伺服壓力精密控制超聲波焊接機(jī)的發(fā)展

伺服電機(jī)精密壓力控制超聲焊接的最新進(jìn)展是由對(duì)塑料零件的需求所推動(dòng)的，這些零件往往比過(guò)去更小，更輕，壁更薄且輪廓更明顯。越來(lái)越多的這些部件還包含嵌入式電子設(shè)備和傳感器，在超聲波焊接過(guò)程中需要特別小心。

為了滿足精密塑膠零件行業(yè)對(duì)這些更小，更精細(xì)的組件中可重復(fù)，牢固且一致的焊縫的需求，需要開(kāi)發(fā)改進(jìn)的超聲焊接技術(shù)。也許最近最重要的改進(jìn)是開(kāi)發(fā)了新的、更精確的力控制方法。這需要對(duì)超聲波焊接致動(dòng)器及其微處理器控制進(jìn)行一系列更改。

為了實(shí)現(xiàn)所需的更大和更精確的力控制水平，恒波超聲波焊接技術(shù)的開(kāi)發(fā)人員不僅考慮了氣動(dòng)執(zhí)行器的能力（仍然是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），而且還考慮了伺服控制和技術(shù)的快速發(fā)展能力。

他們的解決方案是新的機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最近在艾默生的 Branson GSX 焊機(jī)中引入。這種新型焊接平臺(tái)及其先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵屬性是在整個(gè)焊接過(guò)程中顯著提高精確度和響應(yīng)性的力控制。下壓力對(duì)于保持喇叭/零件接觸并確保超聲波能量平穩(wěn)、有效地傳輸?shù)脚浜狭慵惺潜匾?。更快、更?zhǔn)確地管理下壓力對(duì)焊接質(zhì)量具有重要意義。

焊接力控制的作用

對(duì)于一組給定的焊接參數(shù)，導(dǎo)致施加太小的力的力控制變化會(huì)減少配合表面的壓縮，減少塑料熔化所需的熱量，并導(dǎo)致焊接變冷或更弱。類似地，導(dǎo)致施加過(guò)大力的力變化會(huì)導(dǎo)致零件接頭或能量導(dǎo)向器變形、偏轉(zhuǎn)或斷裂，并且可能無(wú)法提供足夠的時(shí)間使正確的熔體流動(dòng)和聚合物纏結(jié)發(fā)生。

在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間施加適當(dāng)?shù)牧?huì)產(chǎn)生具有高度一致的特性和強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)焊縫。理想的力控制需要在塑料熔化后由致動(dòng)器施加的鎖模力/下降速度的快速、動(dòng)態(tài)變化。這種稱為“動(dòng)態(tài)跟蹤”的調(diào)整使每個(gè)焊接周期能夠適應(yīng)零件之間的差異和其他因素，例如塑料類型、接頭樣式和零件幾何形狀。

隨著力控制和動(dòng)態(tài)跟蹤的速度和精度的提高，塑料焊縫的強(qiáng)度、質(zhì)量和一致性也隨之提高。例如，部件焊縫的最強(qiáng)“拉力”來(lái)自受控的力分布，該分布允許完全和隨機(jī)的聚合物鏈纏結(jié)，使焊縫與母材一樣堅(jiān)固（如圖 1 所示）。

圖 1：冷焊、弱焊和強(qiáng)焊中的聚合物鏈。

如圖 1 最右側(cè)的插圖所示，理想的力控制在熔化后幾毫秒內(nèi)調(diào)整下壓力，允許聚合物鏈垂直延伸穿過(guò)零件界面，并在冷卻之前發(fā)生熔化和壓縮時(shí)在粘合線上相互纏繞。相比之下，以部分或沒(méi)有聚合物鏈纏結(jié)為特征的較弱焊接顯示聚合物鏈平行于粘合線重新組裝，而不會(huì)在零件界面上纏結(jié)。中心焊縫顯示了力控制不足的影響，而左側(cè)的“冷”焊縫可能是由于焊接時(shí)間太短或下壓力過(guò)大造成的。

更一致和更完整的聚合物鏈纏結(jié)和更強(qiáng)的焊接是力控制技術(shù)改進(jìn)的直接結(jié)果。通過(guò)非常迅速地平衡很小的力變化，GSX 焊機(jī)中的過(guò)程控制和執(zhí)行器保持更一致的焊頭與零件的接觸，并使焊接參數(shù)能夠更準(zhǔn)確、更溫和地執(zhí)行。因此，即使對(duì)于難以焊接的形狀和小或精密零件，它也可以提供卓越的焊接質(zhì)量和更高的產(chǎn)量，其特點(diǎn)是焊縫塌陷深度均勻一致，飛邊或零件標(biāo)記最少。

改進(jìn)力控制的結(jié)果

在一系列實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和客戶試驗(yàn)中，據(jù)報(bào)道，GSX-E1 焊機(jī)中的先進(jìn)過(guò)程控制和機(jī)電執(zhí)行器始終優(yōu)于氣動(dòng)焊機(jī)，使最新的超聲波焊接平臺(tái)能夠：

