本发明涉及焊接设备，特别涉及电磁驱动的焊接机，该机用来产生轨道力并把力加在一个平面上，被焊接部件的接合点位于该平面上。本发明还涉及一种特别适用于该焊接的电磁电机，用于以轨道运动驱动一个被焊接的部件，这种轨道运动被限定在一个平面上，基本上没有超出平面运动。 轨道运动可以用数字方式表示，如下面的在X-Y平面的运动采用直角座标X，Y和Z表示：Xo，Yo和Zo是座标位置的起始原点，t是时间（秒），w是角频率（弧度/秒），X（t），Y（t）和Z（t）是运动的位置座标，这里X（t）＝Xo+Asinvwt，
Y（t）＝Yo+Bcoswt，Z（t）＝Zo，并且A＝B。
如果A≠B，则该轨道运动为椭圆形。
Z＝o的平面指定为“该”轨道平面，并且是其上产生轨道力的平面，Z≠o的任意一值表明另外的平行轨道平面。可以看到，在任一Zo轨道平面上的质点都保持在这个平面上，因为Z（t）是常值。
轨道力可描述为常值的力矢量，轨道力在轨道平面上围绕垂直于该平面的轴转动。
整个轨道平面上的运动保持不变（位移，速度和加速度矢量都是常值），不考虑座标原点Xo，Yo和Z。
轨道力的作用平面称为轨道平面，并且由于这种力使轨道运动被限制在该平面内。轨道力在轨道平面上围绕垂直于该平面的轴转动。
本发明提供的焊机特别适用于热塑料部件地焊接，它是采用力（轨道力，或是平移振动力）的方法在焊接部件的接合处（焊接表面的界面）引起摩擦发热，结果使部件在它们的界面表面熔接，并在部件冷却后焊在一起。本发明和电磁轨道驱动电机用做其他用途也是可以的。
运用平移（往复运动）振动方式的摩擦焊机是市场上可买到的。这样的焊机可以是电磁驱动的（见1975、11、18出版的美国专利3，920，504），或是液压驱动的（见1978、4、25出版的Bouyoucos，Behnfelelt和Selsam的美国专利4，086，122）。至今还没有出现能适合用于摩擦焊接的液压驱动器和电磁驱动器，这种驱动器应能够产生轨道力，特别是力基本上限制在一个平面上，把被焊部件的界面表面限制在该平面上，在被焊部件上形成焊接接合点。
轨道焊机具有超过线性振动焊机的优点。在线性振动焊机中，力是平移的，并且在相反方向的每个位置末端处速度降为零（停止）。因为摩擦焊接是一个阻尼过程，且热量与产生的阻尼力及部件的相对速度成比例，在轨道运动中，速度保持不变，因此使部件被摩擦和加热到熔化温度。从而，与往复运动焊接相比，有可能用较小的部件位移和较小的力产生与往复运动焊接中相同的热量。位移幅值和速度的要求可减少29%（1／）。位移的减小可以用来焊接部件上较小的焊接接头。采用振动或往复运动的焊接，在一个振动循环的末端，部件停止，所以热量的产生也是循环的。而采用轨道运动焊接时，在接合处产生不变的热量，这是因为速度值保持不变，因此，采用轨道过程的焊接较快，且位移较小。
轨道焊接比部件围绕轴旋转的旋转焊接方式也有优点，在旋转焊接中，部件上的旋转力和热效应随着旋转部件与旋转中心的径向距离而变化，沿着部件焊接界面的径向方向上的速度和热效应是不一致的。旋转焊接的应用一般局限于部件为圆形。
然而，有些部件不适合用轨道运动焊接，而适合用线性焊接。因此，希望提供一种焊机，它能实现希望的线性往复运动或轨道运动。往复运动焊接在一个平面上是容易实现的，一般是把接合处设置在台板上的焊头上。
要想不产生不位于或平行于轨道平面上的附加运动，实现轨道运动是困难的。因为台板支撑着一个焊接部件，正对着另一个装在压紧或夹紧机械中的部件，该台板有倾斜的趋势，并使部件间减少接触。本发明的特征是提供一种特别适用于摩擦焊机的电磁轨道驱动器，在焊接中使运动基本被限制在一个平面上（轨道平面）。
本发明的主要目的是提供一种改进的摩擦焊机。
本发明的另一个目的是提供这样一种改进的摩擦焊机，它能交替使用平移（往复运动）振动方式或轨道方式。
本发明的进一步目的是提供一种改进的电磁轨道驱动器和一种包括这种驱动器的摩擦焊机，并且其中的轨道运动基本上被限制在一个轨道平面上。
