超声波焊接机夹具的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于从聚合物或聚合物复合材料制造的工件的超声波焊接的装置和方法。
【背景技术】
[0002]超声波焊接是一种工业技术，其中超声波焊接装置或焊接机局部地施加高频超声波振动到在压力下保持在一起的工件以产生焊点。其通常用于焊接热塑性工件。超声波焊接过程包括将临近的或重叠的工件放置在座或砧座上，以及使用超声波焊接机将高频振动导引至工件之间的接口。超声波焊接机优选地包括转换器或压电换能器、增幅器、和超声焊炬，其也被称为焊炬(horn)。该三个元件被调谐以在相同的超声波频率共振，该频率例如是20、30、35或40kHz。转换器将电信号转换为机械振动，增幅器改变振动的振幅，并且超声焊炬夹紧工件并且施加机械振动到工件以连结工件。电子超声波生成器传递具有与共振频率匹配的高功率的AC信号，并且优选地由控制器控制，该控制器控制压力的焊接机的运动并且传递超声波能量。超声波振动产生热，该热局部地熔化工件材料以形成焊接连结部。
[0003]超声波焊接机具有额定的最大焊接力。然而，已知的超声波焊接机传递振动能量至工件，而同时将工件于焊接机尖端夹紧在一起。当在工件之间存在间隙时，焊接力可能不足够以有效地夹紧工件以用于超声波焊接。依靠焊接力以闭合工件之间的间隙可能是不足够的，因为工件可能剧烈振动并且其中能量被传递至期望焊接区域外部。
【发明内容】
[0004]描述了一种用于连结热塑性工件的装置，该装置包括超声波焊接机，该焊接机包括超声波换能器(transducer)、增幅器(booster)、和具有焊头的焊炬(horn)。夹紧机构附接至该超声波焊接机并且包括联接至套管(boot)的上框架。超声波焊接机的焊炬的焊头突出到夹紧机构的套管中的孔隙中。夹紧机构将夹紧力施加至工件，该夹紧力不同于当超声波焊接机操作以连结热塑性工件时由超声波焊接机施加到工件的焊接力。
[0005]优选地，当所述超声波焊接机连结热塑性工件时，所述夹紧机构将夹紧力施加到抵靠砧座的工件上。
[0006]优选地，所述夹紧机构的上框架经由平行布置的多个压缩弹簧而机械地联接至所述套管。
[0007]优选地，所述夹紧机构的套管还包括用于接触工件的面部分。
[0008]优选地，所述套管的面部分包括平滑、不可压缩的表面。
[0009]优选地，所述套管的面部分包括可压缩的表面。
[0010]优选地，所述套管包括空气通路，所述空气通路流体地可联接到加压空气供给部，以将空气供给到所述夹紧机构的套管中的孔隙中。
[0011]优选地，当所述超声波焊接机连结热塑性工件时，所述超声波焊接机的焊炬的焊头穿过所述夹紧机构的套管的孔隙而突出并且与所述套管的所述面平齐。
[0012]优选地，所述焊炬的焊头是圆形形状的并且套管的面环状包围该焊头。
[0013]优选地，所述焊炬的焊头是圆形形状的并且套管的面具有部分环状形状。
[0014]优选地，所述焊炬的焊头是矩形形状的，并且套管的面具有断片(fragmented)矩形形状。
[0015]优选地，联接到所述超声波焊接机并且包括联接到套管的上框架的所述夹紧机构包括可旋转地联接到所述增幅器的所述夹紧机构的上框架，其中所述夹紧机构绕所述超声波焊接机的纵向轴线旋转。
[0016]优选地，联接到所述超声波焊接机的夹紧机构包括经由快速连接附接装置联接到所述超声波焊接机的夹紧机构。
[0017]还描述了一种用于连结热塑性工件的装置，该装置包括超声波焊接机，该超声波焊接机包括超声波换能器和具有焊头的焊炬；联接至超声波焊接机并且包括联接至套管的上框架的夹紧机构；以及突出到夹紧机构的套管中的孔隙中的超声波焊接机的焊炬的焊头；其中，所述夹紧机构将夹紧力施加到抵靠砧座的工件上；并且其中，当所述夹紧机构将夹紧力施加到抵靠砧座的工件上时，所述超声波焊接机将机械振动施加到工件中的一个上以连结热塑性工件。
[0018]优选地，所述夹紧机构的上框架经由平行布置的多个压缩弹簧而机械地联接到所述套管，所述套管包括用于接触工件的下面(lower face)部分。
[0019]优选地，所述套管包括空气通路，所述空气通路流体地可联接到加压空气供给部，该加压(pressurized)空气供给将空气吹(blows)到所述超声波焊接机的焊炬上。
[0020]优选地，当所述超声波焊接机施加机械振动到工件中的一个上以连结热塑性工件时，所述超声波焊接机的焊炬的焊头穿过所述夹紧机构的套管的孔隙而突出并且与套管的下面平齐。
[0021]当考虑结合附图时，本发明的上述的特征和优势以及其他的特征和优势可从以下用于实施仅仅由附加的权利要求限定的本发明的一些最优模式和其他实施例的详细描述显而易见。
【附图说明】
[0022]一个或多个实施例将参考附图以示例的方式描述如下:
[0023]图1示意性地示出了超声波焊接机的部分横截面侧视图，其中该超声波焊接机包括超声波换能器、增幅器、焊炬或超声焊炬(sonotrode)、以及根据本公开的夹紧机构；
