阅读说明：本技术 具有带有顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件的伺服弹性致动器系统的工件处理装置 (Workpiece handling device having a servo spring actuator system with compliant spring members and weight compensating spring members ) 是由 塞缪尔·卢里 托马斯·加布雷 斯科特·考德威尔 马克·于尔班 于 2019-02-20 设计创作，主要内容包括：一种工件处理装置,该工件处理装置包括工具装置、工件保持件和伺服弹性致动器系统,该伺服弹性致动器系统具有同时进行的精确的力和位置控制,该伺服弹性致动器系统使工具装置和工件保持件中的一者朝向工具装置和工件保持件中的另一者移动。伺服致动器系统包括布置在力传递路径中的伺服致动器、顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件,其中,顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件相对于彼此布置成使得由重量补偿弹性构件施加的弹簧力与由顺应性弹性构件施加的弹簧力相反。(A workpiece handling apparatus comprising a tool arrangement, a workpiece holder and a servo spring actuator system with simultaneous precise force and position control which moves one of the tool arrangement and the workpiece holder towards the other of the tool arrangement and the workpiece holder. The servo actuator system comprises a servo actuator arranged in a force transmission path, a compliant resilient member and a weight compensating resilient member, wherein the compliant resilient member and the weight compensating resilient member are arranged relative to each other such that a spring force exerted by the weight compensating resilient member opposes a spring force exerted by the compliant resilient member.)

具有带有顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件的伺服弹性致 动器系统的工件处理装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月10日提交的美国专利申请No.16/156,456的优先权，并且还要求于2018年2月28日提交的美国临时申请No.62/636,366的权益。上述申请的全部公开内容通过参引并入本文中。

技术领域

本公开涉及具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置，伺服弹性致动器系统具有对重量补偿弹性构件同时进行的精确的力和位置控制。

背景技术

本部分提供了与本公开相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

本文中使用的工件处理装置是在工件的处理期间将力施加至一个工件(或多个工件)的装置。在一些装置中，比如在焊接的情况下，力是一个工件(或多个工件)上的作业性能的一部分并且有助于作业性能，并且在其他情况下，力不是工件上的作业性能的一部分而是用于在工件上进行作业时将工件夹持就位。这种工件处理装置具有致动器，所述致动器通过下述方法将力施加至工件：比如使工具移动成抵靠于工件或将夹持件施加至工件以在处理期间将工件保持就位。这种工件处理装置可以包括用于对塑料或金属进行超声处理、振动处理、激光处理、热处理、旋转处理或红外处理的装置，在所述处理中力被施加至工件，所述处理比如为焊接、铆接、锻压和切割。在处理期间对工件施加力的工件处理装置需要可以控制力和位置两者的致动器。

无论在与相对刚性表面接触时致动器的位置如何，气动致动器都擅长提供恒力，但是气动致动器在控制位置方面不是非常精确。另一方面，伺服致动器在控制位置方面是精确的但是在与相对非顺应性表面或刚性表面接触时不那么擅长控制力。伺服致动器是响应于电输入信号使用用于位置控制的伺服致动器的输出的反馈在机械系统中提供位置受控运动的机构。

用于超声焊接、振动焊接、激光焊接、热焊接、旋转焊接、红外焊接和超声切割的伺服致动器的使用可以非常准确地控制位置，大约为千分之一英寸，但不能将力控制在正负40磅之内。该问题是由于在焊接期间被压靠的工件的材料的相对非顺应性产生的。尽管伺服致动器可以将位置解决到千分之一英寸内，但考虑到被压靠的材料的刚度，这种小的相对运动会导致力的大的变化，对于典型的塑料件而言，力的变化大约为40磅，并且对于金属件而言，力的变化甚至更高。就伺服致动器而言，无论用于伺服致动器的控制系统有多好，在推靠相对非顺应性的表面时，力对位置灵敏度的这种问题是固有的。

伺服致动器通常具有扭矩控制模式，该扭矩控制模式对力进行一定程度的控制，比如在美国专利8,720,516“Ultrasonic Press Using Servo Motor with DelayedMotion(使用具有延迟运动的伺服马达的超声压力机)”中所描述的。但是同样，由于被推靠的表面的非顺应性，力随着总载荷的高百分比而变化。

现有技术中用伺服致动器精确控制力的一种公知的方法是使伺服致动器压靠长行程弹簧。这提供了非常好的力控制，但是不具有任何位置控制。美国专利4,817,848“Compliant Motion Servo(顺应性运动伺服装置)”公开了使伺服致动器使用长行程弹簧来控制力，但是在运动结束时切换到闭环位置控制，并且因此在过程结束时失去对力的控制。

