，实施例C1的一个或多个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力、伺服电机的输出扭矩、超声波焊接组套的位置、从开始焊接穿过的距离、被输入到超声波焊接组套的换能器的功率，被输入到超声波焊接组套的换能器的累积功率、超声波焊接组套的频率、超声波焊接组套的换能器的相位中的一者或多者的当前值和变化速率，和/或实施例C1的一个或多个传感器追踪在焊接启动之后经过的时间。预定延迟启动条件包括指定的力、输出扭矩、位置、距离、功率、累积功率、频率、相位和/或经过时间中的一者或多者。预定延迟终止条件包括力、输出扭矩、功率、累积功率、频率和/或相位的指定的变化速率中的一者或多者。

参照图15，替代实施例包括动态速度调节以用于降低力的快速变化。当在接合周期的焊接和保持(固化)阶段期间对超声波焊接组套的运动速度进行控制时，工件之间的最终力根据被焊接的部件的变化条件而改变。在某些情况下，力的正的或负的变化速率很高，并且可以对焊接的质量产生不利影响。为了降低该变化速率，可以通过焊接系统动态地调节压力机的速度。

如果检测到力以过高的速率增加，则压力机自动地降低速度。相反地，如果力以过高速率降低，则压力机自动地增加速度。自动速度变化的启动条件是指定的力变化速率。速度变化量可以是当前速度的预定部分或多重因子。例如，速度变化可以包括相对于当前速度的100％的速度减少，或者可以包括相对于当前速度的超过100％的速度增加。

替代地，可以按照与所检测的力的变化速率成比例的方式动态地指定速度变化量。换言之，较大的速度变化会要求更高的力变化速率。可以使用多个条件来终止速度变化，这些条件例如包括越过力变化速率的规定水平和/或将力的变化速率返回至速度变化启动时的水平。

根据图15示出的示例，随时间绘制的相应的焊接速度、力以及力变化速率的曲线示出了不具有动态速度调节的焊接(a)和具有动态速度调节的焊接(b)。参照不具有动态速度调节的焊接，焊接期间的速度是恒定S_w，这导致由力曲线的斜率确定的力变化速率的连续增加。当采用动态速度调节时，当力变化速率增加至规定水平F1'(其被表示在时间t₁处)时，速度自动地降低至规定水平0.5S_w(即，S_w的一半)。该降低随后导致力变化速率的降低直到其到达规定值“0”(零点)(其被表示在时间t₂处)。然后，该速度自动地恢复为编程的焊接速度S_w。

根据示例性实施例D1，超声波焊接系统包括可移动的超声波焊接组套，以用于响应于控制输入进行移动并将振动能量施加到至少一个工件。系统还包括运动控制系统，以用于控制超声波焊接组套的运动。系统进一步包括控制器，以用于将控制输入提供至与超声波焊接组套相关联的运动控制系统，从而控制超声波焊接组套的移动并控制超声波焊接组套输出到至少一个工件的输出。系统还包括传感器，以用于感测被接合的部件上的力并且将力输出至控制器。在启动焊接之后，控制器使超声波焊接组套从基于力变化速率的预定值的速度变化启动条件开始自动地变化超声波焊接组套的运动速度，直到基于力变化速率的不同值的速度变化终止条件。

根据另一个示例性实施例D2，实施例D1的启动条件是力变化速率增加至超过预定水平。速度降低至编程的速度的部分或降低至零点。

根据另外一个示例性实施例D3，实施例D1的启动条件是力变化速率降低至低于预定水平。速度相对于编程的速度以大于1的因子增加。

根据另外一个示例性实施例D4，实施例D1的终止条件是力变化速率降低至低于预定水平。

根据另外一个示例性实施例D5，实施例D1的终止条件是力变化速率增加至超过预定水平。

根据另外一个示例性实施例D6，实施例D1的终止条件是力变化速率返回至启动条件的水平。

参照图16，另一个替代实施例包括在焊接周期期间进行动态速度调节以限制力。在焊接和保持(固化)阶段期间，在某些情况下防止结合的部件之间的力变得过大或过小是有利的。当直接控制超声波焊接组套的运动速度时，可以通过基于算法和来自力传感器的输入自动地改变速度来影响力。如果力增加至预定的更高水平，则按压机速度降低。相反地，如果力降低至预定的更低水平，则按压机速度增加。

速度变化量可以为当前速度的预定部分或多重因子。例如，速度变化量可以包括相对于当前速度的100％的速度减少，或者可以包括相对于当前速度的超过100％的速度增加。

根据图16示出的示例，随时间绘制的焊接速度和力的曲线示出了不具有动态速度调节的焊接(a)和具有动态速度调节的焊接(b)。参照不具有动态速度调节的焊接，焊接期间的速度为恒定S_w，这导致力的不断增加。当采用动态速度调节时，当力到达预定高值F_u(其被表示在时间t₁处)时，速度自动地降低至规定水平0.5S_w。随后，由于以减少的速度继续进行焊接，因此力会降低并最终到达预定低值F_l(其被表示在时间t₂处)。在该时间点处，速度自动地恢复为编程的焊接速度S_w。

参照具有动态速度调节的焊接，在力到达预定水平时改变速度的方法可以引起超出和/或低于预定水平的力的过调量(overshoot)，这是因为速度变化是非即时的。如果期望更严格控制或避免过调量，(利用除力之外的其它输入参数的)自动速度调节算法可以被配置成预测用于避免过调量所需要的速度变化的时刻和大小，并从而将力保持在预定限值内。示例性的额外输入参数包括但不局限于力变化速率和/或超声波功率变化速率。

