用于振动焊接过程的在线质量监测和控制的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于振动焊接过程的在线质量监测和控制的方法和系统，具体提供一种用于监测和控制振动焊接系统的方法，该方法包括：使用相对于工件的焊接界面定位的传感器采集焊接结合部形成期间的传感数据。主机从由所述传感数据集合地限定的焊接标识中提取特征组；将所述特征组与存储库中的已确认信息进行比较和关联；并且在当前特征组与所述信息匹配不充分时执行控制动作。一种焊接系统包括焊极、传感器和主机。所述主机构造成执行上述方法。
【专利说明】用于振动焊接过程的在线质量监测和控制的方法和系统
[0001]本申请是申请日为2010年11月9日、申请号为201010545535.9、发明名称为“用于振动焊接过程的在线质量监测和控制的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
本申请要求2009年11月9日提交的美国临时专利申请N0.61/259，267的优先权和权益，该临时申请的全部内容在此通过引用并入本申请中。
【技术领域】
[0003]本发明总体上涉及振动焊接过程，更具体地涉及用于对振动金属焊接过程进行非破坏性的在线质量监测和控制的方法和装置。
【背景技术】
[0004]振动焊接过程使用特定频率范围和方向内的受控振荡或振动来将相邻的塑料或金属工件连接起来。超声波焊接和其它振动焊接过程涉及使工件在压力下运动，同时将振动传递通过所述工件，从而产生表面摩擦。最终所述表面摩擦产生热量并软化工件的相邻部分，最终将所述工件结合到一起。
[0005]在振动焊接系统中，焊头(weld horn )或焊极(sonotrode)直接连接至一个或多个焊接头或与之一体形成。所述焊接头可包括一个或多个有纹理的焊接尖端或轧花(knurls)—即在焊接工件时与所述工件实体接触的表面。所述工件由固定的焊接砧支撑。振动焊接在工业上有极大的实用性，例如用于在制造车辆期间连接各种车载零部件。振动焊接部件(包括但不限于多单元车辆电池)的效率、一致性和可靠性/耐久性在很大程度上取决于用于在最终部件中形成各种焊点(weld spot)或焊接结合部(weld joint)的方法和焊接工具的设计。
【发明内容】
[0006]因此，本申请提供了优化的振动焊接方法和系统。通过本方法，在超声波金属焊接和其它振动焊接过程期间提供实时的非破坏性的质量监测和控制，所述方法可实施为记录在实体的计算机可读介质上且由如本文所述的主机自动执行的算法或一组指令。在形成振动焊接结合部(例如焊点、多个焊点、焊接缝等)期间获取各种测量结果，且所述测量结果集合地限定焊接标识(weld signature)。然后从所述焊接标识中提取特征组，以在焊接结合部的有效形成期间实时地/在线地判定所述焊接结合部是否是可接受的。
[0007]本方法包括从控制信号和/或传感器或相对于焊接界面定位或定位成紧邻所述焊接结合部的其它适当传感器采集焊接结合部的有效形成期间的一组传感数据(例如温度的、声音的、电的、机械的传感数据)。这些值集合地限定所述焊接标识。在一个可能的实施例中，可以在焊接系统的固定部分内(诸如在砧的壁内)嵌入带套的或绝缘的热电偶。可以对被形成的每个焊点设置一个热电偶，例如对需要三个焊点的电池片(tab)设置三个热电偶。在另一实施例中，可以使用声频传感器或电传感器来测量能够用于限定整体焊接标识的其它焊接参数。
[0008]例如，所述砧可限定多个孔或孔洞，热电偶或其它传感器能够临近所述焊接界面插入所述孔或孔洞内，使得能够从所述焊接系统内获得精确的传感测量结果。替代地，所述砧能够被分段，且所述传感器插入和结合在所述砧的相邻段之间，且所述段被结合以形成实心的砧。来自所述传感器的测量结果可以被给送至主机，以限定焊接标识，并且能够从所述焊接标识中提取特征组，以便在形成所述焊接结合部时判定或预测其质量。