JP2013-063521“Ultrasonic Welding Device,Ultrasonic Welding Method,Wiring Device(超声焊接装置、超声焊接方法、配线装置)”公开了一种超声焊接装置，该超声焊接装置通过工具头44压靠在工件上来进行超声焊接，该工具头44附接至能够相对于本体框架10滑动的超声滑动单元40，该超声焊接装置具有：用于测量工具头44的移动量的第一线性标尺50、按压超声滑动单元的压缩弹簧、对压缩弹簧进行压缩的驱动装置28、测量压缩弹簧的压缩量的第二线性标尺51、以及测量压缩弹簧的按压力的测力计45。当通过驱动驱动装置28对压缩弹簧进行压缩时，由测力计45测量的压缩弹簧的按压力、由第一线性标尺50测量的工具头的移动量、以及由第二线性标尺51测量的压缩弹簧的压缩量被反馈至驱动装置28，并且被控制以在向工件施加可选的按压力的同时执行超声焊接。然而，当压缩弹簧仅能处于压缩状态时，工具头和支架的重量降至最低点，并且系统不能区分施加在被焊接工件上的力与在工具头和支架的重量载荷以下的力。

在许多处理中，需要对致动进行精确的力控制，同时保持精确的位置控制。具体而言，在力被施加至工件的对塑料或金属进行的超声处理、振动处理、激光处理、热处理、旋转处理或红外处理——比如焊接、铆接、锻压和切割——中，需要对致动器同时进行精确的力控制和位置控制。

发明内容

本部分提供了本公开的总体概述，并且不是本公开的全部范围或所有本公开的特征的全面公开。

根据本公开的一方面，工件处理装置包括工具装置、工件保持件和伺服弹性致动器系统，该伺服弹性致动器系统具有同时进行的精确的力和位置控制，该伺服弹性致动器系统使工具装置和工件保持件中的一者朝向工具装置和工件保持件中的另一者移动。伺服致动器系统包括布置在力传递路径中的伺服致动器、顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件，其中，顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件相对于彼此布置成使得由重量补偿弹性构件施加的弹簧力与由顺应性弹性构件施加的弹簧力相反。

在一方面中，顺应性弹性构件被压缩或拉伸，并且重量补偿弹性构件也被压缩或拉伸。

在一方面中，工件保持件布置在伺服致动器下方，并且顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件布置在伺服致动器与工具装置之间，并且重量补偿弹性构件布置成支承工具装置的重量。

在一方面中，工件保持件布置在伺服致动器下方，并且顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件布置在伺服致动器与工件处理装置的框架之间，并且重量补偿弹性构件布置成支承伺服致动器和工件装置的重量。

在一方面中，工件保持件布置在伺服致动器上方，并且重量补偿弹性构件布置成支承工件保持件的重量。

根据一方面，控制器联接至伺服致动器，其中，控制器配置成基于力设定点和施加至由工件保持件保持的工件的力来对伺服致动器朝向端部位置的运动进行控制，在施加至工件的力达到力设定点时，使伺服致动器移动以将施加至工件的力保持处于力设定点，并且当伺服致动器达到最大行程时使伺服致动器的运动停止。

根据一方面，控制器配置成基于顺应性弹性构件与重量补偿弹性构件的组合件的弹簧变位来确定在这两个弹性构件被偏转时施加至工件的力。

根据一方面，顺应性弹性构件与重量补偿弹性构件的组合件的相反侧部上布置有第一位置传感器和第二位置传感器，并且第一位置传感器和第二位置传感器联接至控制器。控制器配置成当这两个弹性构件通过伺服致动器的运动偏转时，基于由第一位置传感器和第二位置传感器感测到的位置来确定者两个弹性构件的组合件的弹簧变位。

根据一方面，顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件的组合件的相反端部之间布置有位置传感器，位置传感器在这两个弹性构件偏转时感测这两个弹性构件的组合件的弹簧变位。位置传感器联接至控制器。

根据一方面，力传感器联接至控制器，该力传感器感测施加至工件的力。根据一方面，力传感器是感测施加在伺服马达与致动器构件之间的扭矩的扭矩传感器。

根据一方面，控制器配置成基于位置设定点和由位置传感器感测的位置来限制伺服致动器的最大行程。

在一方面中，控制器配置成基于过冲距离补偿以及由位置传感器感测的位置和位置设定点来限制伺服致动器的最大行程。

在一方面中，工件处理装置是超声焊接机、振动焊接机、激光焊接机、热焊接机、旋转焊接机、红外焊接机或超声切割机中的任一者。

根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得明显。本发明内容中的描述和具体示例意在仅用于说明的目的，而不意在限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅用于所选的实施方式的说明目的，并不用于所有可能的实施方案，并且不意在限制本公开的范围。附图的取向并不意在限制伺服弹性致动器系统相对于被处理的工件的实际取向。为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语比如“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等来描述附图中所示出的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。空间相对术语可以意在除了附图中描绘的取向之外还涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件于是将被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以涵盖上方和下方两个取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他取向)，并且本文中使用的空间相对描述语被依此解释。

