[發明專利]通過監控振動體的共振頻率確定振動體和固定點之間間隙的方法和系統

有效

• 申請號: 200580045853.6
• 申請日: 2005-12-29
• 公開（公告）號: CN101094743A
• 公開（公告）日: 2007-12-26
• 發明（設計）人: 薩丁德爾·K·納亞爾;唐納德·S·奧布拉克;保羅·M·費蒂格;唐納德·L·泊察爾特
• 申請（專利權）人: 3M創新有限公司
• 主分類號: B23K20/10
• 分類號: B23K20/10;G01H13/00;B29C65/08;G01H1/00
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 黃啟行;穆德駿

技術領域

本發明涉及一種用于確定振動體和固定點之間間隙的方法和系統，更具體地，涉及基于振動體的共振頻率得出這樣一種測定的方法和系統。

背景技術

在超聲焊接中(有時稱作“聲學焊接”或者“聲波焊接”)，待連接的兩個部件(典型地是熱塑部件)被接近被稱作超聲“喇叭”的器械放置，該超聲喇叭用于提供振動能量。這些部件(或者“工件”)被限制在喇叭和砧臺之間。喇叭時常定位在工件和砧臺的垂直上方。該喇叭典型地以20,000Hz到40,000Hz振動，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，至少其中一個部件的一部分變軟或者融化，從而接合這些部件。

在焊接過程期間，交流(AC)信號提供到喇叭組上，該喇叭組包括轉換器、調壓器和喇叭。該轉換器(也稱作“變換器”)接收AC信號，并通過以與AC信號相等的頻率壓縮和擴張來進行響應。因此，聲波穿過轉換器到調壓器。當聲波波前傳播通過調壓器時，它被放大，并由喇叭接收。最后，波前傳播通過喇叭，并被給予到工件上，從而將它們焊接在一起，如前所述。

另一種類型的超聲焊接是“連續超聲焊接”。這種類型的超聲焊接典型地用于密封纖維和薄膜，或者其它“網”工件，其可以以一種通常連續的方式通過焊接設備供給。在連續焊接中，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。一種類型的連續超聲焊接利用一個轉動固定的棒喇叭和轉動砧臺。該工件被供給在棒喇叭和砧臺之間。喇叭典型地縱向向工件延伸，并且振動沿著喇叭軸向傳送到工件中。在另一個類型的連續超聲焊接中，該喇叭是轉動式，該喇叭是圓柱形，并且圍繞縱向軸轉動。輸入振動是在喇叭的軸向上，輸出振動是在喇叭的徑向上。該喇叭靠近砧臺放置，其典型地也能夠轉動，以致要焊接的工件以線性速度通過圓柱表面之間，該速度基本上等于圓柱表面的切向速度。這種類型的超聲焊接系統描述在美國專利申請No.5,976,316中，其通過參考全部包括在這里。

在每個上述超聲焊接技術中，待接合的工件在焊接過程期間被布置在喇叭和砧臺之間。一種焊接的方式是通過固定喇叭和砧臺之間的間隙。喇叭和砧臺之間的間隙在工件正在被接合時產生了保持工件在適當位置的固定力。為了產生均勻、可靠的焊接操作，所希望的是保持在喇叭和砧臺之間的固定間隙。

在操作期間，喇叭組的一個或多個部件，包括喇叭本身，通常經歷溫度上升。因此，喇叭組通常經歷了熱膨脹，隨著喇叭組膨脹，喇叭和砧臺之間的間隙減小-這是不利于前述產生均勻、可靠焊接操作目的的結果。

如前面所建議的，當前現有的超聲焊接方案展現了一個缺點，由于喇叭組和砧臺之間的間隙在后續焊接操作期間漸漸變窄。

發明內容

根據這個背景，發展了本發明。根據一個實施例，一種用于監控振動體和基準之間的間隙的方法，其中振動體的一部分通過剛性安裝系統固定在距離基準給定距離，包括接收振動體的共振頻率。基于共振頻率，確定與間隙長度的大致改變保持已知關系的量。

根據另一個實施例，一種用于施加超聲能量到工件的系統，包括喇叭組和安裝系統，喇叭組安裝在安裝系統上。能量源耦合到喇叭組。該系統還包括具有用于支持工件的表面的砧臺。控制器被配置成接收喇叭組的共振頻率，并且確定與喇叭組和砧臺之間的間隙的改變保持已知關系的量。

根據又一個其它實施例，一種用于施加超聲能量到工件的系統，包括喇叭組和安裝系統，喇叭組安裝在安裝系統上。系統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。該系統還包括用于確定與喇叭組和砧臺之間的間隙的改變保持已知關系的量的裝置。

附圖說明

圖1描繪了耦合到能量源的簡單超聲焊接喇叭組的實施例。

圖2描繪了耦合到圖1的超聲焊接喇叭組的安裝系統的實施例。

圖3描繪了用于確定喇叭和砧臺之間的間隙長度的系統的實施例。

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施例。

圖4B描繪了確定間隙長度方法的示例性實施例。

圖5A描繪了用在連續超聲焊接操作中的簡單轉動超聲焊接喇叭的實施例。

圖5B描繪了確定間隙長度的方法的示例性實施例。

圖6描繪了用于保持焊接喇叭和砧臺之間基本不變的間隙的系統的示例性實施例。

圖7描繪了用于調節超聲焊接系統中喇叭和砧臺之間間隙的系統的示例性實施例。

圖8A描繪了用于保持超聲焊接系統中喇叭和砧臺之間的基本不變間隙的系統的示例性實施例。