專利名稱：多模式超聲焊接控制和優(yōu)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種控制超聲焊接過程的系統(tǒng)和方法，更具體地涉及一種用于多模式控制超聲焊接過程的系統(tǒng)和方法，其中所述模式包括焊接能量、焊接時(shí)間以及部件壓縮位移。
背景技術(shù)：
電動(dòng)車輛正變得越來越流行。這些車輛包括混合動(dòng)力車輛，諸如將電池和主功率源組合的增程式電動(dòng)車輛(EREV)，諸如內(nèi)燃機(jī)、燃料電池系統(tǒng)等；和純電動(dòng)車輛，諸如電池電動(dòng)車輛(BEV)。所有這些類型的電動(dòng)車輛采用包括許多電池單元的高壓電池。這些電池可為不同的電池類型，諸如鋰離子、鎳金屬氫化物、鉛酸等。不同車輛設(shè)計(jì)包括針對(duì)具體應(yīng)用采用不同折中和優(yōu)點(diǎn)的不同電池設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代電動(dòng)車輛電池組通常包括多個(gè)電池模塊，其中每個(gè)模塊包括多個(gè)電池單元，并且其中模塊和單元的數(shù)目決定電池組電壓。在一個(gè)具體的電池組設(shè)計(jì)中，三電池單元(三件組)的共極電子接頭片被焊接在一起并且焊接至互聯(lián)匯流條。電池單元的三件組中的若干在單個(gè)單元模塊中被焊接到同一互聯(lián)匯流條，從而電池單元的每個(gè)三電池單元被并聯(lián)地電連接，并且電池單元的所述若干三電池單元在模塊在被連續(xù)地電連接。模塊組并聯(lián)地或串聯(lián)地電連接從而形成電池節(jié)段并且許多電池節(jié)段一起電連接在單個(gè)殼體中從而提供電池組。使用超聲頻率的超聲或者振動(dòng)焊接為本領(lǐng)域所公知。振動(dòng)焊機(jī)的電極臂或超聲焊極抵靠待焊接的部件放置，而來自換能器的超聲能量導(dǎo)致部件振動(dòng)，這產(chǎn)生生成大量熱將部件連接在一起的摩擦力。在一個(gè)具體的應(yīng)用中，振動(dòng)焊接用于將電池單元的三件組的共同正極和共同負(fù)極接頭片連接到上述的互聯(lián)匯流條。用于對(duì)于至少該應(yīng)用的振動(dòng)焊接的焊接控制策略使用來自可得到的若干控制參數(shù)的單模式控制。例如，已知的用于這個(gè)過程的單模式控制通常僅僅監(jiān)控和控制焊接能量、焊接時(shí)間或被焊接的接頭片相對(duì)于互聯(lián)匯流條的壓縮位移距離中的一個(gè)。具體地，焊接過程的控制策略可僅僅基于在焊接中所提供的能量的量來控制或終止焊接過程，這基于輸入到超聲電極臂中的能量增加通過時(shí)間。替代地，焊接控制策略可僅僅通過焊接時(shí)間的持續(xù)時(shí)間來控制焊接過程?；蛘撸附舆^程可僅僅通過待被焊接的部件在焊接過程中的壓縮位移來控制。這些單模式焊接策略中的每一種已證明是用于提供對(duì)于具體應(yīng)用的所期望焊接完整性的可適用的技術(shù)。然而，使用單模式焊接控制顯示出引起隨機(jī)的低概率焊接完整性問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開一種用于提供超聲或振動(dòng)焊接系統(tǒng)的多模式控制的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制模式包括焊接過程的焊接能量、時(shí)間和在焊接過程中被焊接的部件的壓縮位移。該方法包括提供全部模式的閾值，并且僅在達(dá)到每個(gè)模式的閾值后、達(dá)到多于一個(gè)模式的閾值后或者達(dá)到模式中一者的閾值后停止焊接過程。焊接控制可為開環(huán)的，也可為閉環(huán)的，其中閉環(huán)控制提供焊接能量和/或壓縮位移的反饋，使得焊接功率、焊接幅值和/或焊接壓力可被相應(yīng)地增加或者減少。本發(fā)明還提供如下方案
I.一種為用于將多個(gè)部件焊接在一起的振動(dòng)焊接過程提供多模式控制的方法，所述 方法包括
確定用于將所述部件焊接在一起的期望焊接能量值；
確定用于將所述部件焊接在一起的焊接過程的持續(xù)時(shí)間的期望時(shí)間值；