图1A是在USSN 15/343,612的图1A中示出的具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置的简化示意图；

图1B是如在USSN 15/343,612的图1B中所示的具有图1A的伺服弹性致动器系统的变型的工件处理装置的简化示意图；

图2是如在USSN 15/343,612的图2中所示的具有另一伺服弹性致动器系统的工件处理装置的简化示意图；

图3是如在USSN 15/343,612的图3中所示的具有另一伺服弹性致动器的工件处理装置的简化示意图；

图4是如在USSN 15/343,612的图4中所示的具有另一伺服弹性致动器系统的工件处理装置的简化示意图；

图5是如在USSN 15/343,612的图5中所示的控制逻辑的控制图，该控制逻辑用于控制图1A、1B至图4中的任一附图的伺服弹性致动器系统的伺服致动器；

图6是如在USSN 15/343,612的图6中所示的控制逻辑的控制图，该控制逻辑是图5的控制逻辑的变型；

图7是如在USSN 15/343,612的图7中所示的技术控制逻辑的控制图，该技术控制逻辑是图5的控制逻辑的另一变型；

图8是如在USSN 15/343,612的图8中所示的控制逻辑的流程图，该控制逻辑用于确定偏移距离补偿；

图9是如在USSN 15/343,612的图9中所示的具有另一伺服弹性致动器系统的工件处理装置的简化示意图；

图10是图1的工件处理装置的简化示意图，其中，顺应性弹性构件仅处于压缩状态；

图11是图1的工件处理装置的简化示意图，其中，顺应性弹性构件仅处于拉伸状态；

图12是根据本公开的方面的具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置的一部分的简化示意图，其中，顺应性弹性构件仅处于压缩状态并且重量补偿弹性构件仅处于压缩状态；

图13是根据本公开的方面的具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置的一部分的简化示意图，其中，顺应性弹性构件仅处于压缩状态并且重量补偿弹性构件仅处于拉伸状态；

图14是根据本公开的方面的具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置的一部分，其中，顺应性弹性构件仅处于拉伸状态并且重量补偿弹性构件仅处于拉伸状态；

图15是根据本公开的方面的具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置的一部分，其中，顺应性弹性构件仅处于拉伸状态，并且重量补偿弹性构件仅处于压缩状态；

图16是根据本公开的方面的具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置的简化示意图，其中，弹性构件组合件位于伺服致动器与工具装置之间；并且

图17是根据本公开的方面的具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置的简化示意图，其中，弹性构件组合件位于伺服致动器与框架之间；并且

图18是根据本公开的方面的具有伺服弹性致动器系统的工件处理装置的简化示意图，该伺服弹性致动器系统具有向上指向的伺服致动器，其中，弹性构件组合件位于工件保持件上方；以及

图19是根据本公开的方面的具有处于角度取向的伺服弹性致动器系统的工件处理装置的简化示意图，其中，弹性构件组合件位于伺服致动器与工具装置之间。

贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。

本文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，并且不意在进行限制。除非上下文另有明确说明，否则如本文中所使用的单数形式的“一”、“一种”和“该”也可以意在包括复数形式。术语“包括”、“含有”、“包含”、和“具有”是包括性的，并且因此指明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。除非特别标识为执行的顺序，否则本文中所述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或说明的特定顺序执行。还应当理解的是，可以采用附加或替代的步骤。

当构件、部件、元件或层被称为位于另一构件、部件、元件或层“上”，“接合至”、“连接至”或“联接至”另一构件、部件、元件或层时，该构件、部件、元件或层可以直接位于另一构件、部件、元件或层上，接合、连接或联接至另一构件、部件、元件或层，或者可以存在中间构件、部件、元件或层。相反，当构件、部件、元件或层被称为“直接位于另一构件、部件、元件或层上”，“直接接合至”、“直接连接至”或“直接联接至”另一构件、部件、元件或层时，可能不存在中间构件、部件、元件或层。用于描述构件、部件、元件或层之间的关系的其他词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“邻近”与“直接邻近”等)应当以类似的方式来解释。

