CN104690413A - 用于控制连续超声波焊接工艺的超声波焊接装置及方法 - Google Patents

用于控制连续超声波焊接工艺的超声波焊接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波加工装置和一种超声波加工方法。该超声波加工装置的特征在于控制/调节模块，其优选为数字控制/调节模块，整合到超声波发生器的信号处理部分中，使得该超声波发生器可以处理该超声波发生器收到的多种发生器数据。其中，控制/调节模块中的间隙调节器将功率实际值Pist与超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，确定超声焊极相对于滚子的位置参考值POSsoll，用于对超声波发生器的功率参考值Psoll进行调节；且/或控制/调节模块中的振幅调节器将功率实际值Pist与超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，确定超声波发生器的振幅参考值Asoll，用于对功率参考值Psoll进行调节。

Description

用于控制连续超声波焊接工艺的超声波焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及超声波焊接装置和超声波焊接方法，其用于控制或调节对织物材料进行超声波焊接的连续超声波焊接工艺。
背景技术
用于对织物材料进行连续超声波焊接的装置已经广泛为人所知。在这些装置中，超声波振荡单元通常包括转换器，该转换器一般是电声换能器，超声焊极通过又称为升压器的振幅转换部件安装在其上。不过，也有一些实施方式中超声焊极是直接连接到转换器上的。在这样的超声波振荡单元中，或者振荡单元被支撑于转换器壳体中，或者振幅转换部件被扣环支撑，或者超声焊极被底座支撑。这些支撑结构通常被设置在超声波振荡的振荡节点上，至少是靠近振荡节点设置的。振荡单元的超声焊极相对于一反向工具设置。在对织物进行超声波焊接时，该反向工具为具有均匀或不均匀的外部轮廓或焊接轮廓的滚子。采用可旋转的，例如滚子形状的超声焊极，也是已知的技术。在一些不同的实施方式中，这种滚子式超声焊极包含转换器。而且，滚子式超声焊极还被设置成可以相对于反向工具，例如砧板，进行转动。该可旋转的滚子式超声焊极和该反向工具可以相对于彼此进行移动，使得二者之间的间隙可以调节，此外，该滚子式超声焊极也具有均匀或不均匀的外部轮廓或焊接轮廓。
为了在电声换能器(例如压电陶瓷转换器)的并行频率或超声波谐振频率(其通常为18kHz到60kHz之间的一个预定频率)下对其进行操作，需要使用特殊的电子电源，例如超声波发生器。设有超声焊极的压电换能器的电源必须能够将该换能器的谐振频率提供给该换能器。这种换能器与超声焊极的组合主要用于热塑性塑料的焊接，在这类焊接过程中需要在短则几个毫秒，长则连续负载的时间内提供数百瓦到数千瓦的功率。这些已知的超声波发生器只能对电声换能器进行控制或调节。
为了在超声焊极和反向工具之间调节出理想的焊接高度和/或间隙高度，可以采用例如相对于机械挡止装置设置，且相对于反向装置固定装设的气动驱动装置来驱动超声波振荡单元。这里的缺陷在于，超声波振荡单元无法对被焊接的材料的厚度变化作出反应。在专利例如DE 195 81 256 B4中描述了这种固定支撑超声焊极的设计。
通过将电动驱动器(例如步进电机或伺服电机)对于超声波振荡单元进行限位的装置也是已知的。
在专利DE 195 26 354 C1中，用传感器检测超声焊极和反向工具之间的距离。传感器产生的相应信号被传输到外部的控制和调节装置。根据该传感器信号，可以控制超声焊极和反向工具之间的距离变化。在专利DE 10 2006 054 760A1中，驱动器将超声焊极朝反向工具的方向移动或者将反向工具向超声焊极的方向移动。传感器检测输入该驱动器的状态数据或者该驱动器输出的状态数据。根据传感器检测到的这些状态数据，可以改变超声焊极和反向工具之间的距离。在专利DE 197 53 740 C1中，力传感器检测超声焊极在反向工具所在的方向上的压力。根据检测到的压力，传感器产生信号并将其传输到外部的控制或调节装置。接着，该控制或调节装置输出对应的控制信号，根据该控制信号调节超声焊极和反向工具之间的距离。
如果此时织物材料被导入用于焊接或切割的空隙或间隙中，焊接力以及织物材料产生的应力都将作用于超声焊极上。特别是在焊接力较大或发生变化时，织物移动速度较快时，织物厚度发生变化时，以及滚子具有特殊的形状时，这时的应力会导致超声焊极相对于织物发生后退，也就是说，超声焊极向远离反向工具的方向移动。如果滚子具有所谓的横缝或者类似横缝的轮廓，也就是不均匀的外部轮廓，织物材料的应力会特别大。这些不均匀的外部轮廓通常是相对于滚子的旋转方向横向延伸的轮廓，也就是说，焊接没有发生在平面上，而是仅仅发生在这些轮廓(即较高处)上。在后续的处理步骤中，通常会切除织物材料表面单独突出的部分。实际上，众所周知的是，这些轮廓使得焊接很难达到均一的质量。由于织物材料的应力大于阻挡力，超声波振荡单元的驱动组件的支撑结构和空隙会导致超声焊极产生屈服性或者退让性的移动，上述间隙会过度打开，使得后续形成的接缝不再具有适当的结合力。因此，焊接效果将无法令人满意，特别是在所述接缝的部位。
专利DE 44 00 210 A1描述了一种在物理上正确控制数字发生器的频率和功率输出的方法，尤其适用于超声波焊接工艺，以及减少在生产超声波换能器、振幅转换器及超声焊极时的尺寸修正工作。本方法通过数字控制单元执行，不仅补偿了谐振频率在较宽广范围内的扩散，而且也能补偿焊接过程中因为温度或压力变化引起的谐振点的水平位移。通过软件可以对由电源电压或压力的波动引起的功率波动进行检测和补偿。该软件对在线机械的整个工作流程进行注册，调整在线机械的参数，并监控整个周期的工作。对于单个工作流程，例如处于空闲状态下的换能器系统的参数检测、压力下的参数检测、对声学和电子元件的尽可能缓和的供电、对重要系统参数的变化趋势的鉴定、以及预定阈值的超出情况等等，它们的顺序都由该软件加以处理。该软件对物理上正确的控制和调节参数予以监控，从而可以确保在将电能转换为超声波能量时取得最佳的效率因素。
专利DE 100 09 174 A1描述了一种通过外部控制和调节装置来操作的超声波加工装置。该外部控制和调节装置从描述了其输出信号特征的超声波发生器接收信号。为了调节该发生器的输出功率，通过该控制和调节装置调节超声焊极的压力或振幅。由于超声焊极的振幅变化，发生器的输出功率的变化是很容易检测到的，超声波振荡器的反应时间则处于5到10毫秒的范围内。如果通过控制阀门来改变超声焊极的压力，则该反应时间的范围可以达到50到700毫秒。
