用于将翘曲工件接合到另一个工件的系统和方法
【专利摘要】本公开涉及以预定的方式将翘曲工件重新构造以减小翘曲工件与接合工件之间的分离的方法。在接合之前，通过在翘曲处或其附近施加预定量的能量而使翘曲工件的材料软化并且使用施加到翘曲工件的第一表面的方向力而将该翘曲工件改形/再成形，因此减小在翘曲工件与接合工件的接合界面处的分离空间。
【专利说明】
用于将翘曲工件接合到另一个工件的系统和方法
技术领域
[0001]本发明总体上涉及通过焊接来连接工件。更具体地，本发明涉及用于在工件的一个发生变形时焊接工件的系统和方法。
【背景技术】
[0002]超声波焊接是一种工业技术，由此将高频率超声波声学振动局部地施加给在压力下保持在一起的工件以形成熔焊。该技术通常用于将相似和不相似的塑料接合。本发明尤其应用于例如汽车、器械、电子、包装、纺织、和医疗等的行业中。
[0003]在超声波焊接期间，焊接夹具、焊接头、和工件的对准和调平是重要的。作为一个示例，当焊接头未定位成大体上垂直于工件时，会产生焊接中的偏差，例如低焊接、和焊接的不均匀性等。工件内部的翘曲或变形可导致在接合期间焊接头相对于工件不期望地定位，例如不垂直于工件，从而导致焊接中的偏差。
[0004]当翘曲工件定位在第二接合工件的附近以用于接合时，在翘曲工件与接合工件之间存在不希望的空间。在翘曲工件与接合工件之间的空间还会导致不理想的焊接成形。
【发明内容】
[0005]对于用于将焊接嘴对准成大体上垂直于翘曲工件的方向以用于将翘曲工件与第二或接合工件接合的系统和方法存在着需求。该系统和方法将会减小或消除在接合之前或接合期间在翘曲工件与接合工件之间所形成的空间。
[0006]根据本技术，将会以预定的方式对翘曲工件进行大体改形(reform)以减小在翘曲工件的第二表面定位抵靠接合工件的第一表面时所存在的分离。第一工件可以是例如顶部工件，该顶部工件具有与第二下表面相对的第一上表面，所述第二下表面用于定位成与第二或接合工件的第一上表面相邻。虽然可以以各种方式执行此工艺，但会以各种方式影响翘曲工件，并且包括例如改形、再成形、和重新构造的工艺，为了简化描述，在本文中将该工艺主要地称为将工件改形。在一些实施例中，在接合之前，使用施加于翘曲工件的第一表面的方向力而将翘曲工件改形。
[0007]在一些实施例中，多于一个的工件可具有翘曲或变形。可以以预定的方式执行使各工件改形的工艺，以减小在待接合的工件之间所存在的分离。
[0008]代替地或另外地，在一些实施例中，可以将方向力施加于接合工件的第二表面，其中第二表面与接合工件的第一表面相对，该接合工件与翘曲工件的第二表面接合。
[0009]在一些实施例中，通过由使用表面布置感测装置(例如激光扫描仪)而促进的定位来将翘曲工件改形，该表面布置感测装置在接合期间发现和/或跟踪表面以维持大体垂直于翘曲工件的焊接头的位置。激光扫描包括例如摄像机和束发生器的部件。这种装置是用于充分地确定在接合之前或者接合期间需要改形的翘曲工件的部分。
[0010]在一些实施例中，将摄像机与控制器一起使用，该控制器基于限定的焊接任务而执行程序。摄像机捕获翘曲工件的特征，使用传感器来捕获光，并且将该特征作为数据传送至控制器。控制器将数据处理成翘曲工件的图像，并且执行指令以将焊接头调整到垂直于翘曲工件接合的位置。
[0011 ]在一些实施例中，使用定位装置将翘曲工件改形，该定位装置将焊接头与翘曲工件对准。定位装置使用平移和旋转部件将焊接头定位成大体上垂直于翘曲工件。
[0012]在一些实施例中，通过使用焊接头将翘曲工件改形以使翘曲工件的材料软化，这可以被称为热软化。一旦翘曲工件的(例如，在其内部的)材料被软化，则将方向力施加于翘曲工件。施加到软化工件的力导致该工件再成形而远离翘曲形状，从而减小通过将翘曲工件定位成抵靠接合工件所形成的分离。
[0013]本公开的其它方面将是部分明显的，并且在下文中部分地指出。
[0014]本发明还涉及以下方案:
方案1.一种用于将具有变形的第一工件接合到第二工件的方法，包括:
将所述第一工件定位成与所述第二工件相邻使得具有所述变形的所述第一工件的第一表面在焊接头的顶部附近，并且所述第一工件的第二表面与所述第二工件的第一表面相邻;
通过从焊接头向在所述变形处或其附近的所述第一工件的所述第一表面施加第一预定量的能量，使所述第一工件的材料软化；
在开始使所述第一工件的材料软化之后，在所述变形处或其附近施加力于所述第一工件的所述第一表面，从而导致所述第一工件软化以改形到大体上平行于所述第二工件的第一表面的位置，因此减小在由所述第一工件的所述第二表面和所述第二工件的所述第一表面所形成的接合界面处的分离空间；以及
将大于所述第一预定量的能量的第二预定量的能量施加于改形的所述第一工件以在所述第一工件与所述第二工件之间的界面处形成焊接接头。
[0015]方案2.如方案I所述的方法，其中，在所述变形处或其附近将所述第一预定量的能量施加在所述第一工件的所述第一表面上以及将所述第一工件的材料改形被重复，直到在所述接合界面处的分离空间大幅地减小或消除。
[0016]方案3.如方案I所述的方法，其中，在所述变形处或其附近施加所述力在所述第一工件的所述第一表面上并且将所述第一工件的材料改形被重复，直到在所述接合界面处的分离空间大幅地减小或消除。
[0017]方案4.如方案I所述的方法，还包括在所述变形附近将焊接头的顶部定位成相邻且大体上垂直于所述第一工件的所述第一表面，所述焊接头的顶部构造成使所述第一工件的材料软化以及熔化以形成焊接。
[0018]方案5.如方案4所述的方法，其中，将所述焊接头定位包括连接到焊接头的装置的平移和旋转定位。
[0019]方案6.如方案4所述的方法，其中，所述定位包括将光发射到所述第一工件的所述第一表面上。