USSN15/343,612“Work Piece Processing Device with Servo-ElasticActuator System with Simultaneous Precision Force and Position Control”(其全部公开内容通过参引并入本文中)公开了工件处理装置的各种构型，该工件处理装置具有伺服弹性致动器系统，该伺服弹性致动器系统具有使工具装置或工件保持件移动至工具装置和工件保持件中的另一者的同时进行的精确的力和位置控制。伺服弹性致动器系统在工件的处理期间向工件施加力。伺服弹性致动器系统包括比如弹簧或弹性体的弹性构件，该弹性构件在力传递路径中相对于伺服致动器机械地布置，以在系统中产生额外的顺应性以便调整力与位置灵敏度比。这允许力通过伺服致动器被准确地控制，同时保持准确的位置控制。应当理解的是，力传递路径可以是线性力路径或旋转力传递路径(也就是说，扭矩传递路径)。

伺服致动器将位置控制至给定的精确度。如果使用线性弹簧常数，弹性构件的弹簧常数被选择为通过下面的公式实现一定的力精确度：

K＝ΔF/Δx (1)

其中：

K＝弹性构件的弹簧常数；

ΔF＝力的精确度；以及

Δx＝给定的伺服致动器的位置的精确度。

如果使用扭转弹簧常数，该扭转弹簧常数被选择为通过下面的公式实现一定的扭矩精确度：

K_θ＝ΔT/Δθ (2)

其中：

K_θ＝弹簧或弹性体的弹簧常数；

ΔT＝扭矩的精确度；以及

Δθ＝角度旋转的精确度。

在实施方式中，如下面参照图1A、1B至图3更详细地讨论的，弹性构件相对于框架与伺服致动器串联，或者如下面参照图4更详细的讨论的，弹性构件与框架本身上的伺服致动器并联。在每种情况下，相对于被推靠的表面，弹性构件在力传递路径中与伺服致动器串联，并且总体弹簧常数减小，以提高伺服致动器的力灵敏度。

图1至图4示出了具有伺服弹性致动器系统的这种工件处理装置的不同的示例实施方式。工件处理装置可以是在处理期间将力施加至工件的任何装置。例如，工件处理装置可以是例如力被施加至工件的用于对塑料或金属进行超声处理、振动处理、激光处理、热处理、旋转处理或红外处理——比如焊接、铆接、锻压和切割——的装置。工件处理系统也可以是在处理期间将力施加至工件以将工件保持就位的装置。

参照图1A，工件处理装置100包括伺服弹性致动器系统102。伺服弹性致动器系统102包括伺服致动器104和弹性构件106。伺服致动器104包括伺服马达108和联接至伺服马达108的致动器构件110，该致动器构件110通过伺服马达108上下(如图中所定向的)移动。伺服马达108联接至控制伺服马达108的控制器112。伺服马达108固定至装置100的框架114。弹性构件106的端部105固定至致动器构件110的端部116，并且弹性构件106的相反的端部107固定至工具装置120。装置100还包括工件保持件122，该工件保持件122例如可以是超声焊接机或超声管密封机的砧。工件保持件122固定至装置100的框架114。具有相对非顺应性表面或刚性表面126的工件124位于工件保持件122上。工件124是待被装置100处理的工件。当装置100是超声焊接机时，工件124可以是例如将要被超声焊接在一起的两个塑料件或金属件。当装置100是超声管密封机时，工件124可以是例如将要具有以超声密封的端部的管。工具装置120是工件处理装置的一部分，该工具装置120通过伺服致动器104的运动而压靠工件124以处理工件124。工具装置120可以是例如超声焊接机或超声密封机的超声组套并且该超声组套的超声焊头的尖端是与工件124物理接触的部分。在这种情况下，工具装置120以超声的方式被赋能以在工件124上作业，从而适当地比如通过超声焊接或超声密封来处理工件124。

在图1B中，工件处理装置100’具有布置在致动器构件110与伺服马达108之间的弹性构件106。在其他方面，工件处理装置100’与图1A中的装置100相同。

在图2中，工件处理装置200具有布置在伺服致动器104的伺服马达108与框架114之间的弹性构件106，并且工具装置120固定至致动器构件110的端部116。在其他方面，工件处理装置200与工件处理装置100相同。

在图3中，工件处理装置300具有布置在工件保持件122与工件处理装置300的框架114之间的弹性构件106。在其他方面，工件处理装置300与工件处理装置100相同。

在图4中，工件处理装置400具有框架402，该框架402具有上框架部分404(如图4中定向)和下框架部分406，其中，弹性构件106布置在上框架部分404与下框架部分406之间。工件保持件122固定至下框架部分406。伺服马达108的伺服马达108固定至上框架部分404。在其他方面，工件处理装置400与工件处理装置100相同。