简要说明本发明的用于部件界面之间摩擦焊机的装置实施例，它包括驱动至少一个部件的装置，在部件的界面保持接触（这里是指形成焊接的接合处）的情况下，使该部件相对于另外的部件做轨道运动。该驱动装置包括电磁力产生装置，它在一个轨道平面上产生轨道力。本焊机还包括安装部件的装置，使部件能随轨道力而实现轨道运动，从而把部件之间的焊接界面置于轨道平面上，该安装装置最好是一个挠性元件阵列，它们在平行于轨道平面的全部方向上具有相同的钢性。例如，是围绕电磁轨道驱动器的棒。这些棒的一端与一个被轨道力驱动的板相连接，而另一端连接一个重支撑体。
按照本发明还可以看到，轨道速度（轨道驱动器的轨道运动速度）可以由加在电磁轨道驱动器上的电流的三次谐波来控制。响应该三次谐波，交流电的频率被控制在希望的频率上，最好的频率是，在该频率下使包括其挠性（弹性）支撑件的轨道驱动构件产生共振。
结合附图并通过阅读以下的说明将更好地明白，除现有的最佳实施例外，本发明的其他优点和进一步的目的。
图1是本发明摩擦焊机实施例的正剖视图，该图是沿着图2中的1-1线所取的剖视图;
图2是图1所示焊机的顶视图，剖开局部展示放大零件的电磁驱动电机和提供在轨道平面上做轨道运动的支撑件;
图3是一个更详细的图，展示驱动电机及其绕组的连接法，这些绕组示意性地表示在图中;
图4表示用于满输出和减小电流畸变的轨道电机绕组的三角形接线示意图;
图5是一个电磁轨道电机绕组的星形接线示意图，该电机提供的输出力为图4所示三角形连接绕组结构的输出力的1/3;
图6是一个与图3相似的示意图，示出电磁轨道电机的定子，电机的绕组可以选择性地连接，以便提供轨道力或平移（往复运动）力，这个力是图3所示结构所提供的轨道力量值的1/2;
图7表示绕组连接法的示意图，该绕组提供的往复运动力的幅值等于轨道力幅值的一半;
图8示意性地表示用于上图中的电磁轨道/振动电机的速度控制系统的方框图;
图9表示一种轨道/振动摩擦焊机的局部剖开的正视图，该焊机有两个能做轨道或往复运动驱动方式的电磁轨道驱动电机;
图10是图9所示焊机的顶视图;
图11是两个轨道电磁驱动电机的电路示意图，电机具有能选择轨道网络或振动（往复动）网络的开关。
关于图1和图2具体地说明如下，摩擦焊机的框架10由钢管制成，重支撑板12安装在振动隔离或冲击固定件14上，由此把板12和焊机架装配在框架10上。希望板12的重量远大于系统中运动部分的重量，例如，可能为200磅，与其相比的运动部分重量约为25磅。例如，板12是厚度为2英寸、直径为20英寸的钢板，上述尺寸是一个典型的焊机。众所周知，如果需要，电磁轨道驱动器可以做得很小，减小尺寸的振动焊机的结构可以比市场上可见到的和上述相关专利中所说的现有类型的振动焊机更小。例如，焊机的焊头16的尺寸可以减小到接近超声波焊头的尺寸。如果希望有较高的力输出，可以使用能提供相加力的多个驱动器。在下面图9到11的有关部分将说明使用两个驱动器的焊机。
焊头包括一个具有开口的管形构件18，其中包含电磁驱动器或电动机20，凸缘22把管形构件连接到重支撑板12上。
电动机20是适合用施加在定子30上的绕组24、26和28上的三相交流电驱动的（也可见于图3）。该定子30是一个磁性材料的单体，该材料由用于电机的普通钢制心片构成。用螺栓32把叠堆在环形体34上的铁心片装起来，环形体34焊接到管形构件18上。定子30的横截面大体上为三角形，为了保护材料和空间，三角形的顶部被切除了。该定子限定了一个环形体，用于为绕组产生的磁力线提供磁回路。磁极38、40和42沿着由三角形（等边三角形）每边的平分线确定的中轴向内凸出，围绕这些磁极分别缠绕着绕组26、28和24。为了便于安装，这些绕组可以绕成两部分并连接在一起。同时最好使绕组围绕定子的磁极38、40和42，如图所示，这些绕组可以绕在图示的螺栓32所在的定子角部分周围。在典型的电机中，定子磁极表面44、46和48的面积可能约为3平方英寸，绕组圈数为200。电机有一个转子50，它和定子一样也是一个磁性材料单体，由铁心片叠堆而成，这些心片由螺栓56夹紧在垫圈52与轴端54之间。