[0009]在另一实施例中，焊接控制参数或其它内部控制变量可以在焊接结合部形成期间被自动地改变，以实时地改变所述焊接结合部的最终质量。例如，如果判定焊接结合部的轨迹处的温度下降到低于校准的阈值，所述主机可对焊接控制器/功率源发出信号，以自动地改变某些焊接参数(例如机械振荡和/或夹持力)，从而确保焊接质量。在形成焊点期间施加至工件的夹持力可由伺服设备提供，例如由具有几乎瞬时扭矩获得能力的电机提供，以便进一步优化所述焊接系统内的监测和控制响应。
[0010]可使用一个或多个附加测量结果进一步改进温度测量的预测值。在本发明的预期范围内有多种测量是可行的，诸如在焊点形成期间焊头的位移和/或工件中形成的压痕深度、焊极与砧之间测得的动态电阻、所施加的夹持力、测压元件的测量值、声频值、温度测量结果、激光错位散斑(laser shearography)以及其它光学和/或干涉测量结果等。
[0011]集合地，这些测量结果可以看作是对于每个焊接结合点的特有焊接标识，且将所述焊接标识与经确认焊接标识的预置存储库相关联，以预测所产生的焊接结合部的质量。可以将附加的通过或良好焊接添加至所述存储库中以用于未来的预测。主机可以使用神经网络、加权公式、预测算法、线性回归分析、主成分分析、优化方案、统计测量和分类方案、和/或其它适当的技术从所述焊接标识中提取特征组，并最终在所述焊接结合部形成时预测其质量。
[0012]具体地说，本申请提供一种用于控制超声波焊接或其它振动焊接系统的方法。所述振动焊接系统使用高频机械振动或振荡在工件的焊接界面处或沿着工件的焊接界面产生焊接结合部或焊点。所述方法包括:使用相对于焊接界面定位的多个传感器采集一组传感数据，即，在形成焊点期间由焊接控制器或功率源产生的数据，或来自所述焊接系统内(例如固定焊接砧内)的数据。
[0013]在一个可能的实施例中，所述传感器中的至少一个能够构造成热电偶、声频或其它传感器，且至少部分地封闭在所述砧的壁内，例如处于孔内或者定位在所述砧的各段之间。主机能够从所述焊接标识中提取当前特征组，并将所述当前特征组与容纳在存储库中的经确认特征组进行比较和关联。当所述当前特征组与来自所述存储库的经确认特征组匹配不充分时，则由所述主机执行控制动作。
[0014]本申请还提供了具有焊接功率源和焊极的振动焊接系统，该振动焊接系统适于使用高频振动或振荡在工件中形成焊接结合部(例如一个或多个焊点)。所述系统包括构造成用于执行上述方法的主机。
[0015]方案1、一种用于在振动焊接过程期间监测和控制振动焊接系统的方法，所述焊接系统构造为使用高频机械振动在工件的界面处形成焊接结合部，所述方法包括:
使用相对于所述焊接界面定位的多个传感器采集所述焊接结合部形成期间的一组传感数据； 使用所述传感数据形成焊接标识；
使用主机从所述焊接标识中提取当前特征组；
通过所述主机将所述当前特征组与存储库中容纳的已确认信息进行比较和关联；以及在所述当前特征组与所述存储库中的信息匹配不充分时，执行控制动作。
[0016]方案2、如方案I所述的方法，其中，所述传感器中的至少一个是至少部分地处在用于支撑所述工件的焊接砧内的温度传感器。
[0017]方案3、如方案I所述的方法，其中，执行至少一个控制动作包括下述动作中的至少一个:改变所述振动焊接系统的控制参数；激活指示器设备；以及临时停止所述振动焊接过程。
[0018]方案4、如方案I所述的方法，其中，所述焊接系统包括具有壁的砧，所述壁限定至少一个孔，所述砧在紧邻所述焊接界面的位置处具有多个段，并且其中所述传感器中的至少一个定位在所述孔内或者介于所述多个段中的相邻段之间。
[0019]方案5、如方案I所述的方法，其中，使用主机从所述焊接标识中提取当前特征组包括使用下述方法中的至少一种:神经网络、有限元分析、统计回归分析和主成分分析。