[0020]方案7.如方案6所述的方法，其中，所述定位还包括使用感测装置捕获在所述第一工件的所述第一表面处所反射的光。
[0021]方案8.—种用于将具有变形的第一工件接合到第二工件的方法，包括:
提供所述第一工件和所述第二工件，其中所述第一工件的第二表面定位成与所述第二工件的第一表面相邻，形成接合界面；
通过在所述变形处或其附近从焊接头施加第一预定量的能量，使所述第一工件的材料软化；
在开始使所述第一工件的材料软化之后，施加力到所述第一工件的第一表面和所述第二工件的第二表面，由此减小由于所述变形而存在于所述接合界面处的分离空间；以及将大于所述第一预定量的能量的第二预定量的能量施加到改形的所述第一工件以在所述第一工件与所述第二工件之间的界面处形成焊接接头。
[0022]方案9.如方案8所述的方法，其中，施加所述力部分地大体上垂直于所述第一工件的所述第一表面，导致所述第一工件改形到大体上平行于所述第二工件的位置。
[0023]方案10.如方案8所述的方法，其中，在所述变形处或其附近将所述第一预定量的能量施加在所述第一工件的第一表面上并且使所述第一工件的材料改形被重复，直到在所述接合界面处的所述分离空间大幅地减小或消除。
[0024]方案11.如方案8所述的方法，其中，在所述变形处或其附近施加所述力在所述第一工件的第一表面上并且使所述第一工件的材料改形被重复，直到在所述接合界面处的所述分离空间大幅地减小或消除。
[0025]方案12.如方案8所述的方法，还包括在所述变形附近将焊接头定位成相邻且大体上垂直于所述第一工件的所述第一表面，所述焊接头构造成使所述第一工件的材料软化以及熔化以形成焊接。
[0026]方案13.如方案12所述的方法，其中，将所述焊接头定位包括连接到焊接头装置的平移和旋转定位。
[0027]方案14.如方案12所述的方法，其中，所述定位包括发射光到所述第一工件的所述第一表面上。
[0028]方案15.如方案14所述的方法，其中，所述定位还包括使用感测装置捕获在所述第一工件的第一表面处所反射的光。
[0029]方案16.—种包括指令的计算机可读存储装置，所述指令当由处理器执行时，导致所述处理器执行操作，用于形成在第一工件与第二工件之间的接合界面，包括:
确定在所述第一工件的第二表面与所述第二工件的第一表面之间存在分离；
启动从在所述变形处或其附近的焊接头将第一预定量的能量施加至在所述变形处或其附近的所述第一工件的第一表面；
启动从焊接头以大于所述第一预定量的能量的第二预定量的能量施加至所述第一工件，因此在所述第一工件与所述第二工件之间的界面处形成焊接接头。
[0030]方案17.如方案16所述的计算机可读存储装置，其中，在所述变形处或其附近处将所述第一预定量的能量的施加在所述第一工件的第一表面上被重复，直到在所述接合界面处的分离空间大幅地减小或消除。
[0031]方案18.如方案16所述的计算机可读存储装置，其中，启动所述第一预定量的能量的施加包括传输请求到在所述变形附近与所述第一工件的第一表面相邻并且大体上垂直于所述第一工件的第一表面的位置，所述焊接头构造成使所述第一工件的材料软化以及熔化。
[0032]方案19.如方案18所述的计算机可读存储装置，其中，启动所述第一预定量的能量的施加包括连接到焊接头的装置的平移和旋转定位。
[0033]方案20.如方案18所述的计算机可读存储装置，其中，启动所述第一预定量的能量的施加包括将光发射到所述第一工件的第一表面上。
【附图说明】
[0034]图1示意性地示出根据一示例性实施例的定位系统。
[0035]图2是图1的定位系统的一替代实施例。
[0036]图3是结合图1和图2中的定位系统使用的控制器的框图。
[0037]图4是示出由图3中的控制器所执行的对准顺序的流程图。
【具体实施方式】
[0038]按需要，本文中公开了本公开的具体实施例。公开的实施例仅仅是可具体实施为各种及替代形式以及其组合的示例。如本文中所使用的，例如示例性的、例示性的、以及类似的术语，可扩展地指代用作例示、试样、模型或模式的实施例。
[0039]在本发明的精神内，描述应广泛的理解。例如，本文中对任何两个部件之间的连接的参考旨在包括直接地或间接地彼此连接的两个部件。作为另一个示例，本文中(例如结合一个或多个功能)所描述的单个部件，应解释成涵盖其中将多于一个部件代替地用于执行功能的实施例。反之亦然，即，本文中结合一个或多个功能对多个部件的描述应解释成是涵盖其中单个部件执行功能的实施例。
[0040]这些附图不一定按比例绘制并且可将一些特征放大或最小化，例如以便显示特定部件的细节。在一些情况下，对于众所周知的部件、系统、材料或方法未进行详细描述，从而避免使本公开难以理解。因此，本文中所公开的特定的结构和功能细节不应解释成是限制性的，而仅仅解释成权利要求书的基础和解释成代表性基础，以用于教导本领域技术人员多方面地使用本公开。
[0041 ] I.本公开的概述-图1至图3
虽然本文中的描述主要地集中于其中两个工件中的一个至少的一个表面是翘曲的情况，但是本技术也有助于其中第一工件的多于一个的表面显示任何变形、或畸形、或者当所接合的两个构件的至少一个表面具有有缺陷的成形的情况。这种翘曲和变形可由例如由于温度变化所导致的翘曲工件的收缩而造成，例如当翘曲工件暴露于在预定的制造公差之外的温度时。
[0042]虽然本文中将超声波焊接描述为一主要示例，但在不偏离本公开的范围的前提下本技术也可结合其它类型的焊接而使用。
[0043]现在转向附图，并且更具体地转向第一附图，图1示出了接合系统100以及机器人10或其它自动装置。机器人10和接合系统100接收来自控制器20的指令。
[0044]接合系统100是用于将具有在其材料结构内部的翘曲的第一工件110(在下文中翘曲工件110)与第二工件120(在下文中，接合工件120)加以对准，以用于例如通过超声波焊接进行接合。