转子的横截面大体是一个三角形，沿着其各边（等边三角形的边）具有磁极表面，这些表面58，60和62（见图3）分别与定子磁极表面44，46和48相对，并由空气隙隔开。每个空气隙的宽度例如可能是0.050英寸。全部磁极表面和空气隙被平衡地布置在转子中心轴的周围，该轴就是螺栓56的纵向中心轴。最好使空气隙的宽度大于转子的轨道运动幅度，例如可以是0.021英寸，使转子不会碰击定子。
转子由螺栓联接，如图1所示，其中一个螺栓64接到传动板66上，板66可以是圆形的并有一个管状凸缘68，它用螺栓固定到焊机的台板70上。台板70连接到工具或夹具76的轨道运动部分72上，夹具夹带着一个部件78，它在焊机凸缘80上与另一个部件82相焊接。焊机凸缘80有一个限定部件的界面84的焊接表面。该部件可以是热塑性材料。下面的部件82是固定在工具或夹具76的下半部分74中的。这个下半部分装在夹板86上，由液压缸88把夹板86垂直上下移动，从而有足够的力使这些部件能夹紧在界面上，当上面的部件78由电机20驱动做轨道运动时，产生热量，热量使界面处发生熔化。
为了预防转子50在界面上倾斜（会使焊接表面的接触减少，并减少摩擦力，摩擦力是上部焊接部件78执行轨道运动时产生的），把转子50和上部部件78保持在一个水平轨道面上。如图所示的84，这一点是由一个用于转子50，传动板66，台板70以及附着在其上的夹具部件72的挠曲弹性支撑系统来实现的。这种挠曲支撑件是由对称布置的棒90构成，它们装在定子一转子系统之外，以便稳定台板的运动并使轨道力保持在轨道平面上。这些棒是围绕着它们的轴向（即平行于轨道平面）提供相等刚性的元件。周围相邻的各个棒90是交错排列的，这是为了使交错的棒在径向上靠紧并距离电机20的轴较远，如此的布置可抑制超出轨道平面的倾斜运动。该阵列也确定了刚性，它们与大量轨道运动部件（转子50和夹具72以及与它们相连的部分）一起构成一个在轨道运动的频率下产生共振的机械系统。该频率是加在定子磁极38，40和42上的绕组24、26和28上的交流电频率的二倍，该频率被加倍是因为电磁力与磁极面空气隙之间的磁通的平方成正比，并因此与加在绕组上的电压平方成正比。可以理解，轨道运动的产生是因为三相磁通在转子上产生了力，因为频率是双倍的，每个磁极上的相位差为60°，在轨道平面的任一点上，这个力产生运动，它能转化为同一个方向上的位移，速度或加速度失量，并能用失量（平行于轨道平面，换言之，垂直于轨道轴线）表示它们中的每一个，这些失量与二倍交流电源线频率的正弦和余弦幅值成比例，（即这些失量的旋转频率是交流电源频率的二倍）。如上所述，用座标位置X、Y和Z的数学术语表示XY轨道平面上的轨道运动（在该轨道平面上Z＝0，用一定的值表示其他平行的轨道平面）;其中X和Y表示该轨道平面上的任一座标，Xo、Yo和Zo是座标位置的起始原点，t是时间（秒），w是角频率（弧度/秒），在轨道平面上的运动为X（t）＝Xo+Asinwt和Y（t）＝Yo+Bcoswt，其中在方程式X（t）和Y（t）中的A和B不同时，轨道运动是椭圆形的。在整个轨道平面上该运动保持不变（位移、速度和加速度矢量保持不变），不需考虑轨道平面上从任一座标到观察到的轨道运动点之间的距离。
关于图3、4和5，可以看到，绕组24表示为“绕组1”，绕组26表示为“绕组2”，以及绕组28表示为“绕组3”。把圆圈内的数字所表示的绕组末端连接在一起，就可以把这些绕组接成三角形接法，如图4所示，并且把连接到三相电源线的三角形连接绕组的末端标为Φ1、Φ2和Φ3。另一种方法，如果希望力比三角形线路的大小，则可以把绕组接成图5所示的星形，在星形方式中，力的输出是三角形连接时的1/3，并且线路中流过的电流也被减少到1/3。在谐振情况下，三角形连接有一个绕组电流的三次谐波，它比交流电流基波低16dB，而且从交流驱动器出来的电流中有一个比基波低28dB的五次谐波。因此可以看到，三角形连接减小了从交流驱动器出来的电流中的谐波。如果两个轨道电机被机械连接到同一个负载（同一个驱动板），则可以选择平移（往复运动）振动力，如图9，10和11所示。另外，可以使用单相驱动器，以单个轨道驱动器去获得往复运动（线性振动）的力，其方向是沿着一个磁极表面的。