[0020]方案6、如方案I所述的方法，其中，采集所述焊接结合部形成期间的一组传感数据包括:在振动焊接多单元电池的导电片时采集所述一组传感数据。
[0021]方案7、如方案I所述的方法，其中，采集所述焊接结合部形成期间的一组传感数据包括采集下述数据中的至少一种:所述焊接系统在所述振动焊接过程期间的动态电阻，以及所述焊接系统的一部分在所述振动焊接过程期间的位移。
[0022]方案8、一种焊接系统，其构造成在振动焊接过程期间使用高频机械振动在工件的焊接界面处形成焊接结合部，所述焊接系统包括:
多个传感器，其相对于所述焊接界面定位，并且能够采集一组传感数据；
构造为在所述振动焊接过程期间振动的焊极；
主机，其能够访问经确认信息的存储库；
其中，所述主机构造成用于执行下列操作:
从所述焊接标识中提取当前特征组；
将所述当前特征组与所述存储库中容纳的已确认信息进行比较和关联；以及在所述当前特征组与所述存储库中的信息匹配不充分时，执行控制动作。
[0023]方案9、如方案8所述的焊接系统，其中，所述主机适于通过下述动作中的至少一个来执行至少一个控制动作:改变所述焊接系统的控制参数；激活指示器设备；以及临时停止所述振动焊接过程。
[0024]方案10、如方案8所述的焊接系统，其中，所述焊接系统包括具有壁的砧，所述壁限定紧邻所述焊接界面的孔，并且其中所述传感器中的至少一个定位在所述孔内。
[0025]方案11、如方案8所述的焊接系统，其中，所述主机构造成使用主成分分析来提取所述当前特征组。
[0026]方案12、如方案8所述的焊接系统，其中，所述传感器包括适于测量下述数据中的一个的至少一个附加传感器:所述焊接系统在所述振动焊接过程期间的动态电阻，所述焊接系统的一部分在所述振动焊接过程期间的位移；以及声频值。
[0027]方案13、如方案8所述的焊接系统，进一步包括具有多个段的焊接砧，其中所述传感器中的至少一个位于所述多个段中的相邻段之间。
[0028]方案14、一种焊接系统，其适于使用超声波振动在多单元电池的焊接界面处形成焊接结合部，所述焊接系统包括:
焊极，其响应于控制信号以超声波频率振动，从而在所述电池的一组片中形成焊接结合部;
主机，其具有经确认焊接标识的存储库；以及
传感器，其构造为用于测量一组传感数据，并将所述一组传感数据传递至所述主机； 其中，所述主机构造成用于执行下列操作:
以实时方式自动地从由所述传感数据集合地限定的当前焊接标识中提取当前特征组；
将所述当前特征组与从所述存储库中的已确认焊接标识中提取的相应特征组进行比较和关联；以及
在所述当前特征组与来自所述存储库的所述相应特征组匹配不充分时，执行至少一个控制动作。
[0029]方案15、如方案14所述的焊接系统，其中，所述焊接砧包括孔和多个段中的一种，并且其中所述传感器中的一个定位在所述孔内或者介于所述多个段中的相邻段之间。
[0030]方案16、如方案14所述的焊接系统，包括适于测量下述数据中的一种的至少一个附加传感器:所述焊接系统在所述振动焊接过程期间的动态电阻，以及所述焊接系统的一部分在所述超声波焊接过程期间的位移。
[0031]通过结合附图来研读对用于实施本发明的最佳模式所作的详细说明，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是根据本发明的振动焊接系统的示意性侧视图；
图2是适于用在图1所示的振动焊接系统内的焊接砧的示意性立体图；
图3是可以使用图1所示的系统进行振动焊接的多单元电池模块的示意性立体图；
图4是可以用于监测和控制图1所示系统中的焊接质量的神经网络的示意图；
图5是流程图，描绘了用于对使用图1中所示系统形成的焊接结合部的质量进行监测和控制的方法；
图6是焊接质量与测得焊接属性的图线。
【具体实施方式】