本发明的一个目的是改善已知的超声波加工装置的操作工艺，达到能够快速地、灵活地对超声波加工装置的工作条件的变化作出反应的效果，从而保证超声波加工装置的处理效果。
发明内容
独立权利要求1及3所述的超声波加工装置和独立权利要求13所述的超声波加工方法解决了上述问题。以下结合文字叙述、图示和相关的权利要求给出本发明的优选实施例及其相应的扩展方案。
本发明的超声波加工装置包括以下结构：超声波发生器、转换器、至少一个超声焊极及与超声焊极相对设置的反向工具，超声焊极与反向工具之间由间隙隔开；其中超声焊极或反向工具被设置为可旋转的并且包括均匀的外部表面；一控制/调节模块，优选为数字控制/调节模块，整合在超声波发生器的信号处理部分中，使得该超声波发生器可以处理该超声波发生器收到的多种发生器数据，特别是电压Uus、电流I、实际振幅Aist和/或实际发生器功率Pist；其中，a)通过控制/调节模块的间隙控制器可以将功率实际值Pist与超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，从而确定和调节超声焊极相对于滚子的位置参考值POSsoll，以便对超声波发生器的功率参考值Psoll进行调节；和/或b)通过控制/调节模块的振幅控制器可以将功率实际值Pist与超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，从而确定超声波发生器的振幅参考值Asoll，以便调节功率参考值Psoll。
本发明的超声波加工装置用于通过超声波对材料进行焊接、切割和/或纺织。实施这些手段时，连续的织物材料可以通过超声波加工装置的反向工具和超声焊极之间的间隙进行移动。通过相对移动，超声焊极和反向工具相对于彼此的距离是可调的，使得超声焊极和反向工具之间的间隙具有预定的宽度。根据本发明的一个优选实施例，超声焊极与用作反向工具的可旋转地安装的滚子相对设置。另一个优选实施例提供的超声焊极的形状被设置成例如可旋转的滚子式超声焊极。以此为目标，优选地，至少一个超声焊极被安装在设置为可旋转的滚子上，使得滚子的径向外表面通过其外部轮廓将超声焊极产生的超声波振荡传递到织物材料上。在又一实施例中，反向工具由砧板制成。为了使可旋转的超声焊极与砧板之间的间隙宽度是可调的，优选地，砧板和/或可旋转的超声焊极是可移动的，从而确保二者之间能够如上所述地相对移动。
特别优选地，该超声波加工装置可以用作超声波焊接装置。与上面所讨论的现有技术所述的超声波加工装置不同，整个处理流程的控制和调节是在超声波发生器中进行的。以此为目标，超声波发生器的信号处理部分包括控制/调节模块，通过该控制/调节模块确定加工过程的条件和要求，优选地，例如为了确定超声焊极和滚子之间的间隙或距离而产生的外部启动系统的定位信号。当控制/调节模块被整合在超声波发生器的信号处理部分中时，操作超声波发生器所必需的发生器数据以及对其作出的选择都是有效的。该多种发生器数据包括例如电压Uus、电流I、实际振幅Aist及实际发生器功率Pist。如有必要，控制/调节模块可以对该多种发生器数据作出至少一次选择，且无需为了在超声波发生器与控制/调节模块之间对发生器数据进行转换和/或适配和/或传输而花费时间。除了由此带来的超声波处理工艺的数据加工过程的时间上的节省，通过超声波发生器与它所合并的控制/调节模块的组合，超声波处理工艺的数据处理中的核实及更详细的运算也得到了保证。此外，这里使用的将控制/调节模块整合到超声波发生器的信号处理部分中的方案，使得在例如分别调节超声焊极与滚子或砧板之间的间隙时，可以避免使用结构复杂的、在一定程度上可能形成干扰的、且在一定程度上还会占用空间的外部控制器。
该超声波加工装置依靠超声波发生器的功率对超声波处理工艺进行调节。超声波发生器的理想功率参考值Psoll通过控制/调节模块中的间隙调节器和/或振幅调节器来调节。例如，在超声波发生器需要达到预定的功率参考值Psoll的情况下，间隙调节器控制超声焊极相对于反向工具的自身位置参考值POSsoll，也就是分别相对于滚子或砧板的位置参考值。优选地，也可以在超声波加工装置中使用振幅调节器，其可以与间隙调节器相结合或者二者择一地使用。在超声焊极与反向工具之间的被调节的预定间隙中，优选为在超声焊极与滚子或砧板分别形成的间隙中，振幅控制器专门用于改变由超声波发生器产生并用来控制超声焊极的超声波振荡的振幅。对应地，当控制/调节模块中的振幅控制器控制振幅增大时，会导致超声焊极与反向工具之间的间隙，优选为超声焊极与滚子或砧板分别形成的间隙，变得较小，这样就使得超声波发生器的功率实际值Pist增加。通过同样手段，当由超声波发生器产生的超声波振荡的振幅在控制下被减小时，会导致超声焊极与滚子或砧板分别形成的间隙，或者超声焊极与反向工具之间的间隙，变得较大。这样，通过单独地或组合地使用间隙调节器与振幅调节器，可以对超声波发生器的功率参考值Psoll进行专门的控制和调节。
根据本发明的一个优选实施例，该超声波加工装置包括外部传感器，通过该外部传感器可以检测可旋转地装设的超声焊极或可旋转地装设的反向工具的角速度。检测到的角速度被传输到超声波发生器中的间隙调节器和/或振幅调节器。在织物材料的加工过程中，超声焊极和反向工具(优选为旋转滚子)之间的间隙的宽度是根据织物通过该间隙时的移动速度来调节的。传感器检测到的反向工具或滚子的角速度表征了织物的移动速度。如果传感器检测到的角速度被传输到振幅调节器和/或间隙调节器，优选地，这两个调节器都返回预存的特征曲线和/或特征值图表，根据织物通过超声焊极和反向工具之间的间隙的速度得出超声波发生器的功率参考值Psoll。当超声波发生器的功率参考值Psoll被与其实际功率值进行比较时Pist，优选地，提供一调节器来确定超声波发生器产生的超声波振荡的振幅的振幅参考值，该振幅参考值适用于做比较。通过同样手段，该间隙调节器确定超声焊极或反向工具相对于相对设置的滚子的位置参考值，以便调节间隙的宽度。在超声波发生器中，预设的振幅参考值被与当前存在的振幅实际值进行比较，从而得到对应的调节。优选地，位置传感器检测超声焊极相对于反向工具的位置，优选地检测超声焊极相对于旋转滚子或砧板的位置，以便让伺服电机可以单独移动该超声焊极，从而调节该位置参考值。
本发明还包括一种超声波加工装置，其具有以下结构：超声波发生器、转换器、至少一个超声焊极及与超声焊极相对设置的反向工具，该反向工具优选为旋转滚子，超声焊极与反向工具之间由间隙隔开；其中超声焊极或反向工具被设置成可旋转的，并且包括不均匀的外部表面；一控制/调节模块，优选为数字控制/调节模块，整合在超声波发生器的信号处理部分中，使得该超声波发生器可以处理该超声波发生器收到的多种发生器数据，特别是电压Uus、电流I、实际振幅Aist和/或实际发生器功率Pist；其中，a)通过控制/调节模块的间隙调节器可以将功率实际值Pist与超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，从而确定和调节超声焊极相对于反向工具的位置参考值POSsoll，以便对超声波发生器的功率参考值Psoll进行调节；和/或b)通过振幅调节器可以将功率实际值Pist与超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，从而确定超声波发生器的振幅参考值Asoll，以便调节超声波发生器的功率参考值Psoll。