確定當(dāng)所述部件被焊接在一起時(shí)對(duì)于所述部件的期望壓縮的期望壓縮位移值；
開始用于焊接多個(gè)部件的焊接過程；以及
當(dāng)達(dá)到所述焊接能量值、期望時(shí)間值和期望位移值中的一個(gè)或多個(gè)時(shí)，停止焊接過程。2.根據(jù)方案I所述的方法，其中，停止焊接過程包括當(dāng)達(dá)到所述焊接能量值、所述期望時(shí)間值和所述期望位移值中的全部時(shí)，停止所述焊接過程。3.根據(jù)方案I所述的方法，其中，停止焊接過程包括當(dāng)所述焊接能量值、所述期望時(shí)間值和所述期望位移值中的多于一者到達(dá)時(shí)，停止所述焊接過程。4.根據(jù)方案I所述的方法，其中，停止焊接過程包括當(dāng)達(dá)到所述焊接能量值、所述期望時(shí)間值和所述期望位移值中的其中一個(gè)時(shí)，停止所述焊接過程。5.根據(jù)方案I所述的方法，還包括監(jiān)控在所述焊接過程中所述焊接能量增加的速率，并且如果能量速率與期望的焊接能量速率不相同，則增加或者減少控制焊接功率和/或施加給所述部件的壓力的焊接功率信號(hào)。6.根據(jù)方案I所述的方法，還包括監(jiān)控在所述焊接過程中所述部件被壓縮的速率，并且如果壓縮的速率與期望的壓縮速率不相同，則增加或者減少控制焊接功率和/或施加給所述部件的壓力的焊接功率信號(hào)。7.根據(jù)方案I所述的方法，其中，停止焊接過程包括如果達(dá)到焊接能量、焊接時(shí)間或壓縮位移的控制上限值，則停止焊接過程，而不管所期望的焊接能量值、時(shí)間值和焊接壓縮位移值中的全部是否達(dá)到。8.根據(jù)方案I所述的方法，其中，所述部件為電池端子。9. 一種為用于將多個(gè)部件焊接在一起的振動(dòng)焊接過程提供多模式控制的方法，所述方法包括
確定多個(gè)期望模式值，其每個(gè)是用于確定將所述部件焊接在一起的焊接持續(xù)時(shí)間的參數(shù)，其中，每個(gè)模式值不同于其他模式值；
開始用于焊接多個(gè)部件的焊接過程；以及
當(dāng)所述多個(gè)模式值中的一個(gè)或多個(gè)達(dá)到時(shí)，停止所述焊接過程。
10.根據(jù)方案9所述的方法，其中，多個(gè)模式值中的一個(gè)為用于將所述部件焊接
在一起的期望焊接能量值。11.根據(jù)方案10所述的方法，還包括監(jiān)控在所述焊接過程中所述焊接過程的焊接能量增加的速率，并且如果能量速率與所期望的焊接能量速率不相同，則增加或者減少控制焊接功率和/或施加給所述部件的壓力的焊接功率信號(hào)。12.根據(jù)方案9所述的方法，其中多個(gè)模式值中的一個(gè)為用于將所述部件焊接在一起的持續(xù)時(shí)間的期望時(shí)間值。13.根據(jù)方案9所述的方法，其中，多個(gè)模式值中的一個(gè)為當(dāng)所述部件被焊接在一起時(shí)用于所述部件的期望壓縮的期望壓縮位移值。14.根據(jù)方案13所述的方法，還包括監(jiān)控在所述焊接過程中所述部件被壓縮的速率，并且如果壓縮的速率與期望的壓縮速率不同，則增加或者減少控制焊接功率和/或施加給所述部件的壓力的焊接功率信號(hào)。15.根據(jù)方案9所述的方法，其中，停止焊接過程包括如果多個(gè)模式值中的任意一個(gè)的控制上限達(dá)到，則停止所述焊接過程，而不管是否達(dá)到任意的其他模式值。16.根據(jù)方案9所述的方法，其中，所述部件為電池端子。17. 一種為用于將多個(gè)部件焊接在一起的振動(dòng)焊接過程提供多模式控制的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
用于確定用于將所述部件焊接在一起的期望焊接能量值的裝置；
用于確定用于將所述部件焊接在一起的焊接過程的持續(xù)時(shí)間的期望時(shí)間值的裝置； 用于確定在所述部件被焊接在一起時(shí)所述部件的期望壓縮的期望壓縮位移值的裝
置；
用于開始焊接多個(gè)部件的焊接過程的裝置；以及
