CN107262907A - 一种全伺服超声波焊机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全伺服超声波焊机，包括超声波发生器，伺服马达,其特征在于包括：压力传感器，位移传感器，控制系统，所述压力传感器信号和位移传感器信号输入至所述控制系统处理，所述控制系统经运算处理后，命令所述伺服马达执行驱动。本发明使用伺服马达定位，除包含马达伺服系统外,还设置有压力传感器与位移传感器，利用压力传感器的反馈形成一个压力伺服闭环控制系统,再利用位移传感器，对机械位移误差进行修正，从而使得本发明能够在焊机工作时的任何时间段实现对扭力、速度、位置、压力的控制，可以实现自动寻工作点和底模高度、人体安全防护、防止工作物放置不当、预压和动态工作点等技术效果。

Description

一种全伺服超声波焊机

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种全伺服超声波焊机。

背景技术

目前市场上的超声波焊机其焊接机头的上下运动由气缸带动，由于气压不稳定造成压力不稳，焊接的效果也不稳定，全部工作循环只能一种压力，另外气压缸定位也不准确，生产出来的产品尺寸误差较大。虽然，也有使用伺服马达带动焊接机头上下运动的焊机，但一般只用于定位，所实现功能也有限。同时，由于没有使用压力传感器和位移传感器，也未能使压力传感器反馈压力形成压力伺服闭环控制系统，因此，仍然不能达到定位精准，压力位移多样化的目的。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提出了一种全伺服超声波焊机，使用伺服马达定位，除包含马达伺服系统外,还设置有压力传感器与位移传感器，利用压力传感器的反馈形成一个压力伺服闭环控制系统,再利用位移传感器，对机械位移误差进行修正，从而使得本发明能够在焊机工作时的任何时间段实现对扭力、速度、位置、压力的控制。

本发明采用的技术方案为：一种全伺服超声波焊机，包括超声波发生器，机架，滑台，伺服马达,所述机架上设置滑轨，所述滑台设置于所述滑轨上，所述伺服马达设置于机架上，所述伺服马达通过传动机构带动滑台沿滑轨上下滑动，所述滑台上安装换能器，所述换能器上安装焊头，工作台设置于机架上；其特征在于包括：压力传感器，位移传感器，控制系统，所述压力传感器信号和位移传感器信号输入至所述控制系统处理，所述控制系统经运算处理后，命令所述伺服马达执行驱动。

优选的，所述压力传感器，或安装于所述滑台上，或安装于所述工作台之下。

优选的，所述位移传感器本体安装于机架上，位移传感器头安装于滑台上。

优选的，其特征在于包括：模拟数位转换模块，所述压力传感器信号经所述模拟数位转换模块转换后，输入至控制系统处理,形成扭力、速度、位置、压力伺服,可以实现先由电流转换成扭力控制，再由扭力转换成速度控制，再由速度转换成位置控制，再由位置控制转换成压力控制，也可以实现直接由扭力转换成压力控制。

优选的，所述模拟数位转换模块包含有TTL信号转为差分信号之电路，所述压力传感器信号经模拟数位转换模块转换，再将SPI之TTL信号转为差分信号后,传回控制系统，所述控制系统包含有差分信号转为TTL信号之电路，所述压力传感器信号传回控制系统，先将差分信号转为TTL信号后，再由控制系统处理。

优选的，所述超声波发生器连接于所述控制系统与所述模拟数位转换模块之间，所述换能器与所述模拟数位转换模块连接。

优选的，所述模拟数位转换模块设置位置靠近模拟信号源，即靠近压力传感器和超声波发生器附近。如压力传感器安装于滑台上，则模拟数位转换模块也安装于滑台上，靠近压力传感器和超声波发生器附近，如压力传感器安装于工作台之下，则模拟数位转换模块安装于工作台和超声波发生器附近。

优选的，所述传动机构，或为丝杆，或为钢带，或为同步带。

优选的，所述传动机构为丝杆，所述伺服马达通过联轴器与所述丝杆连接,所述丝杆上装有螺母，所述螺母固定所述压力传感器一端与丝杆连接，所述压力传感器另一端连接于所述滑台上。