在操作中，伺服致动器104使工具装置120移动成与工件124相接触，并且伺服致动器104将因此推靠工件124的相对非顺应性表面。在推靠相对非顺应性表面时，伺服致动器的力与位置灵敏度的比由被推动的材料的弹簧常数来确定。使弹性构件106与伺服致动器104在力传递路径——当工具装置120与工件124接触时，力通过力传递路径被施加至工件124——中串联对系统增加了额外的顺应性，这降低了整体弹簧常数。这增加了伺服致动器104相对于其位置的力灵敏度。这允许在保持准确的位置控制的同时通过伺服致动器104准确地控制力。弹性构件106的弹簧常数被选择为提供期望的力对位置的保真度。

在伺服弹性致动器系统102中，当工件124在比如超声焊接或超声密封的情况下的操作期间被熔化时，在伺服致动器104停止移动工具装置120之后，弹性构件106将伸展，由此在工具装置120的运动停止之后改变弹性构件106的位置。也就是说，尽管伺服运动已经停止，工具装置120由于弹性构件106的压缩而继续移动。当工件124熔化时，比如两个部分被焊接熔化时，熔化物本身在凝固之前被压缩或保持。下面更详细论述的反应性控制被用于通过抵消弹性构件106的这种运动来对此进行补偿。通过这种补偿，提高了位置的准确度。

在实施方式中，使用弹性构件106的弹簧常数和弹簧变位进行的简单算法被用于计算当工具装置120通过伺服致动器104与工件122接触时施加至工件122的力。弹簧变位是弹性构件106被偏转的距离量。弹性构件106的这种计算力的闭环对伺服致动器104的位置进行控制。通过这种方式，可以实现对施加至工件124的力的精确控制，同时精确地监测工具装置120的位置。

尽管上面将弹簧和弹性体作为弹性构件106的示例进行了论述，但应当理解的是，弹性构件可以是具有必要的弹簧常数(可适用的线性的或扭转的)的任何类型的构件，并且弹性构件可以包括元件、比如定位在工件处理装置中的不同位置中的多个弹性构件106的组合。图9示出了工件处理装置900的示例，该工件处理装置900具有定位在工件处理装置900中的不同位置中的多个弹性构件106。在该示例中，不同的位置是上面参照图1A、1B至图4描述的位置。应当理解的是，多个弹性构件可以定位在与所有这些位置不同的其他位置中。例如，多个弹性构件可以定位在这些位置的一些位置中而不是定位在所有这些位置中。

应当理解的是，工件处理装置可以构造成使得工件保持件通过伺服致动器104被移动成抵靠工具装置120。

图5示出了用于控制伺服弹性致动器系统102的伺服马达108的示例性控制逻辑500的控制图。控制逻辑500在控制器112中被示例性地实现。控制逻辑500使用两个位置传感器502、504(例如，位置编码器)来确定弹性构件106的弹簧变位。位置传感器502、504在工件处理装置中定位成使得位置传感器502、504位于弹性构件106的相反的侧部上。通过示例并且非限制的方式并且参照图1中示出的装置100，当伺服致动器104使工具装置120移动成与工件124接触时，位置传感器502感测弹性构件106的端部105的位置，并且位置传感器504感测弹性构件106的端部107的位置。由位置传感器502、504感测的位置的差值由加法器506确定，该加法器从由位置传感器502感测的位置减去由位置传感器504感测的位置，这个差值是弹性构件106的弹簧变位。施加至工件124的力在508处使用上面的公式1计算，并且在508处计算出的力输入至PID(比例-积分-微分)控制器510。应当理解的是，替代性地可以使用PI(比例-积分)控制器、P(比例)控制器或I(积分)控制器。力设定点512也被输入至PID控制器510。PID控制器510基于弹性构件106的(在508处计算的)所计算出的力控制伺服马达108，并且因此控制伺服致动器104的位置。还应当理解的是，替代性地可以使用利用计算出的或测量出的力的任何适当的闭环控制方法。

由位置传感器504感测的位置也用于限制伺服致动器104的最大行程。如过冲距离补偿518那样，位置设定点514被输入至加法器516，并且位置由位置传感器504感测。加法器516从位置设定点514减去过冲距离补偿518与由位置传感器504感测到的位置之和，并且当由位置传感器504感测到的位置与过冲距离补偿518之和超过位置设定点514时，加法器516使伺服马达108停止。应当理解的是，除了确定何时停止伺服马达108之外，该确定还可以用于启动或终止处理、改变目标力或强度、启动伺服致动器104的撤回等。还应当理解的是，这些决定也可以基于(在508处计算的)所计算的力而做出。在一方面中，过冲距离补偿518通过下述方式确定：使用测试样本来测量过冲距离以用作过冲距离补偿，如在下面参照图9更详细地论述的；或者使用过去样本的迭代方法来估算过冲距离补偿。