与上面所讨论的超声波加工装置不同，在这里，可旋转的超声焊极，优选为滚子式超声焊极，被相对于反向工具例如砧板而设置，或者可旋转的滚子被相对于优选为线性可调的超声电极而设置。根据本发明，该滚子式超声电极或可旋转的滚子具有不均匀的外部表面，在超声波焊接过程中，该外部表面形成每一个焊接轮廓。该滚子或者可旋转的超声焊极的不均匀的焊接轮廓，例如由横缝造成的不均匀的焊接轮廓，会导致外部轮廓的表面形状发生变化。如下所述，超声波发生器和超声焊极使用的焊接功率在滚子或超声焊极的一次转动中就会发生变化。当不均匀的滚子或超声焊极转动时，滚子或超声焊极的不均匀的表面形状会适时地在超声波发生器的条件数据中生成周期性的重复模式。相对于操作超声波加工装置的现有技术，这些模式可用于对检测结果进行评估，还可用于更精确地评估、发展和运行超声波加工装置的操作技术。
根据本发明的一个优选实施例，滚子或超声焊极的不均匀的外部表面包括至少一处可检测的轮廓，用于生成至少一个包含多种发生器数据(如上所述)的数据集合；该多种发生器数据是对应着由滚子或电极的旋转所产生的至少一个在时间上具有周期性重复模式(优选为尖峰)的时间信号而列出的。根据这种建设性的基础，即使滚子上没有设置基于控制/调节模块内部的控制/调节模块系统时间来工作的外部传感器，仍然可以确定反向工具(优选为滚子)或者可旋转的超声焊极的角速度。优选地及示例性地，如果超声波发生器的功率在滚子或可旋转的超声焊极的一次完整的转动期间都受到检测，不均匀的滚子或可旋转的超声焊极的每一处横缝或不均匀轮廓都会导致超声波发生器输出的功率增加。这样，当超声波发生器的功率被对应着控制/调节模块的系统时间或者对应着其他系统时间进行分配时，在时间上周期性重复的尖峰可以用于对超声波发生器的功率效果进行评估。根据这些用于评估超声波发生器功率的尖峰之间的时间差，可以确定旋转的滚子或旋转的超声焊极的角速度，从而进一步确定织物材料穿过间隙的移动速度。当控制/调节模块中进行时间效率数据评估时，就可以避免同时使用外部传感器来检测滚子的角速度。优选地，通过同样手段，可以对更多如上所述的被检测的发生器数据进行选择、检测和评估。
根据本发明的另一个优选实施例，反向工具是被可旋转地设置的滚子。超声焊极被设置成相对于滚子可以调节的，使得超声焊极的相对于滚子具有限定间隙的参考位置POSsoll可以由位置传感器来检测，还可以通过执行器来调节。
根据本发明的超声波加工装置的另一个优选实施例，数字式超声波发生器被与数字操作控制/调节模块结合在一起使用。在这种情况下，提供数字式的振幅调节器也是较优的选择。根据这种建设性的基础，通过控制/调节模块内部的振幅调节器可以调节超声波发生器的功率实际值Pist。根据该超声波加工装置的又一个优选实施例，振幅调节器在没有间隙调节器的情况下使用，使得在已经调好滚子和超声焊极之间的或者可旋转的超声焊极和反向工具之间的间隙宽度的前提下，仅通过调节振幅参考值就可以调节超声焊极和滚子或反向工具之间的距离。为了达到这个目的，优选地，在超声波加工装置的操作期间，超声焊极可以被设置成固定的，这样就不必通过位置传感器对运动的超声焊极进行定位。通过同样手段，将间隙调节器和振幅调节器结合在一起使用也是较优的选择。以此为基础，将主动的间隙调节和超声焊极的振幅调节结合在一起，就可以用来调节超声波发生器的功率参考值Psoll。
如上所述，根据本发明的一个优选实施例，超声波加工装置的滚子具有不均匀的外部表面，基于在时间上周期性重复模式，优选为尖峰，此时可以不使用外部传感器，利用至少一个包含多种发生器数据的数据集合即可确定滚子的角速度。在这种情况下，已经检测出来的是，所述至少一个包含多种发生器数据的数据集合中的重复模式，优选为尖峰，表征了超声波加工装置的加工时间。因此，优选地使用控制/调节模块来检测处于该等重复模式/尖峰的时间范围内的加工时间。当超声波加工装置的加工工作仅在该重复模式/尖峰的时间范围内单独发生时，优选地，超声波发生器的功率实际值Pist和/或振幅实际值Aist和/或位置实际值POSsoll的评估过程和控制与调节过程仅在这些加工时间内会被执行。因此，优选地，仅在周期性出现的加工时间内会对数据予以检测和处理。根据一个实施例，数据或测量值被取平均值。通过执行这一手段，例如加工时间之外的可检测的数据，以及也被称为噪声的不相干数据，大部分被从数据的检测和处理中排除。这样，数据检测和处理的精确度得到提高，控制/调节模块的控制和调节过程所需的处理功率进一步降低。如此，控制/调节模块中冗余的或不再需要的计算能力就可以用于其它任务。
为了实现超声波加工装置的高效构建，优选地提供没有间隙调节器的振幅调节器，以便在已经调好反向工具(优选为滚子)和超声焊极之间的间隙宽度的前提下，仅通过调节振幅参考值就可以调节超声焊极和滚子之间的距离。另一个较优选择是在超声波加工装置的操作期间将可调节的超声焊极或可调节的反向工具设置成固定的，这样就不必通过位置传感器对运动中的超声焊极或反向工具进行定位。根据本发明的又一个优选实施例，间隙调节器和振幅调节器可以结合在一起使用，以便可以将主动的间隙调节和超声焊极的振幅调节结合在一起，用来调节超声波发生器的功率参考值。
基于上述的超声波加工装置的高效构建方案，优选地，由于控制/调节模块的控制/调节干涉过程所需的时间为50ms以内，优选为30ms以内，间隙调节器可以满足超声波加工装置对反应时间的要求。基于上述的超声波加工装置的高效构建方案，优选地，如果控制/调节模块的控制/调节干涉过程所需的时间为50ms以内，优选为40ms以内，特别优选为20ms以内，振幅调节器也可以满足超声波加工装置对反应时间的要求。通过本发明可以满足超声波加工装置对反应时间的要求，这表明将控制/调节模块整合到超声波发生器的信号处理部分中的方案比已知的将控制器设置在超声波发生器外部用来例如调节超声焊极和滚子之间的间隙的方案更加高效。