[0045]翘曲工件110包括第一表面112、和与翘曲工件110的第一表面112相反的第二表面114。类似地，接合工件120包括第一表面122、和与接合工件120的第一表面122相反的第二表面124。
[0046]焊接是由翘曲工件110的第二表面114与接合工件120的第一表面122接合形成。在焊接期间，翘曲工件110的第二表面114与接合工件120的第一表面122的界面形成接合界面(例如，结合界面(faying interface))。
[0047]翘曲工件110是预制的工件，该工件当置于与接合工件120接触时并不按照需要完全地与工件120相交。例如，翘曲工件110的第二表面114并不根据在界面处形成合适的焊接的需要以一致的方式接触接合工件120的第一表面122。更具体地，例如弯曲或其它翘曲或变形可阻止翘曲工件110的第二表面114大体上平行于或齐平于接合工件120的第一表面122。
[0048]在材料结构上，翘曲工件110与接合工件120可以是相似的。例如，翘曲工件110和接合工件120两者可由聚合物复合材料构成。相反地，翘曲工件110可以是与接合工件120不同的材料。
[0049]在一些实施例中，一个或多个的工件110、120可包括但不限于聚合物，例如(官能化)聚碳酸酯、聚烯烃(例如，聚乙烯和聚丙烯)、聚酰胺(例如，尼龙)、聚丙烯酸酯、或者丙烯腈-丁二稀-苯乙稀。
[0050]在其它实施例中，一个或多个的工件110、120可包括但不限于复合材料。例如，在一个实施例中，工件110、120的一者或两者包括纤维增强聚合物(FRP)复合材料，例如碳纤维增强聚合物(CFRP)、或者玻璃纤维增强聚合物(GFRP)。复合材料可以例如是玻璃纤维复合材料。在一个实施例中，FRP复合材料是混合塑料-金属复合材料(例如，含有金属增强纤维的塑料复合材料)。在一些实施例中，材料包括聚酰胺级聚合物，其通常可以称为聚酰胺。在一个实施例中，工件110、120中的一者或两者的材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。在一个实施例中，工件110、120的一者或两者的材料包括聚碳酸酯(PC)。
[0051]工件110、120的一者或两者的材料还可包括一种类型的树脂。示例性的树脂包括玻璃纤维增强聚丙烯(PP)树脂、PC/PBT树脂、和PC/ABS树脂。
[0052]工件110、120中的至少一个可以包括合成分子、或无机分子。虽然所谓的生物聚合物(或绿色聚合物)的使用正在增加，但石油基聚合物仍然更加普遍。工件110、120中的一者或两者的材料还可包括回收材料，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)聚合物，其是大约85%的消费后的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在一个实施例中，工件110、120中的一者或两者包括一些种类的塑料。在一个实施例中，材料包括热塑性塑料。
[0053]在一些实施例中，在图1和图2中的位置101，焊接头140至少部分地与翘曲工件110的第一表面112接触。然而，在位置101，焊接头140的边缘或顶部142(以非限制性方式并且为了简便而称为顶部)未定位成垂直于翘曲工件110的第一表面112(与目标焊接表面垂直的位置是由经过焊接头140的虚线示出)。如上所述，当焊接头140的顶部142保持成不垂直于翘曲工件的第一表面112时，在工件110、120之间会出现不合适的焊接成形。在涉及激光或另一个基于电子的感测系统的预期实施例中，在顶部142接触最接近的工件110的之前和/或之后，将焊接头140调整成朝向垂直的位置。
[0054]焊接头140的顶部142与翘曲工件110的第一表面112的对准可以利用将焊接头140定位成大体上垂直于翘曲工件110的第一表面112的任何系统、设备、装置、或方法而实现一即，将角140与工件110对准。对准可以包括例如下面详细地讨论的扫描对准(示于图1)或者定位对准(示于图2)。
[0055]在图1和图2中的位置102，在调整为垂直于表面112之后，焊接头140可以在能量传递区145接触翘曲工件110的第一表面112。能量传递区145最初由在焊接头140的顶部142与翘曲工件110的第一表面112之间的接触区形成。
[0056]如图1和图2中所示，最初由空间130将翘曲工件110与接合工件120分开。在传统的超声波工艺中，使焊接头140以预设的方式朝向最接近的工件(翘曲工件110)移动，如果最接近的表面合适地成形，则焊接头将会垂直于最接近的表面(第一表面112)。例如，由机器人10以竖直的方式使焊接头140降低，但当表面112翘曲时焊接头140未对准成垂直于第一表面112。焊接头140与翘曲工件110的垂直对准形成更加理想的焊接条件。
[0057]不同于传统的超声波工艺，接合系统100将焊接头140定位成大体上垂直于翘曲工件110，这增加焊接头140与工件110之间的接触，允许更多的超声波能量从焊接头140被施加至工件110并且更一致地将更多的超声波能量传输经过翘曲工件110的材料的区域。将焊接头140定位成大体上垂直于翘曲工件110，允许焊接头140更直接地或稳健地将超声波能量输送至翘曲工件110和接合工件120。
[0058]当焊接头140未垂直于翘曲工件110时，大量的超声波能量(例如，由超声波所承载的声音)从翘曲工件110的第一表面112反射而不是传输进入翘曲工件110中。因此，超声波能量的传输将会被减小，从而潜在地导致差异性焊接或者尺寸过小的焊接。将翘曲工件110改形使得翘曲工件110的第二表面114平行于或者至少更加与接合工件120平行或齐平允许更好的焊接成形，其中在整个焊接区更一致地形成焊接。