用于在所述焊接能量值、期望時(shí)間值和期望位移值中的多于一者達(dá)到時(shí)停止所述焊接過程的裝置。18.根據(jù)方案17所述的裝置，還包括監(jiān)控在所述焊接過程中所述焊接能量增加的速率并且如果能量速率與期望的焊接能量速率不相同則增加或者減少控制焊接功率和/或施加給所述部件的壓力的焊接功率信號(hào)的裝置。19.根據(jù)方案17所述的裝置，還包括監(jiān)控在所述焊接過程中所述部件被壓縮的速率，并且如果壓縮的速率與期望的壓縮速率不相同，則增加或者減少控制焊接功率和/或施加給所述部件的壓力的焊接功率信號(hào)的裝置。20.根據(jù)方案17所述的裝置，用于停止所述焊接過程的裝置在達(dá)到焊接能量、焊接時(shí)間或壓縮位移的控制上限值時(shí)停止焊接過程，而不管所期望的焊接能量值、時(shí)間值和焊接壓縮位移值中的全部是否達(dá)到。結(jié)合附圖，由下面的描述和隨附權(quán)利要求，本發(fā)明的額外特征變得明白。


圖I為包括電池和主功率源的車輛的俯視 圖2為將部件焊接在一起的振動(dòng)焊接系統(tǒng)的示意圖；以及 圖3為用于控制圖2所示的焊接系統(tǒng)的焊接過程的多模式焊接控制策略的方框圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)涉及一種用于提供焊接過程的多模式控制的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明實(shí)施方式的討論實(shí)際上僅僅是示例性的，絕不是意圖限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。例如，本發(fā)明被描述為具有特別應(yīng)用以便將電池接頭片焊接到車輛電池的互聯(lián)匯流條。然而，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，在此描述的多模式焊接控制過程可具有用于將任何適當(dāng)部件焊接在一起的任何超聲或振動(dòng)焊接過程的應(yīng)用。圖I為意于表示電動(dòng)車輛或電動(dòng)混合車輛的車輛10的俯視圖。車輛10包括具有多個(gè)電池單元18的高壓電池12。電池12可為適用于電動(dòng)車輛的任何電池，諸如鉛酸電池、鋰離子電池，鎳金屬氫化物電池等。車輛10也可包括單獨(dú)的功率源14，諸如內(nèi)燃機(jī)、燃料電池系統(tǒng)等?？刂破?6控制電池12和功率源14的操作且包括在它們之間的功率分配。圖2為用于將多個(gè)部件22焊接或者結(jié)合在一起的超聲或振動(dòng)焊接系統(tǒng)20的示意圖。在這個(gè)非限制性的例子中，部件22為用于車輛電池，諸如電池12的電池單元的三個(gè)共同電池端子接頭片。系統(tǒng)20包括控制電源26的控制器24，電源26將電功率信號(hào)提供給換能器28，換能器28將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)。電信號(hào)為針對(duì)特定應(yīng)用的具有期望頻率和振幅的頻率信號(hào)。電極臂30被機(jī)械地連接到換能器28并具有與部件22相接觸的電極臂頭32。機(jī)械能引發(fā)電極臂30以特定頻率振動(dòng)，這導(dǎo)致電極臂30在部件22上產(chǎn)生摩擦力，產(chǎn)生顯著的熱，從而以所屬領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式結(jié)合部件22。壓力34朝著部件22被施加到電極臂頭32以將部件22抵靠砧36保持，使得部件22上的壓力和超聲能的組合提供結(jié)合。系統(tǒng)20還包括位移測(cè)量裝置38，其測(cè)量在結(jié)合過程中部件22的因部件22通過熱而變得可延展和可塑而導(dǎo)致的壓縮位移。在這個(gè)實(shí)施方式中，位移裝置38測(cè)量電極臂頭32和砧36之間的距離。然而，在本領(lǐng)域中已知適于此目的的多種類型的位移技術(shù)。如上所述，公知的振動(dòng)焊接系統(tǒng)采用單模式控制來確定何時(shí)停止焊接過程。本發(fā)明提出多模式控制，其中，在一個(gè)非限制性的實(shí)施方式中，三種模式，也就是，焊接能量、焊接時(shí)間和焊接壓縮位移被組合應(yīng)用于控制何時(shí)停止焊接過程。然而，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，其他模式或者模式的組合也可用于確定何時(shí)停止焊接過程。