图6示出了用于控制伺服弹性致动器系统102的伺服马达108的控制逻辑600的控制图，该控制逻辑600是控制逻辑500的变型并且将仅论述差异。布置在弹性构件106的相反端部之间、比如布置在弹性构件106的端部105、107(图2)之间的位置传感器602代替位置传感器502、504感测弹性构件106的弹簧变位并且用于获得弹性构件106的弹簧变位。位置传感器504仍被用于对伺服致动器104的最大行程进行控制限制。

图7示出了用于控制伺服弹性致动器系统102的伺服马达108的控制逻辑700的控制图，该控制逻辑700是控制逻辑500的变型并且将仅论述差异。控制逻辑700使用力传感器702来获得施加至工件124的力，而不是基于弹性构件106的弹簧常数和弹性构件106的弹簧变位来计算该力。作为在控制逻辑500中的508处计算出的力的替代，由力传感器702感测的力被输入至PID控制器510，并且因此控制逻辑700也不使用位置传感器502。位置传感器504仍用于对伺服致动器104的最大行程进行控制限制。力传感器702是感测施加在伺服马达108与致动器构件110之间的扭矩的说明性的扭矩传感器。

图8示出了用于通过下述方式确定过冲距离补偿518的控制逻辑800的流程图：使用测试样本来测量过冲距离以用作过冲距离补偿518。以下论述是在工件处理装置作为焊接机、比如超声焊接机的情况下进行的，但是应当理解的是，以下论述也适用于其他类型的工件处理装置。控制逻辑800在802处开始。在804处，控制逻辑800确定工件处理装置是用于常规焊接还是用于使用样本焊接对过冲距离进行测量。在这种情况下，常规焊接将工件为了其预期用途而焊接在一起。如果是常规焊接，则控制逻辑800分支到806，在806处工件处理装置用于常规焊接，在该常规焊接中，工件处理装置使用过冲距离补偿518(如上所述)执行焊接，并且然后分支到808，在808处控制逻辑确定工件处理装置是否将被用于执行另一焊接。如果是，则控制逻辑800分支返回804。如果否，则控制逻辑分支到810，在810处，控制逻辑使工件处理装置“停止”，例如，使工件处理装置空转，直到工件处理装置被再次使用为止。如果在804处控制逻辑确定用作过冲距离补偿的过冲距离将要使用样本焊接来进行测量，则控制逻辑分支到812，在812处控制逻辑在过冲距离补偿518设定为零的情况下执行样本焊接。在814处，在样本焊接塌陷之后测量过冲距离，并且过冲距离被设定为过冲距离补偿518。然后控制逻辑800分支到816，在816处将总塌陷与期望的塌陷进行比较以查看总塌陷是否在公差内。如果总塌陷不在公差内，则控制逻辑800分支到818，在818处使用过冲距离补偿518执行样本焊接。控制逻辑从818处继续到814，然后再到816。如果在816处总塌陷处于期望塌陷的公差内，则控制逻辑800分支到804。以这种方式，控制逻辑800通过样本焊接的连续迭代而达到期望的过冲距离518。

控制器112可以是或包括通过实现上述逻辑的软件来进行编程的数字处理器(DSP)、微处理器、微控制器或其他可编程装置中的任一者。应当理解的是，替代性地，控制器112是其他逻辑装置或者包括其他逻辑装置，比如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)或专用集成电路(ASIC)。当描述控制器112执行功能或配置成执行功能时，应当理解的是，控制器112配置成利用适当的逻辑(比如在软件、逻辑装置或其组合中的逻辑)来执行功能，适当的逻辑比如为控制逻辑500、600或700，并且控制逻辑800也适用。当描述控制器112具有用于功能的逻辑时，应当理解的是，这样的逻辑可以包括硬件、软件或其组合。

上述弹性构件106——该弹性构件106在下文中将被称为顺应性弹性构件——可以固定成使得在拉伸至压缩的范围内延伸。如果顺应性弹性构件以这种方式固定，则系统可以考虑由于工具(比如图1至图4和图9中的工具装置120)和工具固定至其上的相关联的支架部件的重量而产生的工具和支架载荷，支架部件在其移动至工件并且从工件移动时承载工具。例如，如图1的实施方式中所示，工具装置120固定至顺应性弹性构件106的端部107。工具装置120的重量在顺应性弹性构件106上施加向下的力，并且在图1中，工具装置120是被支承部件。