[0059]在图1和图2中的位置103处，将方向力(用箭头示出)施加于翘曲工件110的第一表面112和接合工件120的第二表面124，由此将工件110、120朝向彼此推动。在一些实施例中，方向力是以夹持力施加的。
[0060]在一些实施例中，利用由于在施加方向力之前和/或期间来自焊接头140的超声波振动所产生的热使翘曲工件110软化。该过程(可称为热软化)允许翘曲工件110内部的材料软化以用于改形成更适合于与接合工件120的焊接的形状。由于热软化和/或方向力，因而减少位于翘曲工件110的第二表面114与接合工件120的第一表面122之间的空间130，如果该空间130未完全地消除。
[0061]下面结合图4对使翘曲工件110的第二表面114更加平行、或者与接合工件120的第一表面122齐平的工艺相关的进一步的细节进行讨论。
[0062]在一些实施例中，在改形期间，由焊接头140所产生的超声波能量引起高频率振动(例如，1 kHz或更大)，该高频率振动改变翘曲工件110的分子结构。该振动能量通过使翘曲工件110内部的材料软化的分子间摩擦而变化成热。从焊接头140所传输的超声波能量可以最初施加在翘曲工件120的第一表面122上的任何位置处、在翘曲工件110的材料的翘曲或变形处或附近。
[0063]当高频率振动继续时，能量传递区145的尺寸继续膨胀，如在图1和图2中的位置102和位置103之间所示。随着能量传递区145膨胀，在翘曲工件110内部的材料软化，并且力将工件110、120朝向彼此推动，翘曲工件110被改形，允许至少在能量传递区145或与能量传递区145相邻的位置，翘曲工件110的第二表面114变为与接合工件120的第一表面122大体上平行或齐平，如在位置104中所示。
[0064]最终，能量传递区145膨胀经过部分或全部的翘曲工件110并且进入接合工件120，如在图1和图2中的位置104处所示。在图1和图2中，能量传递区145已膨胀从而导致经过在翘曲工件110和接合工件120内部的另外材料的软化。最终，能量传递区145膨胀从而在翘曲工件110与接合工件120之间的接合界面(例如，结合界面)处形成焊接。如所描述的，如果翘曲工件110未改形以增加翘曲工件110与接合工件120之间的接触，能量传递区145将会不转移至接合工件120，或者至少不转移到很大程度。
[0065]虽然超声波振动描述为用于热软化的主要示例，但在不偏离本公开的范围的前提下本技术可以结合其它加热方法而使用。例如，翘曲工件110的材料的热软化可通过加热方法(例如红外辐射或激光发射)而进行。用于翘曲工件110的热软化的加热方法对于需要接合的应用会是专用的。
[0066]在一些实施例中，焊接头140附接到机器人并且由机器人10移动。机器人10可以编程(例如，通过控制器20的编程)而调动焊接头140，允许翘曲工件110内部的一个或多个部分的软化和焊接。超声波焊接受益于借助于控制器20可由机器人10提供的焊接头140的精确定位。
[0067]机器人10可以包括执行空间感测(例如在可以称为视觉智能的过程中)的部件。部件例如是红外传感器、振动传感器、摄像机组件、视觉处理器、以及与空间感测相关的其它部件。例如，振动传感器可以通知机器人10它已与意外的物体发生碰撞并且终止机器人控制程序，或者修改程序内部的顺序使得机器人不会再访碰撞的位置。
[0068]图3中示出了控制器20，在各种实施例中该控制器20是存储并处理计算机可执行指令的可调整硬件。控制器20构造成与机器人10进行通信(例如，使用控制信号)。在一些实施例中，控制器20构造成与摄像机150进行通信(图1)，以用于接收来自摄像机150的反馈并且/或者控制摄像机150的功能。
[0069]控制器20可以是微控制器、微处理器、可编程逻辑控制器(PLC)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)等。可通过使用代码库、静态分析工具、软件、硬件、固件等而开发控制器。硬件或固件的任何使用包括从FPGA中获得的一定程度的灵活性和高性能，其结合了专用和通用系统的益处。
[0070]控制器20包括包含硬件和软件的存储器210。存储器210可包括在控制器20中所使用的若干种类的软件和数据，包括应用程序220、数据库230、操作系统(0S)240、和I/O装置驱动器250。
[0071]正如本领域技术人员将理解的，OS240可以是供数据处理系统使用的任何操作系统。I/o装置驱动器250可包括经过OS 240由应用程序220访问的各种例行程序(routine)，以与装置和某些存储器部件进行通信。
[0072]应用程序220可以作为可执行指令存储于存储器210中和/或固件中(未示出)并且可以由处理器260执行。应用程序220包括各种程序，例如当由处理器260执行时，下面描述的对准顺序300(示于图4)。
[0073]应用程序220可应用于存储在数据库230中的数据，例如机器人10的限定的移动/位置以及来自摄像机150的数据，例如经由I/O数据端口 270所接收的数据。数据库230表现由应用程序220、0S 240、1/0装置驱动器250、以及可存在于存储器210中的其它软件程序所使用的静态或动态数据。
[0074]虽然存储器210示出为存在于靠近处理器260，应当理解的是存储器210的至少一部分可以是远程访问的存储系统，例如在通信网络上的服务器、远程硬盘驱动器、可移动存储介质、其组合等。因此，任何上文描述的数据、应用程序、和/或软件可以存储于存储器210的内部和/或经由网络连接而访问到其它数据处理系统(未示出)，该网络可包括例如局域网(LAN)、城域网(MN)、或者广域网(WAN)。