此外，多模式控制既可為開環(huán)控制也可為閉環(huán)控制，以下將進(jìn)一步詳細(xì)討論。當(dāng)焊接能量、焊接時(shí)間和焊接壓縮位移中的一個(gè)或更多個(gè)參數(shù)得到滿足時(shí)，焊接控制策略停止焊接過程。例如，可能希望在焊接能量達(dá)到預(yù)定能量值，諸如2000焦耳時(shí)，停止焊接過程。此外，可能希望在焊接時(shí)間達(dá)到預(yù)定焊接時(shí)間，諸如一秒時(shí)，停止焊接過程。也可能希望在部件22的壓縮位移達(dá)到預(yù)定的位移值，諸如200 u m時(shí)停止焊接過程。本發(fā)明將所有這些模式組合在控制策略中，以在所有三個(gè)參數(shù)得到滿足、這些參數(shù)中的兩個(gè)或更多個(gè)的組合得到滿足、或這些參數(shù)中的單個(gè)參數(shù)得到滿足時(shí)停止焊接過程。在本發(fā)明的多模式控制下，如果焊接過程在僅模式閾值中的一個(gè)得到滿足時(shí)被停止，那么這仍然是不同于公知的單模式控制的控制，因?yàn)樵诙嗄Ｊ娇刂浦?，多于一個(gè)參數(shù)被監(jiān)控，并且多模式控制允許焊接過程在多于一個(gè)模式的任意一個(gè)達(dá)到模式閾值時(shí)被選擇性地停止。換言之，如果模式閾值中的不同閾值從一個(gè)焊接過程到另一個(gè)焊接過程得到滿足，則多模式控制可選擇性地停止焊接過程。出于安全目的，或其他目的，每個(gè)參數(shù)或模式具有控制上限(UCL)，其中，如果特、定的控制參數(shù)達(dá)到模式中任意一個(gè)的UCL閾值，那么不管所希望閾值中的全部或一些是否得到滿足，焊接過程都會(huì)被停止。如本領(lǐng)域所公知，在圖2中所示類型的焊接系統(tǒng)計(jì)算在焊接過程中的焊接能量，典型地為以焦耳為單位的隨時(shí)間積分的功率。例如，控制器24將基于由電源26和電極臂30的類型以及尺寸所提供的輸出功率確定并顯示焊接能量，其中，提供給部件22的焊接能量將隨著焊接過程進(jìn)行而增加，直到它達(dá)到特定的設(shè)定值。此外，控制器24將監(jiān)控電源26將功率信號(hào)提供給換能器28的時(shí)間。并且，控制器24可從設(shè)備38接收指示部件22在焊接過程中的壓縮位移的輸出信號(hào)。因此，對(duì)于開環(huán)控制，控制器24控制功率源26使得其繼續(xù)為焊接過程提供功率直到模式閾值中的全部三個(gè)得到滿足、模式中的一個(gè)或多個(gè)的組合得到滿足、或者達(dá)到模式中的一個(gè)的UCL閾值，此時(shí)，焊接過程被停止。在閉環(huán)控制中，能量速率和/或壓縮位移速率在焊接過程中被監(jiān)控以提供反饋，其中，如果預(yù)定速率沒有得到滿足，那么到換能器28的功率信號(hào)和/或壓力34可相應(yīng)地增 加或者減少。焊接能量響應(yīng)于到換能器28的信號(hào)和施加給部件22的壓力34的變化而變化，其中功率信號(hào)控制聲功率和/或聲振幅。類似地，壓縮位移響應(yīng)于到換能器28的信號(hào)和施加給部件22的壓力34的變化而變化?？刂破?4監(jiān)控焊接過程的焊接能量增加的速率以及在焊接過程中部件22被壓縮的速率，并且增加或者減少焊接功率信號(hào)和/或施加到部件22的壓力34來控制焊接能量速率和壓縮速率。例如，在一個(gè)非限制性的實(shí)施方式中，控制器24監(jiān)控在焊接過程中焊接能量E增加的能量速率色，其中
權(quán)利要求
1.一種為用于將多個(gè)部件焊接在一起的振動(dòng)焊接過程提供多模式控制的方法，所述方法包括 確定用于將所述部件焊接在一起的期望焊接能量值； 確定用于將所述部件焊接在一起的焊接過程的持續(xù)時(shí)間的期望時(shí)間值； 確定當(dāng)所述部件被焊接在一起時(shí)對(duì)于所述部件的期望壓縮的期望壓縮位移值； 開始用于焊接多個(gè)部件的焊接過程；以及 