上述伺服弹性致动器系统102的问题在于，使顺应性弹性构件106固定成用于拉伸和压缩两者通常是不切实际的。如果顺应性弹性构件106如图10中那样仅处于压缩状态，或者如图11中那样仅处于拉伸状态，则伺服弹性致动器系统102不能考虑工具装置124和支架载荷的重量。因此，可以由伺服弹性致动器系统102施加的最小力等于仅使用仅处于压缩构型或拉伸构型的顺应性弹性构件106的工具装置124和支架载荷重量。

在上述伺服致动器系统102的实施方式中，两个位置传感器的组合或位置编码器确定顺应性弹性构件106的压缩或拉伸(弹簧变位)。压缩或拉伸以及顺应性弹性构件的弹簧常数确定了由伺服致动器104施加在工件124上的力。当顺应性弹性构件106只能处于压缩状态时，工具装置124和支架的重量降至最低点，并且因此伺服致动器系统102不能区分以工具装置124和支架的重量载荷以下的力施加在工件124上的力。这种情况在图10和图11中示出。

为了解决上述问题，根据本公开的一方面的伺服弹性致动器系统102’具有位于伺服器与载荷之间的重量补偿弹性构件1200，以补偿载荷的重量，如图12中所示。以这种方式，伺服弹性致动器系统102’可以精确地将力控制为零，同时精确地控制位置。此外，在一方面中，顺应性弹性构件106的一个端部或两个端部在串联力传递路径中没有固定至伺服弹性致动器系统102’的邻近部件，而是简单地邻接邻近的一个部件或多个部件。例如，在图12中所示的实施方式中，顺应性弹性构件106的端部105邻接固定至致动器10的安装构件1202但未固定至安装构件1202，顺应性构件106的端部107邻接安装构件1204但未固定至安装构件1204，或两种情况都有。应当理解的是，伺服弹性致动器系统102’在其他方面与伺服致动器系统102相同(包括伺服致动器系统102的上述任何变形)，并且因此下面的讨论将集中在差异上。还应当理解的是，由于这些差异，伺服致动器系统102’还可以是上述伺服致动器系统102的任何变型。

重量补偿弹性构件1200布置在伺服致动器系统104’中，使得由顺应性弹性构件106和重量补偿弹性构件1200施加的弹簧力彼此相反，如图12至图16中所示。在这方面，重量补偿弹性构件布置成使得其弹簧力在工具和支架载荷上施加向上的力。

在增加与顺应性弹性构件106相对的重量补偿弹性构件1200以补偿工具和支架载荷的重量的情况下，力与位置灵敏度的比等于顺应性弹性构件106和重量补偿弹性构件1200的组合：

K＝K_顺应性+K_补偿＝Δ力/Δ_位置 (3)

其中：

K＝顺应性弹性构件和重量补偿弹性构件的组合件的弹簧常数；

K_顺应性＝顺应性弹性构件的弹簧常数；

K_补偿＝重量补偿弹性构件的弹簧常数；

Δ力＝由伺服致动器施加的力的精确度(可以控制的力的最小量)；

Δ位置＝位置控制的精确度(可以控制的距离的最小量)；

并且重量补偿弹性构件1200的总行程必须考虑总的工具和支架重量(工具和相关联的支架部件的总重量)，并且顺应性弹性构件106的总行程必须考虑由伺服致动器104施加的总的力。也就是说，重量补偿弹性构件1200在完全压缩(或适当地延伸)时必须考虑工具和支架的全部有效重量，并且顺应性弹性构件106在完全压缩(或适当地延伸)时必须考虑由伺服致动器104施加的总的力。在完全压缩(或适当地伸展)下，顺应性弹性构件106和重量补偿弹性构件1200中的每一者行进的距离是相同的(总行进距离)，因此：

(W_支架+W_工具)*cos(θ)＝k_补偿*(x-x_预载荷) (4)

并且

F_伺服＝k_补偿*(x-x_预载荷) (5)

其中：

W_支架＝支架的重量(以牛顿为单位)；

W_工具＝工具的重量(以牛顿为单位)；

θ＝伺服致动器104指向的方向与重力的方向之间的角度；

x＝总行进距离(以米为单位)；

x_预载荷＝用以确保顺应性弹性构件106和重量补偿弹性构件104的预载

荷的轻微的额外行进距离(以米为单位)；以及

F_伺服＝由伺服致动器104施加的总的力(以牛顿为单位)。

通过重量补偿弹性构件1200和顺应性弹性构件106的这种组合件，伺服弹性致动器系统102’可以在顺应性弹性构件106仅处于压缩或拉伸时精确地同时控制力和位置，同时允许力被确定为低至零的值。应当理解的是，在一方面中，伺服弹性致动器系统102’由以上参照图5至图8描述的任何控制逻辑控制，并且在参照图5和图6描述的控制逻辑的情况下，伺服弹性致动器系统102’被修改成利用用于顺应性弹性构件106和重量补偿弹性构件1200的组合件的弹簧常数作为弹簧常数。