[0033]参见附图，在附图中，相同的标号指示相同的元件，并且从图1开始，图1示出构造成用于使用超声频率范围或其他合适的频率范围内的振动能量来形成焊接结合部的振动焊接系统10。焊接系统10包括焊接功率源12，焊接功率源12将可用的源功率转换为可引发振动焊接的形式。如本领域普通技术人员所理解的，在振动焊接过程中使用的功率源(诸如功率源12)能够电连接至任何适当的能量源(例如50-60赫兹的墙壁插座)。功率源12可包括焊接控制器112，焊接控制器112通常与所述功率源形成为一个整体但是并非必须如此。
[0034]功率源12和焊接控制器112最终将源功率转换成具有适用于振动焊接过程的预定波形特征的适当功率控制信号(箭头23)，例如频率为数赫兹(Hz)至大约40KHz，或者根据具体应用为更高的频率。
[0035]功率控制信号(箭头23)从功率源12 (或者更精确地，从焊接控制器112)传送至转化器13，转化器13具有为在一个或多个焊接头118中产生机械振动或振荡信号(箭头57)所需的机械结构。焊接头118可以与焊头或焊极18—体形成或与之连接，且所述机械振荡信号(箭头57)响应于所述控制信号(箭头23)而产生。机械振荡信号(箭头57)可以其各种波形特性(在振荡方向和振幅以及频率/波长方面)来说明。如文中所使用的，功率控制信号(箭头23)和机械振荡信号(箭头57)被看作是内部控制信号一即由图1中所示系统10产生且在系统10内部的信号。
[0036]图1的振动焊接系统10还可包括如下文中所说明的适用于放大振动幅值和/或改变所施加的夹持力(箭头59)的方向的增强器16。也就是说，机械振荡信号(箭头57)可以初始地具有相对较小的幅值(例如不到I微米至数毫米)，然后能够由增强器16放大以产生所需的机械振荡。所述机械振荡信号(箭头57)又被传送至焊极18的一个或多个焊接头118。
[0037]焊接头118是焊接系统10中的实际的振动或振荡设备，用于与施加的夹持力(箭头59)相结合而形成振动焊接结合部。夹持力(箭头59)可以由外部机构施加，在图1的实施例中所述外部机构构造为伺服设备20，例如是电动马达或具有快速响应时间的其他伺服控制设备。在多个工件22的每个之间的焊接界面17附近形成焊接结合部。如本领域中公知的，通过改变焊极18发射出的振荡的方向，系统10可用于焊接或结合金属或热塑性塑料。也就是说，对于热塑性塑料，由焊极18发射出的振荡将垂直于被焊接表面，而对于金属，所述方向可大体上与被焊接表面相切。
[0038]还是参见图1，每个焊接头118可直接附接至一个或多个焊接尖端21 (即焊接头的、在沿着焊接界面或在焊接界面处形成焊接结合部期间与工件22的表面实际接触的表面)或与之一体形成，根据工件的性质所述焊接界面可以由一个或多个界面组成。焊接尖端21可设置成具有纹理或构造为包括轧花、齿和/或其它摩擦图案或结构，以便在工件22上提供足够的夹持力。工件22能够是多层的层叠件，即具有多个层，且层数并非意在限制于图2所示的数量。为了进一步利于振动焊接过程，可将一个或多个工件22定位在固定表面或焊接砧24上。尽管图1为了简单起见没有示出，但是如本领域中公知的，砧24也可包括类似的轧花、齿和/或其它摩擦图案或结构，以在工件22上提供足够的夹持力。
[0039]在本发明的范围内，相对于焊接界面17定位的传感器25测量、感测或以其他方式采集一组外部传感数据11，且所述传感数据被传送至主机26。主机26可访问先前确认的焊接标识和/或其特征组的存储库30，并且适于执行下面结合图6说明的方法100，以实时地评测当前焊接的质量。尽管为了清楚起见，主机26在图1中示出为与焊接控制器112分开，但是所述主机和焊接控制器可集成到单个设备中，或者各种元件可分布在各种不同设备中，而不脱离本发明的预期保护范围。
[0040]仍然参见图1，主机26从基于传感数据11形成的焊接标识中提取选定的特征组，并且将所提取的特征组与确认的存储库30进行比较和联系。此后，如下文参考图5所说明的那样，主机26能够执行一个或多个控制动作(例如，致动指示器设备19或者根据需要通过控制信号15以开环或闭环方式修改各种控制参数)。