當(dāng)達(dá)到所述焊接能量值、期望時(shí)間值和期望位移值中的一個(gè)或多個(gè)時(shí)，停止焊接過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，停止焊接過程包括當(dāng)達(dá)到所述焊接能量值、所述期望時(shí)間值和所述期望位移值中的全部時(shí)，停止所述焊接過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，停止焊接過程包括當(dāng)所述焊接能量值、所述期望時(shí)間值和所述期望位移值中的多于一者到達(dá)時(shí)，停止所述焊接過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，停止焊接過程包括當(dāng)達(dá)到所述焊接能量值、所述期望時(shí)間值和所述期望位移值中的其中一個(gè)時(shí)，停止所述焊接過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括監(jiān)控在所述焊接過程中所述焊接能量增加的速率，并且如果能量速率與期望的焊接能量速率不相同，則增加或者減少控制焊接功率和/或施加給所述部件的壓力的焊接功率信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括監(jiān)控在所述焊接過程中所述部件被壓縮的速率，并且如果壓縮的速率與期望的壓縮速率不相同，則增加或者減少控制焊接功率和/或施加給所述部件的壓力的焊接功率信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，停止焊接過程包括如果達(dá)到焊接能量、焊接時(shí)間或壓縮位移的控制上限值，則停止焊接過程，而不管所期望的焊接能量值、時(shí)間值和焊接壓縮位移值中的全部是否達(dá)到。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述部件為電池端子。
9.一種為用于將多個(gè)部件焊接在一起的振動(dòng)焊接過程提供多模式控制的方法，所述方法包括 確定多個(gè)期望模式值，其每個(gè)是用于確定將所述部件焊接在一起的焊接持續(xù)時(shí)間的參數(shù)，其中，每個(gè)模式值不同于其他模式值； 開始用于焊接多個(gè)部件的焊接過程；以及 當(dāng)所述多個(gè)模式值中的一個(gè)或多個(gè)達(dá)到時(shí)，停止所述焊接過程。
10.一種為用于將多個(gè)部件焊接在一起的振動(dòng)焊接過程提供多模式控制的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 用于確定用于將所述部件焊接在一起的期望焊接能量值的裝置； 用于確定用于將所述部件焊接在一起的焊接過程的持續(xù)時(shí)間的期望時(shí)間值的裝置； 用于確定在所述部件被焊接在一起時(shí)所述部件的期望壓縮的期望壓縮位移值的裝置； 用于開始焊接多個(gè)部件的焊接過程的裝置；以及 用于在所述焊接能量值、期望時(shí)間值和期望位移值中的多于一者達(dá)到時(shí)停止所述焊接過程的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及多模式超聲焊接控制和優(yōu)化，具體地，用于提供超聲焊接系統(tǒng)的多模式控制的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制模式包括焊接過程的焊接能量、時(shí)間和在焊接過程中被焊接的部件的壓縮位移。該方法包括提供每個(gè)模式的閾值，并且在達(dá)到每個(gè)模式的閾值后、達(dá)到多于一個(gè)模式的閾值后或者達(dá)到模式中一者的閾值后停止焊接過程。焊接控制可為開環(huán)的，也可為閉環(huán)的，其中開環(huán)過程提供模式閾值，并且一旦達(dá)到那些閾值中的一個(gè)或多個(gè)，焊接過程被停止。閉環(huán)控制提供焊接能量和/或壓縮位移的反饋使得焊接功率和/或焊接壓力可被相應(yīng)地增加或者減少。
文檔編號(hào)B23K20/10GK102653029SQ20121005292
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者C. H. 唐 J., W. 蔡 W. 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司