本发明还包括一种使用超声波加工装置进行的超声波加工方法，该超声波加工装置包括超声波发生器、转换器、至少一个超声焊极及与超声焊极相对设置的反向工具，超声焊极与反向工具之间由间隙隔开；其中超声焊极或反向工具被设置为可旋转的并且包括均匀或不均匀的外部表面；一控制/调节模块，优选为数字控制/调节模块，整合在超声波发生器的信号处理部分中，使得该超声波发生器可以处理该超声波发生器收到的多种发生器数据，特别是电压Uus、电流I、实际振幅Aist和/或实际发生器功率Pist；其中该超声波加工方法包括以下步骤：a)确定可旋转地设置的反向工具或可旋转地设置的超声焊极的角速度；b)检测至少一个包含该多种发生器数据的数据集合；c)在间隙调节器中将功率实际值Pist与超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，确定超声焊极相对于反向工具的位置参考值POSsoll；和/或d)将功率实际值Pist与超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，确定超声波发生器中的振幅参考值，用来调节超声波发生器的功率参考值Psoll。
本发明的超声波加工方法的上述优选步骤还涉及了使用上述间隙调节器和/或振幅调节器将超声波发生器的实际功率调节到预设的参考值。在这种情况下，较优的选择是使用安装在滚子上的外部传感器来检测与超声焊极相对设置的滚子的角速度或者与砧板相对设置的可旋转的超声焊极的角速度，并将检测到的角速度传输到间隙调节器和/或振幅调节器。另一个可选方案中，较优的选择是在具有不均匀的外部表面，但其外部表面包括至少一处可检测的轮廓的滚子或者可旋转的超声焊极上检测至少一个包含该滚子的多次旋转期间的多种发生器数据的数据集合，用来在至少一个包含多种根据基于控制/调节模块的系统时间产生的时间顺序列出的发生器数据的数据集合中评估在时间上周期性地发生的模式，尤其是尖峰，以便在不使用外部传感器时可以确定滚子的角速度，并将所确定的角速度传输到间隙调节器和/或振幅调节器。
根据本发明的超声波加工方法的另一个优选实施例，超声波加工装置的加工时间在周期性产生的模式或者说尖峰的时间范围中确定，对超声波发生器的功率实际值Pist和/或振幅实际值Aist和/或位置参考值POSsoll的评估操作过程及/或控制和/或调节过程被限制在上述的被确定的超声波加工装置的加工时间或加工时间范围内。
根据本发明的超声波加工方法的又一个优选实施例，通过位置传感器和执行器来调节与滚子相隔有限定间隙的超声焊极的参考位置POSsoll。进一步的优选方案是调节超声焊极与滚子之间的固定间隙，且其中具有执行器的位置传感器并不是必需的。下一个方案中，通过调节超声焊极的振幅参考值Asoll来调节超声波发生器的功率参考值Psoll。在这种情况下，另一个较优选择是通过结合使用间隙调节器与振幅调节器来调节超声波发生器的功率参考值Psoll，其中通过将主动的间隙调节和超声焊极的振幅调节相结合，即可调节超声波发生器的功率参考值Psoll。
根据本发明的超声波加工方法的又一个较佳实施例，在振幅调节器上和/或位置调节器上实现预控制功能的覆盖或锁定，从而实现振幅的预调节。
本发明的超声波加工方法的又一个较佳实施例还包括以下步骤：在至少一个包含多种发生器数据的数据集合中，根据在时间上周期性地出现的模式或者说尖峰确定超声波加工装置的加工时间，并将预控制功能覆盖在所确定的加工时间的至少一个校正变量上，使得织物材料加工过程中的系统时间偏差或干扰影响可以被预先考虑。
附图说明
以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。其中：
图1是本发明的超声波加工装置的一个较佳实施例的示意图。
图2是本发明的超声波加工装置中用作反向工具的滚子的优选实施例的示意图，该滚子具有均匀的外部轮廓，利用该滚子对织物材料进行超声波焊接，该织物材料优选为包括多个材料层。
图3是本发明的超声波加工装置中用作反向工具的滚子的优选实施例的示意图，该滚子具有不均匀的外部轮廓，利用该滚子对织物材料进行超声波焊接，该织物材料优选为包括多个材料层。
图4是超声波发生器的在一定时间内被检测到的可评估的发生器数据的示意图。
图5是一个包括具有均匀的外部轮廓的滚子的超声波加工装置的优选实施例的示意图。
图6是本发明的超声波加工装置的另一个包括具有均匀的外部轮廓的滚子的优选实施例的示意图。
图7是本发明的超声波加工装置的一个包括具有不均匀的外部轮廓的滚子的优选实施例的示意图。
图8是另一个包括具有不均匀的外部轮廓的滚子的超声波加工装置的优选实施例的示意图。
图9是本发明的超声波加工方法的优选实施例的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种超声波加工装置1的基本结构。该超声波加工装置1包括超声波发生器10、转换器22、升压器24、可线性移动的超声焊极26、以及分别用作反向工具的滚子或砧板30，超声焊极26与滚子30之间形成有间隙29。
通过对上述的超声波加工装置1的结构进行模拟，可以得知较优的选择是提供可旋转的超声焊极(图未示)。其中，至少一个超声焊极被设置在滚子上。该超声焊极滚子被可围绕一中心轴旋转地承载或支撑。该超声焊极滚子的外部区域具有滚子30的外部表面的功能，这将在下面详细介绍。为了使旋转的超声焊极滚子和与其相对设置的砧板之间的空隙可以调节，该超声焊极滚子和/或该砧板(图未示)是可以线性移动的。超声焊极滚子和砧板的移动导致二者之间的相对移动，从而确保超声焊极和砧板之间的间隙的宽度可以得到精确的调节。
以下将详细介绍与附图描绘的超声波加工装置1相对应的超声波加工装置的优选的结构、功能及加工方法。同样地，这些说明也适用于图中没有示出的包括例如旋转的超声焊极滚子与砧板的超声波加工装置。
当获得供电电能或供电电压UN时，超声波发生器10产生高频的电子振荡。该高频电子振荡或者说电能在转换器或者声音换能器22中被对应地转换成机械振荡。转换器22的机械振荡优选地被升压器24放大，然后被传输到超声焊极26。分别与超声焊极26相对设置的可旋转的滚子30或砧板被用作反向工具，从而超声焊极26与滚子30被间隙29相互隔开。由于滚子30被设置成可旋转的，待处理的织物材料40(图1中未示出)可以穿过间隙29，从而受到超声波的处理。超声波的能量被通过超声焊极26导入织物材料40中。
在该加工过程中，优选地，滚子39的角速度ω受到角速度传感器38的检测(步骤S I)。为了使得间隙29和超声波加工装置1相对于织物材料40是可调节的，超声焊极26相对于滚子30的位置可以通过具有位置传感器的执行器28予以调节，或者手动调节。除了电子执行器28或者线性马达，液压或气动操作的执行器也是较优的选择。
由以上描述可知，通过该超声波加工装置1可以实现不同的处理工艺，例如已知的超声波焊接、超声波切割及超声波纺织。下面主要以超声波焊接为例对该等超声波处理工艺进行说明。
