包括力传感器的超声波焊接装置的制作方法

本发明涉及一种超声波焊接装置以及运行该超声波焊接装置的方法。

背景技术：

1、对于各种各样的技术应用而言，可能需要以机械固定和/或导电的方式将两个部件接合在一起。例如，出于各种目的，可能需要以机械和导电的方式将电缆线接合在一起。因此，可以生产出线束或电缆束，例如其可以用于以导电的方式将例如车辆内部的用电装置彼此连接、连接到能源和/或连接到控制系统。

2、开发所谓的超声波焊接是为了在导电部件之间产生物质对物质的接合，从而为它们提供高强度和良好的导电性。这是一种特殊形式的摩擦焊接，其中待焊接的部件作为接合件，在低压力和高频机械振动下彼此表面接触并对着彼此移动。所述振动可以借助于焊头装置产生，其中频率通常为20khz至50khz的超声波振动被生成并传递到所述接合件至少之一。然后，塑性流动允许所述接合件在表面附近渗透或彼此互锁，而所述接合件的材料不必熔化。因此，超声波焊接可用于以低冲击、快速且经济的方式将接合件接合在一起。

3、超声波焊接尤其是也用于焊接比如金属接合件，例如用于将多股电缆焊接在一起，用于对电缆内的各个导线进行焊接压缩，用于将一个或多个电缆焊接到接触元件，和/或用于焊接金属板。为此目的，通常将接合件插入超声波焊接装置的容纳腔中，然后在发生超声波振动的焊头的焊头头部与砧座之间焊接在一起。

4、为了能够在利用所述焊头装置进行超声波焊接期间将超声波振动施加在待焊接的所述接合件上，所述焊头通常在一端机械地耦合到振动发生器。所述焊头具有焊头头部，与所述振动发生器间隔开。由所述振动发生器例如借助于转换器产生、并可选地通过增强器改变的超声波振动通常通过所述焊头的细长本体和/或附加部件传递到所述焊头头部。通过使所述焊头和所述砧座相对于彼此朝向彼此位移并且因此将所述接合件夹持在它们之间，所述超声波振动可以被传递到所述接合件。

5、已经观察到，超声波焊接操作的结果可能在相当大程度上尤其是取决于在所述操作期间施加在所述接合件上的力。

技术实现思路

1、可能需要一种超声波焊接装置和运行该超声波焊接装置的方法，其允许改进超声波焊接操作的结果。尤其是可能需要相应的超声波焊接装置或运行方法，借助于该设备或运行方法，可以监视和/或调节在超声波焊接运行期间占主导的状态，使得可以改善所得到的焊接的特性、例如接合所述接合件的焊接接头的机械强度、导电性等。

2、这样的需要可以通过独立权利要求的主题来满足。有利的实施例在从属权利要求和以下描述中进行了定义。

3、本发明的第一方面涉及一种超声波焊接装置，其包括焊头装置、砧座、位移装置和力传感器。所述焊头装置在远端区域中包括焊头头部。所述焊头装置被配置为将在焊头装置处在远离焊头头部的区域中产生的超声波振动传递到焊头头部，使得焊头头部在焊头装置的振动方向上振动，并且焊头装置基于振动方向在与焊头头部间隔开的零点位置处在振动方向上最小地振动。位移装置被配置为在位移方向上使焊头装置和砧座相对于彼此位移。力传感器定位在与零位置相邻的接触区域中，并且被配置为使得借助于力传感器能够测量由焊头装置平行于位移方向施加在力传感器上的力。

4、根据第二方面，提出了一种用于运行根据发明第一方面的实施例的超声波焊接装置的方法。该方法包括至少以下步骤：

5、确定由所述焊头装置施加在所述力传感器上的力；

6、在考虑所确定的力的情况下运行所述超声波焊接装置。

7、在不以任何方式限制发明的范围的情况下，与发明的实施例有关的思想和可能的特征可以被认为尤其是基于以下描述的思想和发现。

8、宽泛且简要地概括而言，在此所描述的思想的基本概念可以被视为为超声波焊接装置配备了在焊接操作期间尽可能精确地测量施加在接合件上的力的可能性，使得可以使用关于这些力的信息，例如以优化在焊接操作中使用的参数。已经发现，所需的力测量可以优选地利用在零点位置附近与焊头装置相互作用的力传感器来进行，尤其是利用该定位，一方面，借助于力传感器测量的力允许得出关于在焊接操作期间实际作用在接合件上的力的足够精确的结论，并且另一方面，力传感器不暴露于过度振动。