根据示例性实施例E1，超声波焊接系统包括可移动的超声波焊接组套，以用于响应于控制输入进行移动并将振动能量施加到至少一个工件。系统还包括运动控制系统，以用于控制超声波焊接组套的运动。系统进一步包括控制器，以用于将控制输入提供至与超声波焊接组套相关联的运动控制系统，从而控制超声波焊接组套的移动并控制超声波焊接组套输出到至少一个工件的输出。系统还包括一个或多个传感器，以用于感测至少一个控制变量并将与至少一个控制变量相对应的至少一个信号输出至控制器。在启动焊接之后，控制器使超声波焊接组套从基于控制变量的预定值的速度变化启动条件开始自动地变化超声波焊接组套的运动速度，直到基于控制变量的不同值的速度变化终止条件。

根据另一个示例性实施例E2，实施例E1的一个或多个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力。启动条件是力增加至超过预定水平，并且终止条件是力降低至低于预定水平。

根据另一个示例性实施例E3，实施例E1的一个或多个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力。启动条件是力降低至低于预定水平，并且终止条件是力增加至超过预定水平。

根据另外一个示例性实施例E4，实施例E1的一个或多个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力和被输入到超声波焊接组套的功率。启动条件是基于来自传感器中的一个或多个传感器的输入的第一函数，并且终止条件是基于来自传感器中的一个或多个传感器的输入的第二函数。

根据另外一个示例性实施例E5，实施例E1的一个或多个传感器感测由线性致动器可移动元件输出的力、被输入到超声波焊接组套的功率、或力输出和功率输入二者。启动条件是第一函数，并且终止条件是第二函数。第一函数基于来自至少一个传感器的输入、来自至少一个传感器的输出变化速率、或它们的组合。不同于第一函数的第二函数基于来自至少一个传感器的输入、来自至少一个传感器的输出变化速率、或它们的组合。

参照图17，另外一个替代实施例包括在焊接开始时的速度增加。在常规超声波焊接中，振动的振幅从焊接开始时的零点逐渐增加至预定焊接振幅，并且增加速率通常恒定。在振幅增加间隔期间，能够被传递至被焊接部件的超声波能量的量是有限的。如果在振幅增加时，压力机被编程为以恒定速度前进，则塑料可能不足够快地熔化(这导致部件之间的力变得过高)。上述运动延迟技术是防止力增长的有效方式。

然而，无需力传感器的额外或替代技术是将速度从初始值(包括零点)开始向规定焊接速度逐渐地增加。如图17所示，在一个示例中，按照与实际超声波振幅成正比的方式增加速度。根据所示出的随时间绘制的超声波振幅和速度的曲线，当在焊接开始时(在时间“0”处)启动超声波振动时，超声波振幅为零并且速度处于低水平S_i。

由于超声波振幅随着时间增加，速度成比例地增加，直到超声波振幅到达焊接振幅A_w并且速度同时到达焊接速度S_w(在时间t₁处)。在本特征的另一个变形中，使速度增加成为振幅的非线性函数(例如，多项式函数)。速度增加函数也可以是诸如(但不限于)超声波功率之类的的另一个感测参数的线性或非线性函数。尽管图17说明了恒定焊接速度的情况(如时间t₁之后所指示)，但是该特征可以应用至如下焊接，在该焊接中，在增加阶段之后速度是可变的，或者(代替速度的)按压机力是受控的。

类似地，本发明不局限于超声波焊接，并且可以有利地组合到利用伺服电机或致动器以驱动工件的其它焊接工艺(诸如但不局限于摩擦焊接或扩散焊接)或焊接设备中。

根据示例性实施例F1，超声波焊接系统包括可移动的超声波焊接组套，以用于响应于控制输入进行移动并将振动能量施加到至少一个工件。系统还包括运动控制系统，以用于控制超声波焊接组套的运动。系统进一步包括控制器，以用于将控制输入提供至与超声波焊接组套相关联的运动控制系统，从而控制超声波焊接组套的移动并控制超声波焊接组套输出到至少一个工件的输出。系统还包括至少一个传感器，以用于感测至少一个控制变量并将与至少一个控制变量相对应的至少一个信号输出至控制器。在启动焊接时，控制器使超声波焊接组套自动地改变作为控制变量的函数的超声波焊接组套的运动速度，直到控制变量到达预定值。

根据另一个示例性实施例F2，实施例F1的传感器感测超声波焊接组套的超声波振幅。速度与超声波振幅成线性比例。

根据另外一个示例性实施例F3，实施例F1的传感器感测被输入到超声波焊接组套的功率。速度与功率输入成线性比例。

根据另外一个示例性实施例F4，实施例F1的传感器感测超声波焊接组套的超声波振幅。速度是超声波振幅的非线性函数。

根据另外一个示例性实施例F5，实施例F1的传感器感测被输入到超声波焊接组套的功率。速度是功率输入的非线性函数。

根据另外一个示例性实施例F6，实施例F1的一个或多个传感器感测超声波焊接组套频率和超声波焊接组套的换能器的相位中的一者或多者。速度是频率和/或相位的线性或非线性函数。

根据另外一个示例性实施例F7，实施例F1的一个或多个传感器感测超声波焊接组套的超声波振幅、被输入到超声波焊接组套的功率、超声波焊接组套的频率、超声波焊接组套的换能器的相位中的一者或多者。速度是包括振幅、功率、频率、相位、振幅变化速率、功率变化速率、频率变化速率和/或相位变化速率中的一者或多者的任意组合的线性或非线性函数。

尽管示出并说明了本发明的特定实施例和应用，但是应当理解本发明并不局限于这里所披露的精确构造和构成，并且在不背离随附权利要求所限定的发明的范围的情况下，对前述说明进行各种修改、变化和变形可以是显而易见的。

本申请包含于2014年8月28日提交的美国专利申请第14/471,895号的公开内容相关的主题，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。