优选的，所述工作台包括工作平台和工作物治具。

本发明原理进一步说明如下：

伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。当对驱动元件下达命令后驱动元件执行命令再经由传感器反馈形成闭路控制以确保命令之精密度。如附图3，本发明除包含马达伺服系统外,还有压力传感器之反馈形成一个压力伺服系统，使本系统有能力执行在工作时任何时间段之扭力、速度、位置、压力之控制，,再经位移传感器对机械误差进行补正。

串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)模块是用于同他外设或单片机进行通信的同步串行接口。这些外设可以是串行EEPROM、移位寄存器、显示驱动器和A/D转换器等。SPI模块与Motorola的SPI和SIOP接口兼容。

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。

差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。差分信号又称差模信号，是相对共模信号而言的。

从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里，"系统地"被用作电压基淮点。

相较于单端输出方式等其他方式优点：

1.抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而其差值为0，即，噪声对信号的逻辑意义不产生影响。

2.能有效抑制电磁干扰(EMI)。由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的藕合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。

3.时序定位淮确。差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑0/1跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。

差分式SPI传输系统

在模拟量信号中由于易受干扰所以模拟数位转换模块要尽量靠近换能器和荷重元(压力传感器)，所以模拟数位转换模块，荷重元安装于滑台上,,便于提取换能器和荷重元之信号,模拟数位转换模块转换为数位信号,因伺服马达反应可达每秒500次,故转换模块采取SPI信号才可达此速度,但SPI信号本为TTL信号不适长距离传输易受干扰,故在转换模块和全伺服控制系统各安装TTL互转差分之电路,让本系统又准又快。

目前，市场上的超声波焊接机的工作流程-一般是焊头移至工作物，超声波发功,工作物融化焊接，超声波不发功焊头压住工作物等待凝固，焊头移至起点工作完成。超声波发功，工作物融化焊接，焊接周期不外乎,时间、能量、深度、焊头与底模短路4种模式，且只能选一种，各有不足之处。

1.时间模式参数:等待时间—等待焊头移位到工作件时间；熔化时间—超声波焊头作功时间(工作件熔化)；固化时间—等待工作件固化。这种模式，因机械误差和焊头温度的上升,所焊接出工作物的精度比较差。

2.能量模式:将焊头移位到工作件,超声波开启并累计超声波能量(电压X电流X时间)理论能量和热量是成正比,而能量一致工作件焊接质量也一致，这种模式焊接牢度虽好,但无法确保工作件的精确尺寸。

3.深度模式:在焊头作工时,测量焊头其移位,以达到工作件尺寸，这种模式虽能到达标准的工作件尺寸,但却无法确保焊接牢度。

4.焊头与底模短路模式:这是用于超声波平切,利用当焊头与底模接触形成电路之短路,来侦测工作件是否切开,但因机械误差或其它原因导致焊头与底模无法绝对平行,所以工作件无法全部切断。

本发明能够达到以下几个技术效果：

一、自动寻工作点和底模高度

在超声波焊接机的工作流程中，焊头移至工作物上,此点为工作点,本发明可自动寻工作点,如附图4伺服马达带动焊头沿一定方向向工作物移动,当接触工作物时压力传感器的读数会增加,伺服马达继续增压达到设定之压力(如10KG),这时压力传感器会有些许变形需靠位移传感器修正误差,读取伺服马达位置数据和位移传感器数据,位移传感器的数据就是工作点如附图5.,同样以此原理不放置工作物,这就可自动寻底模高度。

二、安全防护

正常操作中，在焊头移至工作物上之过程中，若是压力传感器的读数异常升高,就代表有异物进入比如操作人员的手等。这时，控制系统立即运作急停复位，超声波发生器不发功，这样，可以有效防止损伤到操作人员的手臂等部位。