[0024]图2图示了根据本公开的、由应用的超声波焊接机作用在一对堆叠的工件上、分别由夹紧机构和尖端施加的夹紧力和尖端力的幅度(magnitudes)的透视图；
[0025]图3在两个维度上图示了参考图2示出的数据的所选部分，包括根据本公开的、由应用的超声波焊接机作用在一对堆叠的工件上、分别由夹紧机构和尖端施加的夹紧力F和尖端力w的幅度；
[0026]图4示意性地示出了根据本公开的超声波焊接机的实施例的部分截面侧视图，该超声波焊接机包括超声波换能器、增幅器、焊炬和夹紧机构，其中该夹紧机构包括定位为在机器人臂的端部执行器的框架和套管之间施加力的压缩弹簧；
[0027]图5示意性地示出了根据本公开的超声波焊接机的实施例的部分截面侧视图，该超声波焊接机包括超声波换能器、增幅器、焊炬和夹紧机构，其中该夹紧机构包括定位为在套管和联接至增幅器的支承表面之间施加力的压缩弹簧以及流动地联接到可控加压空气供给以冷却尖端和被焊接的表面的空气通路；
[0028]图6-1和6-2示意性地示出了根据本公开的夹紧机构的实施例的仰视图和侧视图，其包括快速连接附接(quick-connect attachment)装置以实现夹紧机构从超声波焊接机的快速更换(change-out)；
[0029]图7-1、7-2和7-3示出了根据本公开的超声波焊接焊炬和夹紧机构的套管的下面的实施例的仰视图；
[0030]图8-1示意性地示出了根据本公开的夹紧机构的套管的实施例的截面侧视图，其中套管与工件接触的面具有平滑的表面；以及
[0031]图8-2示意性地示出了夹紧机构的套管的实施例的截面侧视图，其中套管与工件接触的面具有带纹理的(textured)、粗糙的或可压缩的表面。
【具体实施方式】
[0032]现在参考附图，其中下列描述仅用于图示某些示例性实施例的目的，并且不意味着对本发明的限制，图1示意性地示出了根据本发明构造的超声波焊接机10的部分截面侧视图。超声波焊接机10包括超声波换能器12、增幅器14、焊炬16或超声焊炬、以及夹紧机构30。超声焊炬是用于将电能转换为超声波振动的装置。焊接能量从电子超声波生成器20传递至超声焊炬。在一个实施例中，超声焊炬10附接至机器人臂的端部执行器，该端部执行器引导超声波焊接机10的定位并且致动该电子超声波生成器20以实现放置在砧座50上的邻近的或重叠的工件40、41的超声波焊接。替代地，超声波焊接机10可用作固定加工设备的一部分，诸如在硬件自动化加工结构中，在工作台结构上，或在基架焊接机结构中。此外，任意的加工结构可由单个超声波焊接机10构成，或替代地由协调作用的多个超声波焊接机10构成。工件可由聚合物复合材料制成，例如热塑性材料，该材料包括但不限于，尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚酯，其可被玻璃或碳纤维而加强。
[0033]夹紧机构30包括上框架31、套管32和平行布置于其间的一个或多个压缩弹簧34。压缩弹簧34每个都具有弹簧刚度k 36，其优选地以每单位长度的力单位而限定。在一些实施例中，上框架31机械地与超声波焊接机10的增幅器14相互作用以传递力。套管32完全地或部分地环状包围焊炬16的焊头18，并且包括下面33，该下面33在超声波焊接期间与工件40中的一个相互作用。包括其下面33的套管32包括开口或孔隙，当焊接时超声波焊接机10的焊炬16突出穿过该开口或孔隙。
[0034]当超声波焊接机10处于休息、未应用状态时，弹簧34和套管32的纵向长度被标记为L 35，并且套管32的下面33在焊头18下方延伸距离AL 37。当超声波焊接机10处于焊接状态时，端部执行器或其他装置驱使超声波焊接机10抵靠工件40、41，从而将套管32的下面33施加至工件40、41并且驱使超声波焊接机10的焊炬16穿过套管32而突出，使得焊头18与下面33平齐。为了在焊头18处获得焊接力FH238，等于(F/2+F/2)的合力F15可由端部执行器施加至增幅器14或上框架31，其中压缩弹簧34将等于(kAL/2+kAL/2)的kAL的夹紧力39通过套管32施加到抵靠砧座50的工件40、41。夹紧机构30构造为提供一致的夹紧力39，以驱使工件40、41抵靠砧座50，该夹紧力39与由焊炬16的焊头18抵靠工件40、41而施加的尖端焊接力38解耦。当焊接机构30未应用时，焊炬16在夹紧机构30中缩回。距离AL37可取决于是一侧焊接还是两侧焊接并且取决于工件40、41的刚度和材料性能而被调整。
[0035]夹紧设计因子包括用于压缩弹簧34的弹簧刚度k 36的可选值以实现夹紧力39，并且在一个实施例中可包括可调整的夹紧力。可调整的夹紧力39可通过合适的机构而实现，该合适的机构可变地且可控地调整弹簧长度35和套管32的下面33在焊头18下方的松弛延展。测量规则或其他的距离标记装置可被实现在夹紧机构30的外部上以指示夹紧力39的幅度。
[0036]这样，超声波焊接机10可被使用以结合热塑性工件40、41，并且包括超声波换能器12、增幅器14和具有焊头18的焊炬。夹紧机构30附接至该超声波焊接机10并且包括联接至套管(boot) 32的上框架31。超声波焊