应当理解的是，重量补偿弹性构件1200和顺应性弹性构件106可以是任何类型的具有弹簧力的装置，比如为螺旋弹簧、板簧、锥形弹簧、气动弹簧或弹性体。还应当理解的是，重量补偿弹性构件1200可以处于压缩构型或处于拉伸构型。

在一方面中，存在顺应性弹性构件106和重量补偿弹性构件1200的四种不同的组合件。如图12中所示，顺应性弹性构件106仅处于压缩状态，并且重量补偿弹性构件1200也仅处于压缩状态，这是优选的实施方式。如图13中所示，顺应性弹性构件106仅处于压缩状态，并且重量补偿弹性构件1200仅处于拉伸状态。如图14所示，顺应性弹性构件106仅处于拉伸状态，并且重量补偿弹性构件仅处于拉伸状态。如图15所示，顺应性弹性构件106仅处于拉伸状态，并且重量补偿弹性构件仅处于压缩状态。

说明性地，顺应性弹性构件106和重量补偿弹性构件1200一起构造成组合件，本文称为弹性构件组合件1600(图16)。弹性构件组合件1600可以位于伺服弹性致动器系统102’中的不同位置处。弹性构件组合件1600可以位于伺服致动器104与工具装置120之间，如图16中所示，在这种情况下，重量补偿弹性构件补偿工具装置120和相关联的支架部件(未示出)的重量，这是如上所述的优选的实施方式。如图17中所示，弹性构件组合件1600可以位于伺服致动器104与框架114之间，在这种情况下，重量补偿弹性构件1200补偿伺服致动器104、工具装置120和相关联的支架部件的重量。

如图18所示，在相反的情况下，伺服致动器104向上指向，并且顺应性弹性构件位于工件保持件122的上方，并且说明性地位于工件保持件122与框架14之间。在该变型中，重量补偿弹性构件1200补偿工件保持件122的重量。

应当理解的是，伺服弹性致动器系统102’在需要精确的力和位置控制的伺服致动器抵靠相对非柔顺表面推动的情况下是有用的。作为示例而非限制，伺服弹性致动器系统102’可以用于与任何超声处理比如焊接、切割、铆接和锻压兼容。伺服弹性致动器系统102’也可以用于激光焊接、印制、切割、铆接或锻压，在这些处理中，被激光处理的工件被伺服致动器104夹持。伺服弹性致动器系统102’也可以用于旋转焊接、振动焊接和热板焊接。

对具有顺应性弹性构件的伺服弹性致动器系统增加重量补偿弹性构件的优点是，可以将力精确地控制到在被支承部件的重量以下的水平，同时精确地控制位置。

虽然图12至图18中所示的伺服弹性致动器系统102’的前述示例实施方式被示为竖向定向的伺服弹性致动器系统，其中，伺服致动器104竖向定向，使得致动器构件110竖向地上下行进，但是应当理解的是，伺服致动器系统102’可以不是竖向定向的。如果伺服弹性致动器系统102’不是竖向定向的，则伺服弹性致动器系统102’将说明性地包括线性导引件以抵消重力矢量的任何非轴向分量。即，重力矢量的不相对于伺服致动器104的致动器构件110成轴向的任何分量。应当理解的是，竖向定向的伺服弹性致动器系统102’还可以包括线性导引件。

图19是伺服弹性致动器系统102”的说明性示例，该伺服弹性致动器系统102”以竖向与水平之间的角度定向。伺服弹性致动器系统102”除了以下差异与图16中所示的伺服弹性致动器系统102’相同，并且以下讨论集中于所述差异。伺服弹性致动器系统102’具有角度取向，其中，伺服致动器104包括致动器构件110和工具装置120，致动器构件110和工具装置120以相对于竖向的非零角度Φ轴向对准，并且还以相对于水平的非零角度轴向对准。伺服弹性致动器系统102”包括线性导引件126，工具装置120容纳在该线性导引件126中，并且该线性导引件126支承工具装置120，从而抵消重力矢量的任何非轴向分量。

为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。前述描述并非意在是穷举的或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下能够互换，并且即使未具体示出或描述也可以在所选的实施方式中使用。特定实施方式的各个元件或特征也可以以许多方式变化。这样的变型不应被认为是背离本公开，并且所有这样的改型均意在被包括在本公开的范围内。