三、工作物放置不当,工作物多放或是少放工作物

在超声波焊接机的工作流程中，当焊头移至工作物上,完成时伺服马达运动至设定工作点时,当位置传感器读数过多或压力传感器读数过小就代表无工作物或是工作物尺寸过小,当位置传感器读数过少或压力传感器读数过大就代表重复放置工作物,放置不正或是工作物尺寸过大等。

以上都是在超声波发功前的主动侦测检查，不用等到超声波发功就能检测出,这样，可防止损坏到工作物和防止工作人员受伤等,而现有超声波焊接机都是在超声波发生器发功时才能够进行这样的检测。

四、预压

焊头移至工作物完成时可先根据事先设定的预压条件,给工作物压力,再让超声波发生器作功,这可避免换能器压力过大,而超声波发生器作不了功。

五、动态工作点

本发明可以针对不同高度或厚薄的工作物,提供有效的解决方案。当焊头移至工作物上之过程中，若是压力传感器达到工作点之压力,此时位移传感器的数据就是工作点如附图4.

本发明是数位化之系统,可经由编程,资料阵列，解决超声波焊接工艺。焊接参数结构体如下：

以上是程式编辑语言之C语言的资料结构。

附图说明

图1为本发明实施例一一种全伺服超声波焊机的结构示意图(压力传感器荷重元安装在滑台上的位置)；

图2为本发明实施例二一种全伺服超声波焊机的结构示意图(压力传感器荷重元安装在工作台底模之下的位置)；

图3为本发明的控制流程图；

图4为本发明自动寻工作点和底模高度示意图1；

图5为本发明自动寻工作点和底模高度的示意图2；

图6为本发明实施例一种全伺服超声波焊机的工作开始程式图；

图7为本发明实施例一种全伺服超声波焊机的工作程式图；

1.伺服马达，2.联轴器，3.丝杆，4.螺母，5.荷重元，6.滑台，7.机架，8.滑轨，9.换能器，10.位移传感器头，11.焊头，12.模拟数位转换模块(包含有TTL信号转为差分信号之电路)，13.位移传感器，14.全伺服控制系统(包含有差分信号转为TTL信号之电路)，15.超声波发生器，16.工作物治具，17.工作平台，18.工作物。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

图1为实施例一一种全伺服超声波焊机的结构示意图，包括超声波发生器15，机架7，机架7上设置伺服马达1，伺服马达通过联轴器2与丝杆3连接，滑台6，机架7上设置滑轨8，滑台6设置于8滑轨上，荷重元5一端连接于滑台6,另一端与丝杆3上之螺母4连接，伺服马达1带动丝杆3旋转，丝杆螺母4带动滑台6沿滑轨8上下滑动，滑台6上安装换能器9，换能器9上安装焊头11，工作平台17设置于机架7上，工作平台17上安装工作物治具16，工作物18安装在工作物治具16上，模拟数位转换模块12包含有TTL信号转为差分信号之电路，荷重元5信号经和换能器9电流信号之模拟数位转换模块转换后，再由TTL信号转为差分信号后，经差分式SPI传输系统传回控制系统14，控制系统14包含有差分信号转为TTL信号之电路，差分信号转为TTL信号后，再由控制系统14进行处理，位移传感器头10安装于滑台6上,位移传感器13本体安装于机架上，位移传感器13的信号输入至控制系统14处理，控制系统经运算处理后，命令伺服马达执行驱动。控制系统处理后,形成扭力、速度、位置、压力伺服，可以实现先由电流转换成扭力控制，再由扭力转换成速度控制，再由速度转换成位置控制，再由位置控制转换成压力控制，也可以实现直接由扭力转换成压力控制。

图2为本发明实施例二一种全伺服超声波焊机的结构示意图，除了压力传感器荷重元安装在工作台底模之下的位置外，其他部分以及控制原理流程均与实施例一相同。

图6与图7是本发明实施例一种全伺服超声波焊机的工作开始程式图以及工作程式图。工作开始后，是否到工作点，若到工作点，则执行工作点副程式，检测执行中有无压力过高，若压力过高，则表示工作物过高或者有异物如手的进入，则跳脱工作程式，发出警告，结束工作程式；到工作点完成时进一步检测压力过低或位移过多，则表示工作物过低或者没有工作物，也检测压力过高或位移过少，发出警告则跳脱工作程式结束工作程式；若执行中压力正常，则工作阵列选择器+1,完成后回到程式开始。