[0075]应当理解的是图3和上文的描述旨在提供对其中可以实施本公开的一些实施例的各种方面的合适环境的简要一般的描述。虽然描述涉及计算机可读指令，但除了或代替计算机可读指令，本公开的实施例还可以结合其它程序模块和/或作为硬件与软件的组合而实施。
[0076]术语“应用程序”或者其变型在本文中可扩展地使用，以包括例行程序、程序模块、程序、部件、数据结构、算法等。应用程序可以实施于各种系统构造，包括单处理器或多处理器系统、小型计算机、大型计算机、个人计算机、手持式计算装置、基于微理器的可编程消费电子产品，其组合等。
[0077]I1.定位系统的实施例-图1和图2
接合系统100可以包括任何各种对准装置、部件、或结构或者与任何各种对准装置、部件、或结构一起使用，以合适地定位焊接头140。对准装置和结构应当机械地或者通过自动机器(例如执行软件以控制机器人10的自动机器)调整其自身到期望的位置。例如，对准结构可以包括如图1中所示的激光扫描装置、或者如图2中所示的机械定位装置。
[0078]图1中示出了在对准和/或接合期间利用激光扫描来发现和/或跟踪表面以维持焊接头140相对于翘曲工件110的合适位置(例如，大体上垂直于所述工件)的接合系统100的示例性实施例。
[0079]部件例如但不限于可视化部件150，该可视化部件150可用于充分地确定并调整翘曲工件110的翘曲。具体地，可视化部件150可与控制器20连通(如图1中所示)以传送确定工件110的至少第一表面112的翘曲的由可视化部件150所感知的数据。控制器20执行功能，例如基于限定的焊接任务而执行程序或子程序。
[0080]虽然在本文中将可视化部件150主要地描述为摄像机，但可视化部件150可以包括任何一个或多个的各种部件，其将可视化输入提供给机器人，允许例如机器人可视化。示例性可视化部件150包括但不限于传感器(例如，摄像机或者压力传感器)、激光、和雷达，构造成用于确定在接合界面的焊接之前或期间的工件的位置和/或取向。作为摄像机150的可视化部件在本说明书中旨在涵盖此部件。
[0081]在常规的接合期间，摄像机可以捕获并传送确定工件与预定的一组参数的一致性的数据，例如焊接缺陷(例如，多孔或裂纹)。另外，摄像机可以用于检验例如工件是否满足规范要求(例如，通过/不通过的情况)，以使焊接测量与预定的数据(例如，置于控制器软件内的公差)相关联。
[0082]在操作中，摄像机150利用一个或多个传感器来捕获翘曲工件110的第一表面112的特征(例如翘曲或变形)。例如，特征可以是以被翘曲工件110的第一表面112所反射光的形式来捕获。
[0083]摄像机150将所捕获的特征作为数据(特征数据)传送至控制器20。控制器20将特征数据处理成翘曲工件110的第一表面112的图像并且执行指令以利用机器人10将焊接头140调整到垂直于翘曲工件110的第一表面112以用于接合。
[0084]在一些实施例中，从束发生器160所产生的低功率激光束165例如发射出在翘曲工件110的第一表面112反射的光。来自激光束165的光作为特征数据朝向摄像机150平移。从这里，控制器20将特征数据转换成翘曲工件110的第一表面112的图像，该图像可以用于接头跟踪或焊接检查目的。
[0085]平台12构造成与对准装置连接，其将焊接头140对准并且定位成大体上垂直于翘曲工件110的第一表面112。平台12包含构造成附接到机器人10的一部分(例如，机器人臂)的第一表面14、以及一个或多个第二表面16，其构造成附接到有助于将焊接头140对准成垂直于翘曲工件110的第一表面112的部件。
[0086]例如，平台12可将第二表面16与可视化装置(例如，摄像机150)或激光装置(例如，束发生器160)等连接，尤其如图1中所示。在使用摄像机150和束发生器160时，平台12的第一表面附接到机器人10，与平台12的第一表面成一角度的第二表面构造成定位摄像机150，以及与平台的第一表面成一角度的第三表面构造成定位激光发生器160。在一些实施例中，摄像机150和激光发生器160可定位在相同表面上(例如，在摄像机150包括激光发生器160的情况下)。
[0087]图2示出了接合系统100的另一个示例性实施例。图2的系统100包括定位装置170，以将焊接头140定位成在对准和/或接合期间大体上垂直于翘曲工件110。定位装置170是一个或多个机械装置或部件，该装置或部件提供平移(x、y、z)以及旋转(x、y、z)，这提供6个自由度以将焊接头140对准成垂直于翘曲工件110的第一表面112。
[0088]平移允许定位装置170在侧向平面上向前和向后(沿X-轴)、左和右(沿y-轴)、和/或向上和向下(沿Z-轴)而移动。另外或替代地，旋转允许定位装置170围绕X-轴、y-轴和/或Z-轴旋转以允许定位装置170对准成垂直于翘曲工件110的第一表面112。定位装置170的平移/或旋转部件可使用机械装置(例如铰链、弹簧、线圈、轴承等)将焊接头140定位。
[0089]如图2中所示，平台12可构造成连接到定位装置170。在使用定位装置170的情况下，平台12的第一表面14附接到机器人10，平台12的第二表面16与第一表面14相反并且构造成附接到定位装置170的面板172，因此将定位装置170连接到机器人10，用于在工件110、120进行定位、改形和/或接合期间使用。
[0090]面板172接合到平台12的第二表面16，以便将定位装置170和因此焊接头140调整到垂直于翘曲工件110的第一表面112的位置。面板172可作为将定位装置170连接到机器人10的装置独立地使用，或结合有助于将焊接头140对准成垂直于翘曲工件110的第一表面112的定位装置170的部件。在一些实施例中，面板172不存在并且定位装置170的一部分将可与机器人10的一部分连接。