[0041]存储库30是经确认的整体焊接标识和/或其提取特征组(例如限定整体焊接标识的一部分的各种成对或成组的选定焊接参数)的集合。存储库30中的数据可以在一组试样焊接形成期间被收集，所述一组试样焊接作为确认过程的一部分在后期被测试，例如，通过对多个试样或测试焊接中的焊点进行离线电阻测试和/或拉伸强度测试。存储库30可留存在主机26的内存中或者设置成能够由所述主机根据需要容易地访问。
[0042]主机26可构造为具有下述组成部分的数字计算机:微处理器或中央处理单元，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPR0M)、高速时钟、模-数(A/D)和数-模(D/A)转换电路、以及输入/输出电路和设备(I/O)、以及适当的信号调制和缓冲电路。包括实施如下文结合图5说明的方法100的任何指令或编码的、驻留在主机26中或可由其访问的任何算法，能够存储在实体计算机可读介质上且能够自动地执行以提供所需功能。
[0043]还是参见图1，传感器25定位为紧邻焊接界面17，即在被形成的焊点或焊接结合部处或其附近的临界点处，以精确地测量传感数据11。在一个实施例中，传感器25可包括适于测量温度读数(作为传感数据11的一部分)的热偶传感器。该实施例的具体构造在图2中示出并将在下文中说明。
[0044]可相对于界面17定位附加的传感器125，以采集类似的传感数据111，其实际位置取决于传感器的具体功能和结构。此种传感器125可包括适于测量动态电阻(例如，在形成焊接结合部期间工件22与焊接头118或焊极18之间的动态电阻)的传感器，和/或在焊接结合部形成期间测量焊极和/或焊接头的位移的传感器，例如现有技术中已知类型的基于线性可变差动转换器(LVDT)的传感器。
[0045]传感器125还可包括但不限于测压元件、激光装置、声敏传感器、声发射传感器、热成像相机等。用于图1中的焊接系统10的各种传感器25、125可以改变而不脱离本发明的预期保护范围，且收集的成组传感数据11、111传递至主机26。通过执行本发明的方法100，主机26自动地比较且关联来自使用传感数据11、111以及根据需要使用任何内部控制数据(例如功率控制信号(箭头23)和机械振荡信号(箭头57))而构造的焊接标识的特征组，以实时地监测和/或控制焊接系统100。更精确地，使用焊接系统10形成的焊接能够在它们动态形成期间被自动地监测，而无需将工件22移动至不同的监测站。
[0046]参见图2，在一个可能的实施例中，图1的砧24可以被特别地适配成用于与上文描述的一个或多个传感器25 —起使用。例如，砧24可以在所述砧的实心壁31中限定孔或孔洞29。还可在砧24中设置螺栓孔27，以接收一组紧固件(未示出)，并因此将所述砧固定至固定表面35，使得砧在振动焊接过程期间保持固定。传感器25可紧邻图1中示出的焊接界面17而插入孔29中。当传感器25构造为适于直接测量作为传感数据11的一部分的界面17处的温度时，此种定位是特别有用的。
[0047]在另一实施例中，砧24可被分段，如线60、62和64所大体指示的那样。热电偶或上文提及的任何其它传感器可以插在结合在合适位置的相邻段之间，并且所述段被结合或夹持在一起以形成砧24。此种方案将有助于减轻相对于工件22和界面17将传感器25精确定位在孔29内的难度。
[0048]可对被形成的每个焊点或焊接结合部设置一个传感器25。在图2的图示实施例中，砧24包含适于接纳三个传感器(即图1的传感器25)的三个孔29，使得所述传感器嵌入在砧的壁31内。然而，本领域普通技术人员将认识到:其它位置以及其它传感器类型是可能的，而不会脱离本发明的预期保护范围。例如，传感器25可包括定位在界面17附近且位于砧24之外的热成像相机。给定传感器25、125距离界面17的实际位置和距离可根据给定传感器的设计和绝缘特性而变化。