图2和图3示出了滚子30的不同优选结构的示意图。图2绘出了具有均匀的外部表面32的滚子30。通过使用均匀的外部表面32，可以在第一织物材料40上形成均匀的加工图案，优选为焊接图案。根据本发明的一个优选实施例，织物40由逐层堆叠设置的多个材料层组成。对织物材料40进行这样的处理也被称为持续焊接的应用，或者通称为持续或连续处理的应用。这类连续焊接的应用也被称为具有不中断的焊接轮廓的表面焊接。在滚子30的每次转动中形成的整个焊接轮廓上，滚子30的表面占用率或焊接功率都是恒定的。
图3示出了具有不均匀的外部表面34的滚子30。在该不均匀的外部表面34上设有至少一处可检测的轮廓36、37，该轮廓36、37相对于滚子上与其相邻的部分35是突出的。该可检测的轮廓36、37在超声焊极26的方向上从不均匀的外部表面34上突出，并在滚子30的转动过程中导致间隙29周期性地缩小。优选地，该轮廓36、37从滚子的周缘方向上横向地伸出，从而也可以被称为横向轮廓36、37。通过滚子30的转动，织物材料40的逐层堆叠的材料层优选地在该轮廓36、37所在的区域内被焊接，使得材料40上形成所谓的横缝42、43。该轮廓36、37也可以沿着与滚子30的外缘方向构成90°夹角的方向伸出。此外，在另一个较优的选择中，该轮廓36、37可以是连续或不连续的，这表示它们的高度可能是恒定的或变化的。由于这样的轮廓36、37也被用于焊接曲线图案、缝隙状的进程、以及复杂表面，例如将织物材料制成手套时所需的复杂表面，相对于滚子30的具有任意高度的外缘方向，该轮廓36、37具有任意的伸出方向。据此，术语“轮廓”意味着滚子的突出部分的这些任意的伸出方向，术语“横缝”意味着通过这些任意轮廓形成的缝隙。
在被焊接的织物材料的这些横缝42、43之间设有区块44，在该区块44中，织物材料的焊接方式与横缝42、43所在的部分不同，例如可能是焊接面积较小，或者没有充分焊接。这样就在滚子30上产生了不均匀的焊接轮廓36，在滚子的一次转动中，滚子的表面占用率和焊接功率会发生变化。同时，在滚子的一次转动中，滚子表面被占用的部分完全地被用于加工操作中，将对应的焊接图案压印到织物材料40上(如图3所示)。基于具有可旋转的滚子30的超声波加工装置1的该等回转结构，可以在超声焊极26和滚子30之间实现可重复的加工工艺，而且该等加工工艺是可以被检测的(见下文)。
在超声波发生器10中，电能被转换为高频电子振荡。为了达到这个目的，超声波发生器10包括模拟功率单元12。进一步地，通过该模拟功率单元12，信号检测部分14可以对多种发生器信号进行检测。该等发生器信号包括以下数据集合中的全部或选定的部分：超声波电压Uus、超声波电流I、超声波振荡的振幅实际值Aist以及超声波发生器的功率实际值Pist。
超声波发生器10还包括内部的信号处理部分16，优选为数字信号处理部分，用于对至少一部分发生器数据进行处理。信号处理部分16包括系统时间或时钟，分别为例如现有的个人电脑或工业计算机，使得系统时间可以用作信号处理部分16的参考信号。迄今为止，信号处理部分16已经被用在其他产品中来控制和/或调节超声波信号的频率。例如，控制电子元件或控制软件已经被用来将超声波的频率调节到超声波加工装置的谐振频率。通过信号检测部分14和信号处理部分16，可以根据时间对发生器数据进行检测，并对其进行评估。该评估过程并非必须在这里被描述，而是可以在介绍图4所示的使用具有不均匀的外部表面34的滚子30的超声波焊接方法时再予以描述，因为该评估过程可以用于保证图4所示的方法的焊接质量。具有一个或多个轮廓36、37(优选为两个横向轮廓)的滚子30的旋转会导致发生器数据中生成在时间上周期性地重复的尖峰P36、P37。在滚子30的每次转动中，轮廓36、37都会导致一个尖峰P36、P37生成。这样，两个相似的尖峰P36或P37之间的时间差即可用作表示滚子30的一次完整转动U的信号。如果横向轮廓在移动中越过了超声焊极26并导致间隙29缩小，超声波加工，优选为对织物材料的超声波焊接，就会发生在横向轮廓36的范围内。在这个随着滚子30的每次转动U周期性地重复的时间范围内，超声波的振幅A被暂时缩小。同时，可以看出超声波频率F、超声波电流I和超声波发生器功率P都根据图4所示的正负尖峰增长。在横向轮廓36的在时间上可以被分辨的、根据时间做周期性回转的加工范围之内，超声波电压Uus也显示出了信号上的变化。这样，根据时间检测出来的数据可以显示出利用超声波加工装置1的滚子30的不均匀的外部表面34在织物材料40的超声波处理的各时间段内形成的有代表性的、在时间上周期性重复的图案。优选地，这些重复图案的形状具有正向和负向的尖峰，或者根据时间绘出的其他特征变化。通过滤波器(图未示)或者其他适合的用于评估的电子器件可以自动检测这些图案。在此基础上，优选地，可以确定各种图案的形成时间点或形成时间范围，以及无变化的、多重连续相似的、不相似的图案的形成时间之间的时间差。相似的图案会表现为对应于同类物理量的信号变化，例如同一个轮廓36或37会造成超声波电压Uus的变化。不相似的图案也会表现为对应于同类物理量的信号变化，但是这种信号变化是滚子30上不同的轮廓36、37造成的。
因此，根据发生器数据组成的一个或多个数据集合，可以分辨出从什么时间开始，以及在哪个时间段内，织物材料在间隙29中被加工。进一步地，根据两个相似的尖峰或者其他模式之间，例如P36和P’36之间的时间差，可以分辨出滚子30在什么时间段内完成一次完整的转动U。在此基础上，优选地，控制/调节模块50(见下文)或信号处理部分16根据同一个横向轮廓36、37造成的两次连续的相似模式之间的时间差来确定滚子30的当前角速度ω(步骤S II)。特别地，整个360度的周角被除以预设的时间差。一个较优选择是将被检测到的转动U的数量除以所需的时间，从而得到滚子30的转动速度，供后续的优选加工步骤使用。另一个较优选择是根据不同的横向轮廓36、37造成的两次连续的不相似的模式之间的时间差来确定滚子30的结构，同时也可以获得横向轮廓36与37之间的角度差，并且还可以根据该横向轮廓36与37之间的角度差除以检测到的时间差所得的商数确定滚子30的角速度。
超声波发生器10还包括控制/调节模块50，其与超声波发生器10的信号处理部分16整合在一起。优选地，信号处理部分16和控制/调节模块50都是数字式的。实际上，在优选的模拟功率单元12中，必须使用模拟-数字(A/D)变换器将检测到的模拟发生器数据传输到数字处理部分16和控制/调节模块50；但总的来说，数字式的信号处理部分16和控制/调节模块50相对于已知的系统可以达到更快的数据处理速度。