[0091]另外，随着翘曲工件110的材料软化并且改形到大体上平行于接合工件120的位置，平台12可构造成在将焊接头140调整成大体上垂直于翘曲工件110的第一表面112的期间利用定位装置170进行调整。
[0092]系统100可以包括在系统100内部或者支持系统100的一个或多个其它装置和部件。例如，多个控制器可用于产生焊接头140的调整，必要时，例如使用到机器人10的指令。
[0093]II1.操作的方法-图4
图4是示出执行定位和焊接顺序300的方法的流程图，由此使翘曲工件110的第二表面114与接合工件120的第一表面122更加平行或齐平。
[0094]应当理解的是，方法的步骤不必按任何特定的顺序而示出，并且以替代的顺序执行一些或全部的步骤(包括贯穿这些附图)是可以的并且是可想到的。
[0095]为了便于描述和示出，以示出的顺序示出步骤。在不偏离所附权利要求的范围的前提下，可以增加、省略和/或同时地执行步骤。也应当理解的是，示出的方法或子方法可以在任何时间结束。
[0096]在某些实施例中，该工艺的一些或全部的步骤、和/或基本上等同的步骤是由处理器(例如计算机处理器)执行，所述处理器执行与一个或多个相应的算法相对应的计算机可执行指令以及存储或包括在计算机可读介质中的相关支持数据，例如任何上述计算机可读储存器，包括远程服务器和车辆。
[0097]软件可由处理器260所执行的控制器作用所接入(例如，使用启动程序)从而执行(commiss1n)顺序300。例如，顺序300可由控制器20根据任何的各种定时协议来执行，例如连续地或者几乎连续地，或者例如以特定的时间间隔(例如，每秒)。替代地，启动程序可基于一个或多个预定的事件的发生而执行，例如确定焊接头140未垂直于第一工件110的第一表面112。
[0098]一旦软件接入，在步骤310处，处理器260确定焊接头140的顶部142是否定位成垂直于翘曲工件110的第一表面112。
[0099]在顺序300确定焊接头140的顶部142定位成垂直于翘曲工件110的第一表面112(例如，路径312)的情况下，在步骤350处理器260执行导致焊接头140接合工件110、120的至少一部分的指令。
[0100]在焊接头140的顶部142未定位成垂直于翘曲工件110的第一表面112的情况下，对于使用示例性定位装置170(图2)来定位焊接头140(例如，路径314)的实施例而言，流程进入步骤330，在其处定位装置170自对准以将焊接头140定位成垂直于第一表面112。更具体地，一旦使用控制器20将机器人10定位到用于改形和/或接合工件110、120的预定位置，在不使用来自控制器20的另外指令的情况下使用机械部件的定位装置170允许调整焊接头140的取向直到焊接头140大体上垂直于接合工件120的第一表面122。
[0101]在步骤330，使用定位装置170的焊接头140的定位可以包括定位装置170其自身(例如面板172)的调整或者与机器人10相关的部件(例如平台12)的调整。例如，面板172可以使用机械部件围绕一个或多个轴线平移和/或围绕一个或多个轴线旋转，以合适地将焊接头140定位成垂直于翘曲工件110。
[0102]在焊接头140的顶部142未定位成垂直于翘曲工件110的第一表面112并且扫描对准装置(例如摄像机150和激光发生器160)用于定位焊接头140(例如，路径316)的情况下，方法300可以任选地在步骤310之后，在步骤320处对翘曲工件110的第一表面112进行扫描。例如，在一些实施例中，控制器20通过确定仪器(例如经过I/O端口 270进行通信的束发生器160和摄像机150)的存在而确定一个或多个扫描对准装置存在或者正在使用。
[0103]在步骤320处，如结合图1所讨论的，通过激光束165发生扫描，该激光束发射光，所述光在翘曲工件110的第一表面112反射并且作为特征数据与摄像机150通信并且由控制器20处理成翘曲工件110的第一表面112的图像。控制器20解释第一表面112的图像并且确定焊接头140是否需要调整以使焊接头140垂直于翘曲表面110。
[0104]一旦翘曲工件110的第一表面112已被扫描，在步骤330处，处理器260基于第一表面112的图像执行指令以将焊接头140定位成大体上垂直于接合工件120的第一表面122。使用扫描对准的焊接头140的定位可以包括束发生器160(且因此束165)的调整。
[0105]接着，在步骤340处，处理器260确定在翘曲工件的第二表面114与接合工件的第一表面122之间是否存在间隙(例如，空间130)。空间130的存在可以防止接合工件110、120的优选的或理想的焊接的形成。
[0106]空间130的存在可以通过任何数量的方法和步骤来确定，包括但不限于，人操作者对系统100的目视检查、或者使用从可视化装置(例如，摄像机)或物体检测系统(例如，雷达)得到的数据进行计算。
[0107]例如，控制器20可包含限定预定距离的设置(例如，在其存储器210内部)，在该预定距离处焊接头140的顶部142应当与翘曲工件110的第一表面112接触。如果，在焊接头140的最初的定位(例如，在图1和图2的位置101)和/或焊接头140的对准(例如，在图1和图2的位置102)时，确定在达到预定距离之前焊接头140达到第一表面112，或者焊接头140在不接触第一表面112的情况下移动大于预定的距离。控制器20可确定这些，因为未到达预定的距离或过早地到达，在工件110与120之间存在不希望的分离(例如，空间130)。
[0108]如果不存在空间130，则顺序的流程流至(例如，路径342)步骤350，在其处控制器20执行指令，导致焊接头140接合工件110、120的至少部分。