[0049]参见图3，根据再一个实施例，焊接头218可用于形成焊点，所述焊点将工件122焊接在一起，其中工件122具体为电元件，在此表示为多单元电池34，但是在本发明的范围内也可以使用其它电元件。电池34包括一组导电片138、238以及长形互连构件85。为了清楚起见焊极18以及图1的焊接系统10的其余部分被省略。互连构件85可以由适当的导电材料制造，并且其形状、尺寸和/或其它特征可以构造为形成轨道或总线条，并且安装至电池34的互连板(未示出)。为了简单，在图3中仅示出电池34的在虚拟平面37上方延伸的部分。
[0050]电池34的潜在用途包括但不限于混合动力车(HEV)、电动车(EV)、插电式混合电动车(PHEV)等中的推进器和为各种车载电设备进行供电。作为示例，取决于所需的应用，电池34能够有足够的尺寸以便提供所需的电压(例如大约300至400伏特或其它电压范围)来对电动车或混合汽油/电力车供电。
[0051 ] 电池34可包括多个电池单元，每个电池单元具有正电荷端子或片238和负电荷端子或片138。正电和负电的具体片238、138可以与图3中所示构造相反，而不脱离本发明的预期保护范围，即片238接负极，片138接正极。如本领域普通技术人员公知的那样，不论其相应的极性，片138、238是电池单元的电极延伸部，并且每个都从内部焊接至构成具体电池单元的各种阳极和阴极。
[0052]参见图4，在执行方法100以便在振动焊接过程期间监测焊接结合部和/或控制焊接系统10时，图1中示出的主机26使用传感数据11、111自动地建立整体焊接标识并且从焊接标识中提取选定的特征组。如上所述，整体焊接标识由多种不同的焊接参数构成。然后主机26用任何可用的和相关的内部控制数据(例如功率控制信号(图1的箭头23)和振荡信号(图1的箭头57))将所提取的特征组与存储库30比较和关联。在一个实施例中，此种特征组提取和关联可以使用下述计算方法，诸如有限元分析、微分方程、回归分析、加权算法、神经网络、主成分分析、优化算法、统计测量和分类系统等。
[0053]神经网络的实施例在图4中示出。神经网络提供信息处理范例。神经网络40可以实时地关注可检测或可测量焊接过程变量(包括上述传感数据11、111)的预定的全部或组合组。然后神经网络40可以判定或识别:在由传感数据11和111集合限定的整体焊接标识中，或者在此种焊接标识的被提取特征组中是否存在特定图案，根据预定的质量标准组，判定结果是:(I)可接受的、良好的、或通过的；或者(2)不可接受的、差的、或失败的。
[0054]如本领域普通技术人员将理解的，神经网络(诸如图4中所示的神经网络40)可用于预测特定结果和/或用于识别由不完美、不精确、和/或相对复杂的输入数据组表示的图案。例如，此种输入数据可以由上述传感信号11和/或111以及诸如来自图1的功率源12的焊接电压和/或电流值的任何内部信号、夹持力(箭头39)、环境温度等组成。
[0055]神经网络40可以被编程或存储在图1的主机26中，或者可以由主机26访问，并且能够由方法100使用，以精确地预测、分类或以其他方式识别所采集的传感数据11中的图案并在形成焊点/焊接结合部期间产生输出信号(箭头90)。神经网络40可包括至少一个输入层50，输入层50具有多个不同的输入神经元或节点51，每个所述神经元或节点51构造成接收来自神经网络40的外部的数据、测量结果、和/或其它预定信息。该信息或输入组45可包括但不限于界面17处的测得温度61、在图1的砧24和焊极18之间测出的动态电阻63、以及工件22的位移65。至少一个附加输入节点51可构造成根据需要接收由变量67表示的工件的附加输入数据、测量结果或其它处理信息。例如，输入变量67可对应于来自上述传感器125之一的测量结果，例如红外相机测量结果、声学测量结果等。