• 生產(chǎn)具有更一致和可重復(fù)的強(qiáng)度水平的焊接部件。在對(duì)相同零件的焊接性能進(jìn)行頭對(duì)頭比較時(shí)，GSX-E1 與出色的氣動(dòng)傳統(tǒng)焊機(jī)相匹配。結(jié)果表明，雖然兩名焊工都產(chǎn)生了牢固的焊縫，但 GSX-E1 能夠生產(chǎn)出具有更高平均拉力和更一致和可重復(fù)的斷裂力水平（例如，結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差更低）以及物理特性的零件與母材的匹配度更高。

• 隨著零件到零件的熔化，在幾毫秒內(nèi)改變焊接上的下壓力，從而對(duì)熱量的產(chǎn)生和散熱、焊接塌陷深度和焊接質(zhì)量進(jìn)行更精確的閉環(huán)控制。在另一個(gè)示例中，客戶評(píng)估了 GSX-E1 焊機(jī)的性能，當(dāng)時(shí)其傳統(tǒng)焊機(jī)（氣動(dòng)焊機(jī)）無(wú)法足夠快地改變焊接下壓力以避免在兩個(gè)聚碳酸酯部件之間的焊接區(qū)形成氣泡。結(jié)果是不可接受的廢零件水平?？蛻舭l(fā)現(xiàn)，Branson GSX-E1上的機(jī)電執(zhí)行器和控制裝置可以更快，更精確地進(jìn)行動(dòng)作，消除了氣泡，產(chǎn)生了始終如一的高質(zhì)量焊縫，同時(shí)減少了焊縫循環(huán)時(shí)間，峰值功率輸入和總焊接能耗。

• GSX-E1 跨多個(gè)焊工的可重復(fù)性。具有低焊接夾緊力 (~40N) 應(yīng)用的客戶需要對(duì)其焊接部件進(jìn)行扭矩測(cè)試規(guī)范，以在多個(gè)焊機(jī)之間保持 0.2Nm 和 0.65Nm 之間的嚴(yán)格扭矩值測(cè)試范圍。他們對(duì) GSX-E1 焊機(jī)的試驗(yàn)超出了要求，在 50 次生產(chǎn)質(zhì)量焊接的運(yùn)行中將扭矩值保持在大約 0.2 Nm 的標(biāo)稱范圍內(nèi) - 這是客戶氣動(dòng)超聲波焊機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的壯舉。

• 以出色的一致性完成具有挑戰(zhàn)性的零件焊接。GSX-E1     的力控制能力在涉及長(zhǎng)、精密和薄壁零件的應(yīng)用中也得到了驗(yàn)證。在一個(gè)應(yīng)用中，一位客戶使用具有競(jìng)爭(zhēng)力的伺服驅(qū)動(dòng)超聲波焊機(jī)，難以在具有非常薄 (~0.5 毫米) 塑料剪切接頭的零件上始終如一地生產(chǎn)具有高斷裂推力 (>80 磅) 的焊縫。使用 GSX-E1 進(jìn)行的擴(kuò)展生產(chǎn)試驗(yàn)以每小時(shí) 500 個(gè)零件的速度工作，交付了 3,000 個(gè)零件，平均斷裂力為 152 磅（幾乎是客戶要求的兩倍）。此外，GSX-E1 生產(chǎn)出 100% 優(yōu)質(zhì)零件 - 零廢品 - 這是客戶使用具有競(jìng)爭(zhēng)力的伺服驅(qū)動(dòng)超聲波焊機(jī)或他們自己的氣動(dòng)超聲波焊機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)量。

在另一個(gè)示例中，這一次涉及將帶有剪切接頭的細(xì)長(zhǎng)（0.070 英寸壁厚）管遠(yuǎn)場(chǎng)焊接到模制底座中，客戶能夠使用其傳統(tǒng)焊機(jī)產(chǎn)生堅(jiān)固的焊縫，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題包括零件標(biāo)記和不一致的焊接深度，從而導(dǎo)致飛邊。使用全新直觀的 Branson GSX 在不到 15 分鐘內(nèi)完成焊接試驗(yàn)，很快就解決了問(wèn)題。其反應(yīng)靈敏的過(guò)程控制和機(jī)電執(zhí)行器可始終如一且平穩(wěn)地提供焊接振幅，從而使零件沒(méi)有標(biāo)記和飛邊，具有更高的平均拉力。

艾默生的新型 GSX 超聲波焊接平臺(tái)中內(nèi)置的改進(jìn)的力控制功能通常使 GSX 焊工能夠產(chǎn)生這些和類似的結(jié)果，同時(shí)與響應(yīng)較低且精確的致動(dòng)器的焊工相比，減少焊接周期時(shí)間、峰值功率輸入和總焊接能耗.