[0109]用于将工件110与120接合的超声波振动具有促进足以使翘曲工件110的材料熔化的热的产生的频率。例如，在1 KHz与70 KHz之间的频率可以用于使翘曲工件120的材料熔化。
[0110]低振幅高频率振动导致翘曲工件110的变形，主要地在接合界面处或与接合界面相邻(例如，结合界面和表面粗糙处)。变形通过分子间摩擦转换成热。在接合界面处为最高的热足以使翘曲工件110熔化并且将工件110、120熔接到一起。
[0111]如果确定空间130是存在的，则顺序的流程(例如，路径344)进入步骤360，在其处控制器20执行指令，这导致焊接头140在翘曲/变形的位置处或其附近将翘曲工件110的至少一部分软化并且改形。在一些实施例中，改形是通过用于使材料软化的热的产生以及通过施加方向力而实现的(步骤370)。如果不完全地消除在翘曲工件110与接合工件120之间的空间130，则翘曲工件110的改形减小。改形翘曲工件110涉及使翘曲工件110的材料软化并且允许翘曲工件110朝向期望的形状改形。
[0112]在一些实施例中，翘曲工件110的材料的软化通过利用超声波振动加热材料而发生。超声波振动最初由焊接头140分布在翘曲工件110的第一表面112上的任何数量的位置处，并且导致翘曲工件110内部的分子移动并且在能量传递区145内部产生热。随时间推移，通过翘曲工件110的另外分子的加热，发生能量传递区145的膨胀。
[0113]通过施加朝向翘曲工件110指向的相对较低振幅的高频率机械振动，可以实现导致翘曲工件110的加热的超声波振动。这些振幅和频率可以是低于例如用于焊接的振幅和频率。例如，在大约I微米(μπι)与大约250 pm之间的振幅和在大约10千赫兹(KHz)与大约70KHz之间的频率可以用于使翘曲工件110的材料发生变形。在此范围内的振幅和频率允许将材料重新定位到对于接合是期望的位置(例如，大体上平行于接合工件120)。
[0114]在翘曲工件110内部的软化材料的冷却可通过与环境的热交换(例如，到周围空气的热损失)而发生，从而形成固化的工件，而没有接合界面处的翘曲。
[0115]如上所述，将翘曲工件110的第一表面112改形可以包括在步骤370处例如由处理器260施加方向力，所述处理器执行向工件(例如向翘曲工件110的第一表面112和接合工件120的第二表面124)施加方向力的指令，由此将工件110、120朝向彼此推动。方向力可由控制器20启动，例如，执行导致部件(例如压缩夹)施加方向力(例如，夹持力)到翘曲工件110的第一表面112和接合工件120的第二表面124的指令。施加方向力到翘曲工件110的软化的或者其它方面的材料上，可以有助于翘曲工件110的改形以允许翘曲工件110定位成大体上平行于或者齐平于接合工件120。
[0116]可以在翘曲工件110上任何数量的任何一个或多个的各种位置处施加足以将翘曲工件110改形的方向力。例如，可在其处确定存在翘曲或变形(例如通过使用摄像机)的翘曲工件110的第一表面112上的一个位置施加方向力。如在图1和图2的位置103处所示，可以大体在翘曲工件110的表面112开始从其意图形状偏离(例如从大体上平坦的表面偏离)的位置施加方向力(用箭头表示)。
[0117]还可以在接合工件120的第二表面124的一个或多个位置处施加方向力。在其中工件(例如接合工件120 )的一个由静态物体(例如工作台、长凳、铁砧、或地板)保持就位的情况下，响应于在物体/工件界面处从施加在其它工件处的方向力所接收的方向力可以从静态物体接收在该工件上的方向力。
[0118]在各种实施例中，将翘曲工件110改形的所需的方向力的量在大约50和大约4，000牛顿(N)之间的范围内。可以影响所施加力的量的参数可以包括例如工件的厚度、工件的材料、和将工件改形的温度中的任一个。例如，当热塑性材料构成翘曲工件110时翘曲工件110改形所需的方向力可以在大约50和大约I，000 N之间。然而，当金属材料构成的翘曲工件110时在相同的温度下翘曲工件110改形所需的方向力可以在大约50和大约4,000 N之间。
[0119]将翘曲工件110改形所需的方向力的量可在施加方向力时受到翘曲工件110的温度的影响。具体地，随着翘曲工件110的温度升高，将翘曲工件110改形所需的方向力的量减小。例如，在室温下将翘曲工件110改形所需的方向力的量大于在高于室温但低于翘曲工件110的材料的再结晶温度的温度下将翘曲工件110改形所需的方向力的量。
[0120]在方向力的两个或更多位置位于相同表面上的情况下，方向力的量可以均等地或不均等地分配在各位置中。如图1和图2中所示，在多个位置处将方向力施加在翘曲工件110的第一表面112和接合工件120的第二表面124上。
[0121 ]在一些实施例中，翘曲工件110的改形涉及到在施加能量之前、期间、或之后施加方向力以使翘曲工件110的材料软化，如结合步骤350所描述的。在一些实施例中，可以将使材料软化(例如，步骤360)和施加方向力(例如，步骤370)结合到一个步骤或工艺中并且或多或少地同时地由控制器20执行。
[0122]在一些实施例中，控制器20可包括(在存储器210中)一个或多个设置，在步骤360的每次迭代期间该一个或多个设置分别在步骤360和370处将施加给翘曲工件110的第一表面112的超声波能量或方向力的量调节到预定量，使得未过度软化或过度压缩翘曲工件110，从而导致翘曲工件110的潜在失效。在操作中，在软化之前、期间或之后，控制器20利用处理器260将会执行指令以施加预定量的超声波能量或方向力到工件110、120，从而减小存在于工件110与120之间的空间130。