[0056]仍然参见图4，神经网络40进一步包括至少一个“隐藏”层52，隐藏层52包含多个隐藏神经元或隐藏节点53，每个隐藏神经元或隐藏节点53各自以特定方式接收和传递从输入层50的输入节点51输出的信息,且隐藏节点将被处理的信息传递至一个或多个附加隐藏层(未示出)(如果使用的话)的其它神经元或节点，或直接传递至输出层54。输出层54类似地包含至少一个输出神经元或输出节点55，所述输出神经元或输出节点55将信息传送或发送至神经网络40外，诸如传送至指示器设备19 (见图1)，和/或发送至如由方法100所确定的训练数据库，下文将参考图5对此进行说明。节点53和55可包含线性的、S形的或处理输入组45的其它传送功能，例如通过给输入组中的不同值分配特定的重要性或权重，这是本领域普通技术人员所能理解。
[0057]在执行关联操作之后，也就是说，在主机26使用上述提取特征组或整体焊接标识预测或判定焊接质量之后，所述主机可响应于判定结果执行控制动作。这可包括激活图1的指示器设备19 (诸如声音和/或视频显示盘、信号灯、人机交互面板等)，临时地中断焊接过程、发送信息等。其它适当的控制动作可包括:对于焊接过程实时地执行开环或闭环控制以快速地改变一些内部控制变量，例如功率控制信号(箭头23)和/或振荡信号(箭头57)、或其它内部信号。诸如图1的伺服设备20的伺服控制的使用，可以在需要此种过程控制时优化响应时间。存储库30可预先加载整体焊接标识和/或其确认特征组的已知通过和失败的图案，且主机26在关联期间自动地参考存储库。
[0058]参见图5，并参考图1的结构，本发明的方法100以步骤102开始，在步骤102中，开始振动焊接过程。步骤102包括任何所需的定位和预备步骤，诸如将工件22放置在砧24上，以及用焊接系统10启动振动焊接过程。然后方法100进行到步骤104。
[0059]在步骤104处，传感器25、125分别采集传感数据11、111，并且将所述传感数据传送或中转至主机26。一旦主机26接收了数据，方法100便进行至步骤106，在步骤106中主机使用上述任何方法将传感数据11、111与存储库30的内容相关联。
[0060]简要地参见图6，对三个不同的焊点提供图70，其中针对被测量的特定焊接属性(例如温度或位移，即横轴82)绘制焊接质量(纵轴80)。数据点71、73和75每个都表示给定焊接结合部的属性及其质量的测量值，例如拉伸强度。如本领域所理解的，回归分析一例如最小方差可用以确定关联系数R，并且得到R2值，以及最适合的线，即线72、74和76。
[0061]图70表示给定焊接质量和焊接属性之间的关系并非必然是线性的，或者所述关系对于一部分范围可以是线性的，而在其它部分是非线性的。例如，如果所述属性是焊接温度且所述质量是拉伸强度，那么温度向一个点的增加可导致强度的增加。温度的进一步增加只会有很小量地影响，或者会降低焊接强度。因此，对于一些焊接属性而言需要保持硬性的低的和高的阈值限制，且此种限制存储为校准值，并且在执行方法100期间进行参考。不论使用哪种关联技术，一旦步骤106完成，方法100就进行到步骤108。
[0062]在步骤108处，主机26判定当前正在形成的焊点/焊接结合部的质量。如果主机26判定由传感数据11、111限定的焊接标识或从其提取的当前特征组对应于不可接受的焊接，那么方法100进行至步骤110，否则所述方法完成，或者可选地所述方法可进行至步骤109。
[0063]在步骤109处，通过步骤108预测出的良好的或通过的焊接可添加至存储库30。例如通过向图4的神经网络40或者其他任何可能的关联技术提供被比较的其它焊接标识，此步骤有助于优化方法100的预测精确度。替代地，由传感数据11、111限定的焊接标识可被识别而用于未来的确认，并且仅在基于校准的质量衡量标准被独立地确认之后被添加至存储库30。