将控制/调节模块整合在超声波发生器10的信号处理部分16中还有另一个优点：对于控制/调节模块50来说，全部或部分发生器数据是实时可用的，获得这些数据不需要经过较长的传输路径，也不需要消耗联系时间。这样就可以获得相对于现有技术更加快速和精确的调节过程，以及更加稳定高效的超声波焊接制程。优选地，信号检测部分14对上述的超声波发生器10的部分或全部发生器数据进行检测，并将数据传输到信号处理部分16，尤其是传输到控制/调节模块50及其中的间隙调节器60和振幅调节器70(如上所述)所需的时间为1到100微秒，优选为少于80微秒，进一步优选为少于50微秒。在已知的系统中，发生器数据被提供给外部控制器。传输发生器数据时，部分传输过程是通过数量较多或较少的A/D(模拟/数字)和D/A(数字/模拟)变换器进行的，需要长达10毫秒的变换时间。在现有的置于超声波发生器之外的控制器中，完成数据加工过程需要5到50毫秒的时间。后续的控制数据(例如用于定位超声焊极的控制数据)的传输过程又需要5到10毫秒的时间。总之，与本发明相比，现有技术中独立于整个超声波加工装置之外的元件造成了反应时间上的劣势，从而导致对非预期的处理状况可能只能作出较慢的反应。
图5示出了本发明的超声波加工装置1的一个较佳实施例的示意性的方框图。该超声波加工装置1通过具有均匀的外部表面32(如上所述)的滚子30进行工作。进一步地，该滚子30上设有角速度传感器38，用于检测滚子30的角速度ω并将其传输到整合的控制/调节模块50。进一步地，该超声波加工装置1，此处优选为超声波焊接装置，包括具有位置传感器的执行器28，用于调节超声焊极的位置，进而调节间隙29的宽度。执行器28连接到位置调节器27，位置调节器27从控制/调节模块50接收超声焊极26的参考位置POSsoll，并通过执行器28调节该参考位置POSsoll。
整合的控制/调节模块50包括间隙调节器60和振幅调节器70，振幅调节器70优选地包括PID调节器。调节器60、70都用来调节输入到利用滚子30的滚动而穿过间隙29的织物材料的能量。优选地，间隙调节器60和振幅调节器70可以单独使用，也可以组合使用。为了达到这个目的，间隙调节器60确定超声焊极26相对于滚子30的参考位置POSsoll(步骤S III)，用来将超声波发生器10的功率实际值Pist调节到超声波发生器10的预定的功率参考值Psoll。优选地，该参考位置POSsoll被通过数字/模拟(D/A)变换器或通过现场总线传输到超声焊极26的位置调节器27。位置调节器27使用从位置传感器获得的超声焊极26的实际位置与该参考位置POSsoll相比较，然后调节超声焊极26的参考位置POSsoll(步骤S IV)。
为了确定超声焊极26的参考位置POSsoll，间隙调节器60首先从角速度传感器38接收滚子30的角速度ω。一个较优的选择是角速度传感器38将包含滚子30的角速度ω的参考信号传输到控制/调节模块50，然后控制/调节模块50将该参考信号转换为滚子30的角速度ω。确定的滚子30的角速度ω被传输到间隙调节器60的存储器S1。在存储器S1中，存储有被学习的特征曲线和/或特征值表和/或多个被教授的特征值，它们可以单独地或组合地根据滚子30的角速度ω为间隙29中被加工的材料确定超声波发生器10的参考功率Psoll。用这种方法确定的超声波发生器10的参考功率Psoll被用来和从信号检测部分14传输到间隙调节器60的超声波发生器10的当前有效实际功率Pist进行比较。优选地，信号检测部分14将超声波发生器10的实际功率Pist传输到包括间隙调节器60和振幅调节器70的控制/调节模块50所用的时间是1到100微秒，进一步优选为少于80微秒，更进一步地优选为少于50微秒。在间隙调节器60中，对当前数据进行处理所用的时间是1到100微秒，进一步优选为少于80微秒，更进一步地优选为少于50微秒。
在间隙调节器60中对超声波发生器10的参考功率Psoll和实际功率Pist的比较结果被传输到调节器RS1，调节器RS1据此确定超声焊极26的参考位置POSsoll和间隙29的宽度。超声焊极26的参考位置POSsoll被传输到位置调节器27并且被实现，从而将超声波发生器19的实际功率Pist调节到参考功率Psoll。根据本发明，优选地，将参考位置Psoll传输到位置调节器27所用的时间为1到10毫秒，进一步优选为少于5毫秒，更进一步地优选为少于2毫秒。如果位置调节器27是电动执行器，其分别实现预定的参考位置POSsoll或间隙宽度所用的时间优选为20到50毫秒。根据另一个优选实施例，如果位置传感器27是气动执行系统，则实现参考位置POSsoll所用的时间为50到500毫秒。
振幅调节器70具体地调节超声波信号的振幅A。这样，在固定设置的超声焊极26上，具体而言，输入到间隙29中的织物材料上的能量在振幅A增加时随之增长，在振幅A减小时也随之减小。振幅调节器70的存储器S2也从角速度传感器38接收滚子30的角速度ω(如上所述)，这是与间隙传感器60相似的。在存储器S2中，与被加工的织物材料对应的特征曲线和/或特征值表和/或被教授或学习的特征值分别被记录下来，以便根据滚子30的转动，尤其是其角速度ω，确定超声波发生器10的功率。通过角速度ω和存储器S2中对被加工的材料的记述，可以得出超声波发生器10的功率参考值Psoll(步骤S V)。发生器的功率参考值Psoll被用来和从信号检测部分14接收到的超声波发生器10的实际功率Pist进行比较。在调节器或滤波器RF2中，比较的结果被转换成振幅参考值Asoll，用来改变超声波信号的振幅A，进而使超声波发生器对间隙29中的织物材料达到理想的功率输入Psoll。优选地，信号检测部分14将超声波发生器10的实际功率Pist传输到包括振幅调节器70的控制/调节模块50所用的时间为1到100微秒，进一步优选为少于80微秒，更进一步地优选为少于50微秒。在振幅调节器70中，对当前数据进行处理所用的时间是1到100微秒，进一步优选为少于80微秒，更进一步地优选为少于50微秒。
振幅参考值Asoll被传输到调节器RA。根据振幅实际值Aist和振幅参考值Asoll的比较结果确定振幅A的变化幅度(步骤S VI)。根据本发明的一个优选实施例，通过这种方式确定的对振幅的调节干预通过电气手段实现，对应的控制信号被传输到功率单元12(参见图5到图8中的箭头)。根据本发明，将振幅参考值Asoll传输到调节器RA所用的执行时间优选为1到100微秒，进一步优选为少于80微秒，更进一步地优选为少于50微秒。为了在超声焊极26上实现实际振幅Aist而在调节器RA中进行的对参考振幅Asoll的处理所用的执行时间优选为1到10毫秒，进一步优选为少于8毫秒，更进一步地优选为少于5毫秒。