9、下面将解释在此描述的所述超声波焊接装置的实施例的可能细节。

10、所述超声波焊接装置具有焊头装置。所述焊头装置被设计成将焊头头部置于超声波振动中。为此目的，所述焊头装置通常由多个部件、尤其是振动发生器和焊头组成。振动发生器被布置在焊头装置的近端，并且被设置用于产生超声波振动。为此目的，振动发生器通常具有转换器，该转换器将周期性变化的电信号转换为机械振动。在许多但不是所有的情况下，在振动发生器中进一步设置增强器，借助于该增强器，在机械振动从振动发生器传递到焊头之前对机械振动进行修改。在振动发生器中，在振动方向上产生超声波振动。许多超声波焊接装置适于产生作为纵向振动的超声波振动、即振动方向平行于焊头装置的纵向延伸方向的振动。主要用于超声波焊接过程的振动的振幅在焊头装置内的振动传播方向上行进。在通常是细长的焊头中，机械振动然后被引导到焊头头部，该焊头头部可以位于例如靠近焊头装置的远端的位置。作为替代方案，超声波焊接装置原则上也可以被配置为产生横向振动。

11、由于焊头装置旨在施加力并将超声波振动传递到接合件，因此焊头装置的各个部件通常必须被保持、安装和/或支承在壳体中。为了不至于尤其是由于超声波振动而过度地给所提及的部件或相应的保持器、安装件或支承体加载荷，这里所利用的事实是，沿着焊头装置通常存在一个或多个位置，在所述位置处焊头不振动或至少比在相邻区域中振动得显著更弱。这样的位置通常被称为零点位置，并且构成对于将沿着焊头装置传递的振动而言的节点。布置在这样的零点位置处或接近这样的零点的保持器、安装件或支承体通常被称为零点轴承。

12、在焊接操作期间，砧座用作接合件的对置轴承，接合件受到力并且通过焊头装置的焊头头部而被置于振动。砧座在此可以朝向焊头头部位移，或者可替代地，焊头头部可以沿着位移方向或与位移方向相反地朝向砧座位移并且受到力。作为进一步的替代方案，砧座和焊头头部两者都可以位移。

13、为了将接合件焊接在一起，它们被容纳在焊头头部与砧座之间的容纳腔中。焊头头部和砧座然后借助于位移装置相对于彼此朝向彼此移动。为此目的，位移装置可以具有合适的机构、液压系统、或气动系统等，以用于实现所需的相对运动。根据超声波焊接装置的设计，两个部件中的一个可以以静态方式保持，而另一个部件可以通过位移装置在位移方向上位移。可替代地，两个部件也可以都位移。位移方向横向于、优选垂直于焊头头部的如下表面延伸：焊头头部以所述表面接触接合件以便将超声波振动传递到所述接合件。位移方向通常横向于、尤其是垂直于焊头装置的纵向延伸方向。

14、原则上，可以设想以各种方式确定在超声波焊接装置内部施加在接合件上的力。例如，可以直接测量由位移装置产生的力。然而，已经观察到，在这种容易实施的方案的情况下，在位移装置中测量的力往往似乎与实际施加在接合件上的力不对应。所假设的是，例如摩擦效应、粘附效应(尤其是以所谓的粘滑效应的形式)、以及部件相对于其他部件的临时倾斜等——它们可能发生在部件在位移期间被位移装置移动的情况下——导致由位移装置导致的力不能完全且可重复地传递到接合件。

15、因此，作为一种替代方案，在此提出的是，针对在此描述的超声波焊接装置，将力传感器布置在焊头装置的零位置附近。力传感器在此被布置在有限的接触区域内，该接触区域位于零点位置处或者与该零点位置相距足够小的距离处。

16、力传感器被定位和配置为使得借助于它，可以测量由焊头装置在平行于位移方向的方向上施加的力。为此目的，力传感器可以具有力测量表面，力可以施加在该力测量表面上。力传感器然后可以根据施加的力产生力测量信号。力传感器可以例如借助于其力测量表面与焊头装置的表面直接或间接接触。力测量表面尤其是可以通过中间部件与焊头装置的侧表面直接或间接地相互作用，该侧表面平行于待传递的超声波振动的传播方向延伸。