[0064]在步骤110处，主机26可自动地执行一个或多个如上所述的控制动作，例如激活指示器设备19、暂时停止焊接过程、发送消息、对焊接过程执行开环或闭环控制等。然后方法100结束。
[0065]尽管已经详细说明了实施本发明的最佳模式，但是熟悉本发明所涉及领域的技术人员将会认识到所附权利要求范围内的、用于实施本发明的各种替代设计和实施例。
【权利要求】
1.一种用于在振动焊接过程期间监测和控制振动焊接系统的方法，所述振动焊接系统构造为使用高频机械振动在工件的焊接界面处形成焊接结合部，所述方法包括: 使用相对于所述焊接界面定位的多个传感器采集所述焊接结合部形成期间的一组传感数据，包括测量所述焊接系统的温度、动态电阻，声信号和位移； 使用所采集的所述一组传感数据形成整体焊接标识，其中所述整体焊接标识由形成所采集的所述一组传感数据的多个不同焊接参数限定； 使用主机从所述整体焊接标识中提取当前特征组，其中所提取的当前特征组是所述多个不同焊接参数的组合编组； 在所述焊接结合部形成期间实 时地通过所述主机将所提取的当前特征组与存储库中容纳的已确认信息进行比较和关联，从而识别所述组合编组中的图案；以及 在所提取的当前特征组中的识别图案与所述存储库中的信息匹配不充分时，执行控制动作。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个传感器中的至少一个是至少部分地处在用于支撑所述工件的焊接砧内的温度传感器。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊接系统包括具有壁的砧，所述壁限定至少一个孔，所述砧在紧邻所述焊接界面的位置处具有多个段，并且其中所述多个传感器中的至少一个定位在所述孔内或者介于所述多个段中的相邻段之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中，使用主机从所述整体焊接标识中提取当前特征组包括使用下述方法中的至少一种:神经网络、有限元分析、统计回归分析和主成分分析。
5.一种焊接系统，其构造成在振动焊接过程期间使用高频机械振动在工件的焊接界面处形成焊接结合部，所述焊接系统包括: 多个传感器，其相对于所述焊接界面定位，并且能够采集一组传感数据；
石占; 定位成邻近于所述砧并且构造为在所述振动焊接过程期间振动的焊极，其中所述一组传感数据包括所述焊接系统的温度、所述砧和所述焊极之间的动态电阻、所述焊接系统的声信号和位移； 主机，其能够访问经确认信息的存储库； 其中，所述主机构造成用于执行下列操作: 从使用所述一组传感数据形成的整体焊接标识中提取当前特征组，其中所述当前特征组是来自所述一组传感数据的多个焊接参数的组合编组； 在所述焊接结合部形成期间实时地将所提取的当前特征组与所述存储库中容纳的已确认信息进行比较和关联，从而识别所述当前特征组的组合编组中的图案；以及 在所提取的当前特征组中的图案与所述存储库中的信息匹配不充分时，执行控制动作。
6.如权利要求5所述的焊接系统，其中，所述主机适于通过下述动作中的至少一个来执行至少一个控制动作:改变所述焊接系统的控制参数；激活指示器设备；以及临时停止所述振动焊接过程。
7.如权利要求5所述的焊接系统，其中，所述砧包括壁，所述壁限定紧邻所述焊接界面的孔，并且其中所述多个传感器中的至少一个定位在所述孔内。
8.如权利要求5所述的焊接系统，其中，所述主机构造成使用主成分分析来提取所述当前特 征组。
【文档编号】B29C65/08GK104070286SQ201410241958
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2010年11月9日 优先权日:2009年11月9日
【发明者】W.W.蔡, J.A.阿贝尔, J.C.H.唐, M.A.温塞克, P.J.布尔, P.F.斯帕彻尔, S.胡 申请人:通用汽车环球科技运作公司, 密执安大学评议会