[0123]接着，顺序300，在加热和/或压缩力已将翘曲工件110改形之后，重新评估空间130是否仍然存在。如果空间仍然存在，则控制器20再次执行步骤360和370。
[0124]一旦空间130已被减小或消除，则可在步骤350处将工件110、120接合。在步骤350处将工件110、120接合之后，在350处焊接完成之后顺序300利用控制器20自动地脱离或者发送“脱离响应模式”信息，其结束于顺序300。
[0125]IV.选择特征
在上文中描述本技术的许多特征。本节中概要地示出本技术的一些所选择特征。应该理解的是本节仅强调少数的本技术的许多特征，并且下文的段落并非意为限制性的。
[0126]本技术的一个益处是，系统确保焊接头定位成大体上垂直于工件、甚至当在工件内部存在翘曲或变形时。将焊接头定位成大体上垂直于工件允许在焊接头与工件的第一表面之间的最大接触表面积，用于将工件改形。
[0127]本发明的另一个益处是系统允许在接合之前软化工件并将翘曲工件改形。将翘曲工件30改形允许在接合期间翘曲工件大体上平行于接合工件，这产生在尺寸和深度上始终一致的焊接。
[0128]本发明的另一个益处是系统允许基于不同工件的翘曲来调整焊接头。考虑到各工件可能不是以类似的方式翘曲的，该系统提供用于调整关于不同的材料问题的灵活解决方案。
[0129]除了使能量传递到第一工件的量和效率最大化之外，本发明的另一个益处是用于焊接的焊接头合适的对准减小焊接头的损伤。当焊接头未对准成大体上垂直于待接合的工件时，焊接头不以其意图的方式使用，这随时间推移可导致未对准且不一致的焊接成形的问题。合适的对准减少所需的维修和更换的量，并因此增加焊接头的寿命。
[0130]V.结论
本文中公开了本公开的各种实施例。所公开的实施例仅仅是示例，其可具体实施为为了清楚地理解本公开的原理而陈述的各种和替代的形式、以及其组合。
[0131]在不偏离权利要求书的范围的前提下，可在上述实施例中作出变形、修改、和组合。在本文中，由在本公开和所附权利要求书的范围包括所有这样的变形、修改、以及组合。
【主权项】
1.一种用于将具有变形的第一工件接合到第二工件的方法，包括: 将所述第一工件定位成与所述第二工件相邻使得具有所述变形的所述第一工件的第一表面在焊接头的顶部附近，并且所述第一工件的第二表面与所述第二工件的第一表面相邻; 通过从焊接头向在所述变形处或其附近的所述第一工件的所述第一表面施加第一预定量的能量，使所述第一工件的材料软化； 在开始使所述第一工件的材料软化之后，在所述变形处或其附近施加力于所述第一工件的所述第一表面，从而导致所述第一工件软化以改形到大体上平行于所述第二工件的第一表面的位置，因此减小在由所述第一工件的所述第二表面和所述第二工件的所述第一表面所形成的接合界面处的分离空间；以及 将大于所述第一预定量的能量的第二预定量的能量施加于改形的所述第一工件以在所述第一工件与所述第二工件之间的界面处形成焊接接头。2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述变形处或其附近将所述第一预定量的能量施加在所述第一工件的所述第一表面上以及将所述第一工件的材料改形被重复，直到在所述接合界面处的分离空间大幅地减小或消除。3.如权利要求1所述的方法，其中，在所述变形处或其附近施加所述力在所述第一工件的所述第一表面上并且将所述第一工件的材料改形被重复，直到在所述接合界面处的分离空间大幅地减小或消除。4.如权利要求1所述的方法，还包括在所述变形附近将焊接头的顶部定位成相邻且大体上垂直于所述第一工件的所述第一表面，所述焊接头的顶部构造成使所述第一工件的材料软化以及熔化以形成焊接。5.如权利要求4所述的方法，其中，将所述焊接头定位包括连接到焊接头的装置的平移和旋转定位。6.如权利要求4所述的方法，其中，所述定位包括将光发射到所述第一工件的所述第一表面上。7.如权利要求6所述的方法，其中，所述定位还包括使用感测装置捕获在所述第一工件的所述第一表面处所反射的光。8.—种用于将具有变形的第一工件接合到第二工件的方法，包括: 提供所述第一工件和所述第二工件，其中所述第一工件的第二表面定位成与所述第二工件的第一表面相邻，形成接合界面； 通过在所述变形处或其附近从焊接头施加第一预定量的能量，使所述第一工件的材料软化； 在开始使所述第一工件的材料软化之后，施加力到所述第一工件的第一表面和所述第二工件的第二表面，由此减小由于所述变形而存在于所述接合界面处的分离空间；以及 将大于所述第一预定量的能量的第二预定量的能量施加到改形的所述第一工件以在所述第一工件与所述第二工件之间的界面处形成焊接接头。9.如权利要求8所述的方法，其中，施加所述力部分地大体上垂直于所述第一工件的所述第一表面，导致所述第一工件改形到大体上平行于所述第二工件的位置。10.一种包括指令的计算机可读存储装置，所述指令当由处理器执行时，导致所述处理器执行操作，用于形成在第一工件与第二工件之间的接合界面，包括: 确定在所述第一工件的第二表面与所述第二工件的第一表面之间存在分离； 启动从在所述变形处或其附近的焊接头将第一预定量的能量施加至在所述变形处或其附近的所述第一工件的第一表面； 启动从焊接头以大于所述第一预定量的能量的第二预定量的能量施加至所述第一工件，因此在所述第一工件与所述第二工件之间的界面处形成焊接接头。
【文档编号】B29C65/78GK106003694SQ201610171372
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】P-C.王, N.D.麦凯, D.高, B.J.布拉斯基
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司