另一个较优的选择是仅通过振幅调节器70来调节超声波加工装置1。图6示出了这样的优选实施例的示意图。其中可以看出间隙调节器60被省略了。对应地，超声焊极26也不能再通过位置调节器27进行定位。相反地，超声焊极26的规定位置或滚子30和超声焊极26之间的间隙29的规定宽度优选地是通过马达28或者类似的执行器(如上所述)来进行调节和保持的。这样，超声焊极26的位置可以由位置传感器随意地检测和控制。另一个较优选择是将超声焊极26抵持在机械挡止部件上，使得超声焊极26的位置是固定的。根据另一个实施例，超声焊极26可以手动调节，并且可以固定在预定位置。在超声焊极26被设置在预定位置的同时，依照上述的利用超声波振荡的振幅变化的操作手段，通过振幅调节器70将超声波发生器10的实际功率Pist调节到超声波发生器10的参考功率Psoll。根据超声波加工装置1的又一个较佳实施例(参见图7)，其内部的控制/调节模块50从至少一个包含上述发生器数据的数据集合(参见图4)中检测滚子30的角速度ω。在此情况下，该超声波加工装置1包括具有不均匀的外部轮廓34的滚子30。这样，可被检测的轮廓36、37会影响发生器数据的时间进程(如上所述)。从图4所示的单个的发生器数据的时间进程即可推导出角速度ω。为了达到这个目的，包含发生器数据的单个数据集合、或者选定的几个数据集合、或者全部数据集合被传输到触发单元TB。在触发单元TB中，对包含图4所示的发生器数据且具有时间依赖性的被检测的数据集合进行评估。该评估可以确定正向或负向的尖峰P36、P37，或者其他重复模式，或者其他的信号变化情况，分别在什么时间点出现。根据织物材料40的常规的加工速度和与之连接的滚子30的角速度ω，尖峰P36、P37或其他重复模式的重复频率优选为每秒2到80次，进一步优选为每秒2到50次，更进一步地优选为每秒2到20次，这都取决于具体工况。在滚子30的稳定旋转动作期间，若是滚子30在几小时到几天的较长加工时间内都一直在旋转，尖峰P36、P37会以有规律的时间差重复出现。这些有规律的时间差分别对应滚子30的每次完整转动U，不均匀外部轮廓32的可检测的轮廓36、37在每次完整转动U期间都经过超声焊极26一次。触发单元TB确定可检测的轮廓36、37经过超声焊极26的时间范围，优选为确定其时间点。在这个时间范围期间或者在这个时间点上对织物材料40进行加工，优选为焊接。优选地，控制/调节模块50或信号处理部分16的系统时间可以提供用作参考的时间信号。这样，如果得知了可检测的轮廓36、37的第一尖峰P36、P37出现的时间点，从触发单元TB的评估就可以得知周期性的重复加工出现时的时间差、每次加工所用的时间长度、以及每次加工相对于系统时间在何时开始。在此之后，通过触发单元TB还可以将有关特殊时间范围的信息提供给控制/调节模块50，该等特殊时间范围可能是滚子30的零散的转动时间、其角度偏移所用的时间及其在一次转动中转过一定角位移所用的时间，在该等特殊时间范围内确实地、唯一地发生了对织物材料的加工操作。
根据触发单元TB的数据，处理单元BB10确定滚子30的角速度ω。为了达到这个目的，优选地，处理单元BB10用每次转动的旋转角度，也就是360度，除以每次转动U所需的时间。为了提高精确度，优选地，也可以用若干次转动U的旋转角度除以其所需的时间。确定的角速度ω被传输到振幅调节器70和/或间隙调节器60。在另一个优选的处理单元BB20中，对可检测的轮廓36、37的角位置进行单独的确认。根据时间上的参考点，优选地根据例如可检测的轮廓36、37第一次经过超声焊极26时的时间点，可以对时间进行测量。通过处理单元BB10确定的角速度ω和测得的时间，始终都可以确定可检测的轮廓36、37当前分别所处的角位置
优选地，角位置被用于测量检测单元MB中。在已知的系统中，在滚子30的一次转动U期间，发生器数据是均匀传输的。这样，在非加工过程的发生期间产生的信号会对尖峰P36、P37或其他模式产生的信号、以及织物材料的加工过程期间产生的信号形成干扰性质的叠加，导致可能没有或仅有很少的超声波能量作用于织物材料上。当使用处理单元BB20时，可以清楚地识别及检测对织物材料40的加工实际上发生在哪个时间范围内，而测量检测单元MB仅用于在该等加工时间范围内确定被检测的发生器数据或者其中选定的一部分。这样，发生器数据不会与非加工时段内产生的噪声信号相互叠加，从而使发生器数据与已知的系统相比可以实现更高的精确度。
根据本发明的一个优选实施例，通过滚子30的转动过程或者其中选定的一部分，在测量检测单元MB中产生被检测的重复的发生器数据的平均值。这样可以使经过评估的发生器数据具有更高的精确度，从而使得后续的调节或控制过程可以同时被实现，并且具有更高的精确度。据此，优选地可以更加精确地确定超声波发生器10的实际功率Pist，并将该实际功率Pist传输到间隙调节器60和/或振幅调节器70。又一个较优的选择是忽视超声波加工装置1在轮廓36、37的范围以外的闲置功率，这样可以提高检测到的功率平均值的精确度。进一步地，数据评估仅在尖峰P36、P37的范围内进行，而不是在滚子30的整个转动过程中进行。这样可以减少评估的工作量及相关的计算功率。
基于控制/调节模块50中对发生器数据的评估，通过测量检测单元MB对数据进行检测所用的时间为1到100微秒，进一步优选为少于80微秒，更进一步地优选为少于50微秒，以便于进行进一步的处理和使用。据此，根据优选的将测量检测单元MB提供的发生器数据合并到间隙调节器60中的方案，具有间隙调节器60的超声波加工装置1在使用伺服电动机时优选的反应时间是20到60毫秒，在使用气动执行系统时优选的反应时间是50到500毫秒。对于优选的将测量检测单元MB提供的发生器数据合并到振幅调节器70中的方案，超声波加工装置1优选的反应时间是1到10毫秒，进一步优选为少于8毫秒，更进一步地优选为少于5毫秒。
进一步地，角速度ω和角位置优选地被传输到单元VSP和VSA。在单元VSP中产生用以确定超声焊极26的参考位置POSsoll的预控制。在单元VSA中产生用以确定超声波信号的参考振幅Asoll的预控制。该“预控制”功能被施加到超声波加工装置1的一个或不同的校正变量上，优选为施加到例如参考振幅Asoll上(步骤S VIII)和/或超声焊极26的参考位置POSsoll上(步骤S VII)，对该等校正变量进行预控制，从而对超声波加工过程施加可预知的影响，提高加工的质量和/或可靠性。参考位置POSsoll的预控制参数被记录在单元VSP中，参考振幅Asoll的预控制参数被记录在单元VSA中。如果该超声波加工装置为旋转系统，在滚子30的每次转动期间都具有周期性重复的加工过程，则预控制参数优选地被记录为滚子30的角位置的函数。另一个较优的选择是将其记录为可以根据角速度ω和/或旋转角p等参数用公式表示出来的线性或非线性的数学函数。根据本发明的又一个较佳实施例，预控制参数被以特征线或特征场的形式来记录。优选地，该特征场是基于滚子30的角位置和角速度ω建立的。又一个较优的选择是记录用参数表示的特征场，并在超声波处理装置工作期间将该特征场传输到单元VSA及VSP。
基于被记录为函数或者特征场的预控制参数，在超声波加工装置工作期间，对预控制参数的函数进行计算和/或根据滚子30的角位置和角速度ω对一个或多个特征场进行读取。然后将当前的预控制参数输入到对应的执行器件，此处为位置调节器60和振幅调节器70，如图7及图8所示。为了能够将预控制参数合并到超声波加工装置1的调节时序中，超声波发生器10及其整合的控制/调节模块50必须保证具有对应的计算功率。