17、这里应该注意的是，并非所有由焊头装置传递到力传感器的力都需要被定向为平行于位移方向。相反，这个总的力也可以与位移方向成一定角度。然而，力传感器应该被定位和配置为使得也可以测量平行于位移方向定向的这样的总力的至少一部分、即这样的总力的平行于位移方向定向的分力。

18、力传感器在与焊头装置的零点位置相邻的接触区域中的所述布置、以及可以借助于该力传感器测量由焊头装置传递的力的方式可以使各种优点成为可能。

19、尤其是已经观察到，测量由焊头装置施加在布置在其零点位置处的力传感器上的力允许关于由焊头装置最终施加在接合件上的力的特别精确的结论。这之所以发生，尤其是因为在力传感器与焊头装置相互作用的位置与焊头头部与接合件相互作用的位置之间通常不发生或很少发生摩擦损失、由于粘滑效应引起的粘附损失、以及部件倾斜等。

20、此外，焊头装置的尺寸通常是非常精确地已知的。因此，例如可以非常准确地知道力传感器与焊头装置相互作用的位置与焊头装置与接合件相互作用的位置之间的距离。因此，基于已知的尺寸，可以得出例如关于超声波焊接装置内的杠杆比率的结论。因此，由力传感器确定的力可以高度精确地转换为施加在接合件上的力。

21、已经进一步认识到，尽管沿着焊头装置的纵向延伸传递、并且将使焊头头部在振动方向上振动的超声波振动在零点位置处在振动方向上是最小的，但是在横向于振动方向的方向上振荡的相当大的振动完全可能发生在零点位置处。换句话说，沿着焊头装置传递的纵向振动在零点位置处是最小的，但是径向振动或垂直于其定向的横向振动在零点位置可能变得相当大。这样的径向振动也可以被称为收缩振动，因为它们是由焊头装置的周期性横向收缩引起的。通常，径向振动相对于纵向振动具有180°相移。它们的振幅与纵向振动的振幅相比通常要小得多，也就是说，例如只有大约三分之一。径向振动通常基本上平行于位移装置的上述位移方向定向，并因此作为振荡力作用在力传感器上，其中力基本上垂直于力传感器的力测量表面定向。

22、因为径向振动与要传递到焊头头部的超声波振动相关，所以可以通过测量由径向振动导致的力来导出关于由焊头头部传递到接合件的超声波振动的信息。尤其是可以导出关于振动频率、振动幅度和/或其他振动特性的信息。例如，径向振动的频率通常等于传递到接合件的超声波振动的频率，并且径向振动的相位和/或振幅通常以预定方式与传递到接合件的超声波振动的相应值相关。该信息可能有助于影响和/或评估借助超声波焊接装置进行的焊接操作。

23、还已经观察到，当力传感器被布置在焊头装置的零点位置处或接近该零点位置时，它在比较而言小的程度上被沿着焊头装置传递的超声波振动加载荷。这可以对力传感器要满足的规范和/或力传感器的使用寿命具有有利的影响。

24、根据一个实施例，在焊头装置上布置力传感器之处的接触区域将延伸至邻近零点位置，使得在接触区域内，到零点位置的最大距离为零点位置与焊头头部的几何中心之间的距离的20％以下、优选地10％以下或者5％以下。

25、已经认识到可能是有利的是，将力传感器被布置为尽可能靠近焊头装置的零点位置。尤其是力传感器与焊头装置相互作用的位置相对于焊头装置的其它尺寸而言、且尤其是相对于零点位置与焊头之间的距离而言要尽可能小地与零点位置间隔开。例如，力传感器的几何中心与零点位置之间的在焊头装置的延伸方向上测量的侧向距离通常为20mm以下、优选10mm以下。举例来说，该距离在这里涉及如下焊头装置：该焊头装置被设计用于例如20khz范围的超声波振动，并且在所述焊头装置中，焊头的中心与零点位置之间的侧向距离可以例如大约为60mm至70mm。设计用于更高频率的焊头装置通常更短，并且因此所提到的距离被选择为更小。

26、因此尤其可以实现的是，由焊头装置在力传感器通常具有低机械强度的方向上施加在力传感器上的振动、尤其是比如纵向振动被保持得低。此外，可以实现的是，可以通过力传感器特别好地测量振动、尤其是比如径向振动，所述振动可以容易地被力传感器检测到并且可选地允许得出关于将由焊头装置传递的超声波振动的结论。