它可以通过把每个绕组分成两部分来实现，结果，绕组1分为绕组1A和1B，绕组2分为2A和2B，绕组3分为绕组3A和3B。这些绕组的末端相应地标为1A1，1A2直到3B1，3B2，如图6和7所示。通过有选择地连接，例如，绕组1A和1B并联，而另外的绕组串联，在转子上产生线性振动（往复运动）力，它向着磁极的表面，绕组1绕在该磁极上。当单相交流电（在图7中表示的，例如交流线路的相2和相3之间的单相交流电）加到并联的绕组1A和1B上时，往复运动力约为轨道力峰值的1/2。可以用适当的开关连接各绕组部分，以便接受单相驱动电力并输入到串联和并联连接的绕组上，从而在三个方向中的一个所需方向上提供线性振动力。对于图1和图2所示的图，在磁极38上做成并联绕组是理想的，然后，振动的往复线性方向是沿着焊机的末端92和94的直线。
图8示出了在上述图中表示的用于电磁轨道驱动电机的速度控制系统。
根据本发明可以发现，流过电机绕组的电流三次谐波可以用来控制轨道速度，而后该轨道速度可以被用于控制加到电机20绕组上的三相交流电的频率。该交流电的频率由可变频率电机控制器96来控制，控制器96是市场上可买到的，并且是用模拟的慢变化或直流信号（频率）来驱动的类型。该信号控制从控制器96出来的输出线路的三相输出（3Φ）的频率，控制器96为电机20提供电机驱动电压，使用其中一个绕组的电压E1和电流I1，并加到速度分解器98上，它是一个按照下列方程完成模拟或数字计算的电路。
｜V｜＝K·｜I（3）1｜·频率2/｜E（1）1｜
＝轨道速度值
负载＝E（1）1-I（3）1＝0 谐振
＜0 在谐振以下
＞0 在谐振以上
由这个方程式可见，负载相角由绕组上的电压基波E（1）1与绕组中电流的三次谐波I（3）1之间的相角来代表的。电压分解器的输出代表负载速度信号和负载相角信号。该负载是装在挠性支撑系统上的，该系统由负载重量和支撑系统的刚性来确定机械系统的谐振频率，在谐振时相角为0，在谐振以下相角为负值，在谐振以上相角为正值。该系统使用一个可由模拟计算机或数字计算机充当的频率控制器100，它能响应分解器98的速度输出｜V｜与负载相角之间的差。只要驱动频率（在上述图中表示的轨道电机交流电频率的二倍）是在谐振以下，就增大驱动频率，使速度增加。只要负载相角是负的，该频率就是在谐振频率以下。当负载相角达到0，则该系统处在谐振状态，进一步增大频率将不能增加速度。因此频率控制器按下式工作：
如果（｜V｜＜Vo）和（负载∠O）
则增加频率
如果（｜V｜＞Vo）则减小频率
并且该频率控制器向控制器96提供输入信号，控制器96响应该输入信号。
另外，为了控制速度，可以监控流过三个绕组的电流，以便通过测量每个绕组来得到一个速度平均值，这样可改进速度分辨率。
关于图9、10和11，这里示出具有两个电磁轨道驱动电机104和106的摩擦焊机102，其中的每个电机类似图1，2和3所示焊机的电机20。这个焊机有一个由框架112上的冲击固定件110来固定的重支撑板108。液压驱动的往复运动台板114带有一个固定的夹具部件116。被焊接的固定部件是如图所示的一个薄的热塑性平板118。运动部件120安装在夹具的上部分122中。该部分122连接连接到台板126上。该台板连接到驱动板（未示出）上，或直接连接到电机104和106的转子128和130上。
图11表示绕组：电机104的绕组1、绕组2和绕组3以及电机106的定子绕组1′、2′和3′。一个三极开关改变三相电源与绕组1′、2′和3′的连接，加到线路上的三相电源表示为Φ1，Φ2和Φ3。这是一个方式选择开关。该开关提供的轨道力二倍于在驱动板126上由每个电机提供的力。另一种情况，可以用方式选择开关操作这些电机，从而产生一个往复运动力，其峰值两倍于朝向任一极的每个电机产生的力。换言之，由两个电机加到驱动板126上的，并且接着加到可动部件120上的力的峰值总和等于单个电机轨道力峰值的二倍。
通过上述说明，可以明白，本发明提供了改进的摩擦焊机，以及特别适用于该焊机的改进型轨道电磁驱动器（电机）。
在这里说明的属本发明范围的焊机和电机的变更和变形将无疑会呈现在本领域的技术人员眼前，因此，以上叙述仅作为说明，而没有限制的意思。