若不是到工作点，则检测是否到设定点，若到设定点，则执行到设定点副程式,完成時工作阵列选择器+1,完成后回到程式开始。

若未到设定点，则检测是否到浮动工作点，若到浮动工作点，则执行浮动工作点副程式，工作阵列选择器+1,完成后回到程式开始。

若未到浮动工作点，则检测是否到最后一笔，若到最后一笔，则执行到起点副程式，工作完成。若未到最后一笔，则进入工作副程式。

进入工作程式，执行压力副程式，工作点之自动调整，位移累加；时间计时器计算时间；IO副程式超声波输出，超声波有输出，电流侦测，能量累加器；若位移量达到或时间到了或能量到达任一条件则完成，并是否有深度检查，有，检查深度，若深度不够，则跳脱工作程式，发出深度不足警告，结束工作程式；或进行能量检查，有，检查能量，若能量不够，则跳脱工作程式，发出能量不足警告，结束工作程式；或进行压力检查，有，检查压力，若压力不够，则跳脱工作程式，发出工作件不良警告，结束工作程式。

深度检查、能量检查、压力检查后，正常则进入工作阵列选择器+1，回到开始程式。

Claims (10)

1.一种全伺服超声波焊机，包括超声波发生器，机架，滑台，伺服马达,所述机架上设置滑轨，所述滑台设置于所述机架之滑轨上，所述伺服马达设置于机架上，所述伺服马达通过传动机构带动滑台沿滑轨上下滑动，所述滑台上安装换能器，所述换能器上安装焊头，工作台设置于机架上；

其特征在于包括：

压力传感器，位移传感器，控制系统，所述压力传感器信号和位移传感器信号输入至所述控制系统处理，所述控制系统经运算处理后，命令所述伺服马达执行驱动。

2.根据权利要求1所述的一种全伺服超声波焊机，其特征在于：所述压力传感器，或安装于所述滑台上，或安装于所述工作台之下。

3.根据权利要求1所述的一种全伺服超声波焊机，其特征在于：所述位移传感器本体安装于机架上，位移传感器头安装于滑台上。

4.根据权利要求1所述的一种全伺服超声波焊机，其特征在于包括：模拟数位转换模块，所述压力传感器信号经所述模拟数位转换模块转换后，输入至控制系统处理,形成扭力、速度、位置、压力伺服。

5.根据权利要求4所述的一种全伺服超声波焊机，其特征在于：所述模拟数位转换模块包含有TTL信号转为差分信号之电路，所述压力传感器信号经模拟数位转换模块转换，再将TTL信号转为差分信号后,传回控制系统，所述控制系统包含有差分信号转为TTL信号之电路，所述压力传感器信号传回控制系统，先将差分信号转为TTL信号后，再由控制系统处理。

6.根据权利要求4所述的一种全伺服超声波焊机，其特征在于：所述超声波发生器连接于所述控制系统与所述模拟数位转换模块之间，所述换能器与所述模拟数位转换模块连接。

7.根据权利要求4所述的一种全伺服超声波焊机，其特征在于：所述模拟数位转换模块设置位置靠近模拟信号源。

8.根据权利要求1所述的一种全伺服超声波焊机，其特征在于：所述传动机构，或为丝杆，或为钢带，或为同步带。

9.根据权利要求1所述的一种全伺服超声波焊机，其特征在于：所述传动机构为丝杆，所述伺服马达通过联轴器与所述丝杆连接,所述丝杆上装有螺母，所述螺母固定所述压力传感器一端与丝杆连接，所述压力传感器另一端连接于所述滑台上。

10.根据权利要求1-9所述的任一种全伺服超声波焊机，其特征在于：所述工作台包括工作平台和工作物治具。