27、例如，力传感器可以集成在零点轴承中，通过该零点轴承，焊头装置被支承或安装在其零点位置处。

28、根据一个实施例，焊头装置包括振动发生器和焊头。力传感器在此被布置在焊头上靠近零点位置的接触区域中。

29、换句话说，焊头装置可以大致分为至少两个部分。振动发生器例如利用转换器产生超声波振动，并可选地使用增强器对其进行修改。所产生的超声波振动然后被传递到焊头，其中焊头通常在与振动发生器的界面与焊头头部之间是一体的。一个或多个节点既可以出现在振动发生器处、尤其是其可选的增强器处，也可以出现在焊头处，因此可以存在一个或更多个零点位置。已经认识到有利的是，把要用于力测量的力传感器不布置在振动发生器的零点位置处而是布置在焊头上的零点位置处。对于布置在焊头上的这样的零点位置处的力传感器而言，通常存在通过典型的一体式焊头与焊头头部的非常直接的机械耦合。因此，基于由力传感器检测到的力，能够便利地得出关于从焊头传递到与其相邻的接合件的力和/或振动的结论。

30、根据一个实施例，超声波焊接装置还包括轴承元件，该轴承元件插入在力传感器的力测量表面与焊头装置的表面之间，其中轴承元件以至少第一表面接触力测量表面，并且以至少第二表面接触焊头装置的表面。

31、换句话说，力传感器优选可以不直接以其力测量表面抵靠在超声波焊机装置的表面上，而是可以通过中间轴承元件间接地与该表面相互作用。轴承元件可以被配置为将振动、比如尤其是超声波振动，该振动从焊头装置在轴承元件的第二表面处作用在轴承元件上，以经修改的方式传递到其与力传感器力测量表面相对的第一表面。尤其是轴承元件可以被配置为对存在的超声波振动在其频谱方面进行滤波和/或在其振幅方面进行减小。

32、因此，尤其是可以避免力传感器处的过载。另一方面，如果轴承元件的弹性特性和/或阻尼特性是充分已知的，则基于力由传感器测量到且可选地振荡的力，可以得出关于作用在焊头装置中的力和/或振动足够精确的结论。例如，轴承元件可以由玻璃纤维复合物形成。这样的轴承元件可以具有垂直于层方向的约500mpa的抗压强度(根据i so 604测量)和/或平行于层方向的约100kj/m2的抗剪强度(根据vde 0318/2测量)。应注意的是，此处提到的数值应当仅作为示例和在数量级意义上来理解。轴承元件可以在与零点位置相邻的接触区域中与焊头装置接触。

33、根据一个实施例，轴承元件可以比焊头装置更有弹性。

34、换句话说，轴承元件或轴承元件的材料可以具有比焊头装置、并且尤其是其焊头、或者其相应的材料更低的弹性模量。例如，轴承元件的材料的弹性模量可以是通过弯曲试验并根据i so 178rt测量的大约22000mpa，其中应注意的是，此处提及的数值仅以示例的方式并且在数量级的意义上理解。因此，尽管轴承元件在受到焊头装置的(准)静态力时可能基本上尺寸稳定，然而高频振动可以通过轴承元件在一定程度上以过滤的方式被传递。

35、根据一个实施例，力传感器被布置为使得当在焊头头部与砧座之间施加压力时，力传感器受到焊头装置的压力。

36、换句话说，力传感器优选地在焊头装置上被布置为并与焊头装置相互作用为使得其在焊头装置操作过程中通常出现的力作用下受到压力。在许多情况下，这样的压力载荷可能比相应的拉伸载荷更容易和/或更精确地测量。在大多数情况下，焊头装置操作期间通常出现的力是由于如下事实产生的：焊头头部和砧座朝通过位移装置向彼此移动，以接触它们之间容纳的接合件，并将它们至少稍微压在一起。通常，在焊头头部上施加力，该力指向背向砧座的方向，并通过焊头与其相邻的部分传递到布置在焊头零点位置处的力传感器。

37、如此处之前所述，在此描述的超声波焊接装置中，作用在焊头上的力可借助力传感器确定。然后，确定的力可得出关于在焊头头部与砧座之间施加在它们之间所封闭的接合件上的力的结论。尤其是，也可确定具有振荡作用的力。由于在焊接操作期间作用在接合件上的力和振动可能对接合件的焊接产生相当大的影响，因此力传感器确定的信号可用于有利地影响接合件的焊接。

38、为此目的，根据一个实施例的超声波焊接装置还可以包括闭环控制装置，其被配置为在考虑力传感器的信号的情况下调节超声波焊接装置的属性。然后，超声波焊接装置可以运行为使得在考虑力传感器确定的力的情况下调节超声波焊接装置的属性。

39、换个表达方式而言，力传感器所传送的信号或力测量不仅可以用于控制、还可以用于调节超声波焊接设备的一个或多个属性。

40、在常规的超声波焊接设备中，影响焊接操作的属性通常仅由控制系统控制。控制系统指定目标参数，但未考虑超声波焊接设备的属性是否精确地按照那些目标参数出现。相比之下，在这里提出的超声波焊接设备的情况下，在考虑到来自力传感器的信号的情况下，可以调节影响焊接操作的属性，其中这些信号提供了关于超声波焊接设备中实际出现哪些属性以及它们是否以期望的方式遵循目标参数的足够可靠和/或精确的信息。

41、例如，根据一个实施例，所述闭环控制装置可被配置为在考虑力传感器的信号的情况下调节通过位移装置在焊头装置与砧座之间产生的力。然后，所述焊头装置可以被运行为使得在考虑力传感器确定的力的情况下调节通过位移装置在焊头装置与砧座之间产生的力。

42、换个表达方式而言，位移装置的例如机构、液压系统、气动系统、电伺服驱动器等之类用于使焊头装置和砧座朝向彼此移动的力可以不是仅仅通过指定目标力来控制，这在常规超声波焊接装置中常常情况如此。而是在设定该力时，可以考虑由力传感器确定的力。虽然在仅以受控方式指定的常规力设定中无法识别在位移装置位移时有什么力实际作用于接合件，但通过考虑力传感器确定的力可以得出关于实际作用于接合件的力的结论。因此位移装置可以通过闭环控制装置以适当的方式进行调节，以便根据目标规范设置实际作用的那些力。例如，由位移装置在焊头装置与砧座之间设定的相对位置、以及由此作用于接合件的力在其焊接操作期间例如由于自我消解的粘滑效应和/或倾斜而以不期望的方式发生变化的情况下可以被重新调整。

43、根据另一个实施例，所述闭环控制装置可以被配置为在考虑力传感器的信号的情况下调节焊头装置中的超声波产生。然后，所述超声波焊接装置可以运行为使得在考虑由力传感器确定的时变力的情况下调节焊头装置中的超声波产生。

44、换句话说，基于力传感器产生的信号和由此表示的所确定的力，可以得出关于在焊接操作期间什么力实际作用于接合件的结论。该力进展中的时间改变分辨率可能足够高以允许关于传递到接合件的超声波振动的结论。接合件处的这些超声波振动可能在焊接操作过程中根据施加的力和/或根据振动发生器产生的超声波振动而变化。尤其是测量的力可能是由焊头装置在其零点位置处的上述径向振动引起的，并且因此随时间在超声频率范围内变化。可以根据力传感器的力测量来识别这样的变化，使得基于力传感器的信号，可以将反馈传递到闭环控制装置。基于该反馈，闭环控制装置然后可以例如通过使控制信号适当地适应于振动发生器来调节超声波振动的产生。因此，可以尽可能有利地修改和优化影响焊接操作结果的影响因素、例如振动频率和/或振动幅度。

45、根据另一个实施例，所述超声波焊接装置还可以包括监视装置，该监视装置被配置为基于力传感器的信号确定关于超声波焊接装置的当前状态的信息。所述超声波焊接装置可以在此运行为使得在考虑力传感器确定的力的情况下确定并输出关于其当前状态的信息。

46、尤其是这里可以利用下事实：已经观察到的是，力传感器测量的力、尤其是这些力随时间的进展允许得出关于超声波焊接装置当前状态的结论。例如，当焊头和砧座通过位移装置朝向彼此移动且因此将接合件夹持在它们之间时由力传感器测量的力进展的行为方式可以提供对超声波焊接装置内的当前物理属性的指示。例如，力进展中的突然变化或跳跃可能指示超声波焊接装置的机械状态。关于超声波焊接装置当前状态的相应信息例如可以作为信号输出或传递给其他内部或外部组件，以便例如能够在此基础上调整超声波焊接装置的运行和/或以便例如能够在故障状态下提供适当的纠正措施。

47、应注意的是，发明的实施例的可能特征和优点在此处部分地参考超声波焊接装置、且部分地参考超声波焊接装置的运行方法进行解释。本领域的技术人员将认识到，为各个实施例描述的特征可以以类似的方式适当地转用到其他实施例，可以被调整和/或互换，以实现发明的其他实施例和可能的协同效果。