又一个较优的选择是由超声波发生器10的控制/调节模块50确保读取特征场或计算适合于超声波加工的函数时仅需要较短的时间周期。这样可以确保特征场在滚子30的每次转动期间相应地经常被读取，和/或函数在滚子30的每次转动期间对应地经常被计算。这样，超声波加工制程可以被优化，并且与现有技术相比可以达到更好的精确度和质量。根据本发明的一个优选实施例，对于滚子30的旋转角进行的预控制的精确度为10-1°。如果滚子30的一次完整转动需要200毫秒，则单元VSA和VSP用于计算函数和/或读取特征场的时间周期的最大值为55微秒。对应地，其他方面的精确度也是可以调节的。
为了加快预控制参数的确定时间，一个较优的选择是将预控制函数和特征场都用参数来表示。这意味着该函数以及该特征场的数值被分别定义为基于滚子30的角位置和/或角速度ω等参数产生的数学术语。
预控制可以产生有前瞻性的或者可预知的影响，优选地，这类特点被分别应用于具有连续横缝的超声波焊接中。通过预控制，该焊接操作可以克服本发明起初所讨论的织物材料的有害应力，也可以克服超声焊极26的与该有害应力相关的退让性的移动。该等退让性的移动会使间隙29打开的程度过大，以致在跟随着前一道接缝的后一道接缝处无法获得适当的焊接效果，并且因此而不能达到理想的焊接强度。通过预控制可以确定用于产生连续接缝的横向轮廓37所对应的角位置的参考位置POSsoll和/或参考振幅Asoll的修正量。参考退让性移动的具体范例，对参考位置POSsoll的预控制可以使间隙29缩小，而对参考振幅Asoll的预控制可以使超声波振荡的振幅增加。这样就可以生产出强度令人满意的连续接缝。用这样的手段消除超声波加工过程中其他类型的干扰，也是一个较优的选择。
图8示出了超声波加工装置1的又一个优选实施例的示意图。在这个实施例中，间隙调节器60被取消了。作为替代方案，超声焊极26被手动地或者通过执行器28调节到预定位置，并固定在该预定位置。这样可以提供限定宽度的间隙29，织物材料移动时穿过该间隙29。通过如上所述的振幅调节器70，可以对超声波发生器10及超声波加工装置1实现基于功率的调节。使用振幅调节器70进行的调节或控制所需的条件数据是从结合在一起使用的触发单元TB与处理单元BB10接收的。为了提高振幅调节器70的精确度，一个较优的选择是从测量检测单元MB确定的数据中选择一部分提供给振幅调节器70。因此，根据图8所示的优选实施例，由平均值单元MB确定的超声波发生器10的实际功率Pist被传输到振幅调节器70。进一步地，又一个较优的选择是将上述的使用单元VSA进行的预控制与振幅调节器70结合起来。
元件标号列表
1        超声波加工装置
10       超声波发生器
12       功率单元
14       信号检测部分
16       信号处理部分
22       转换器
24       升压器
26       超声焊极
27       位置调节器
28       具有位置传感器的超声焊极执行器
29       间隙
30       滚子/砧板
32       均匀的外部表面
34       不均匀的外部表面
36,37    可检测的轮廓
38       角速度传感器
40       织物材料
42       横缝
44       横缝42之间的区域
50       控制/调节模块
60       间隙调节器
70       振幅调节器
P36、P37 发生器数据中的尖峰
S1、S2   存储器
RF1、RF2 调节器/滤波器
TB       触发单元
BB10、BB20 计算单元
MB       测量检测单元
VSP      确定位置的预控制
VSA      确定振幅的预控制
UN       供电电压

Claims (23)

1.一种超声波加工装置，其特征在于：所述超声波加工装置包括超声波发生器、转换器、至少一个超声焊极及与所述超声焊极相对设置的反向工具，所述超声焊极与所述反向工具之间由间隙隔开；其中所述超声焊极或者所述反向工具被设置为可旋转的并且包括均匀的外部表面；一控制/调节模块，优选为数字控制/调节模块，整合在所述超声波发生器的信号处理部分中，使得所述超声波发生器可以处理所述超声波发生器收到的多种发生器数据，特别是电压U、电流I、实际振幅Aist和/或实际发生器功率Pist；其中，a)通过所述控制/调节模块的间隙控制器可以将功率实际值Pist与所述超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，从而确定所述超声焊极相对于所述反向工具的位置参考值POSsoll，以便调节所述超声波发生器的功率参考值Psoll；和/或b)通过所述控制/调节模块的振幅调节器可以将功率实际值Pist与所述超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，从而确定所述超声波发生器的振幅参考值Asoll，以便调节所述超声波发生器的功率参考值Psoll。
2.如权利要求1所述的超声波加工装置，其特征在于：所述被可旋转地设置的反向工具或者所述被可旋转地设置的超声焊极相对于所述超声波加工装置的角速度ω是可以通过外部传感器调节的，且所述角速度ω可以被传输到所述超声波加工装置内部的间隙调节器和/或振幅调节器。
3.一种超声波加工装置，其特征在于：所述超声波加工装置包括超声波发生器、转换器、至少一个超声焊极及与所述超声焊极相对设置的反向工具，所述超声焊极与所述反向工具之间由间隙隔开；其中所述超声焊极或者所述反向工具被设置为可旋转的并且包括不均匀的外部表面；一控制/调节模块，优选为数字控制/调节模块，整合在所述超声波发生器的信号处理部分中，使得所述超声波发生器可以处理所述超声波发生器收到的多种发生器数据，特别是电压U、电流I、实际振幅Aist和/或实际发生器功率Pist；其中，a)通过所述控制/调节模块的间隙调节器可以将功率实际值Pist与所述超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，从而确定所述超声焊极相对于所述反向工具的位置参考值POSsoll，以便调节所述超声波发生器的功率参考值Psoll；和/或b)通过一振幅调节器可以将功率实际值Pist与所述超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，从而确定所述超声波发生器的振幅参考值Asoll，以便调节所述超声波发生器的功率参考值Psoll。
4.如权利要求3所述的超声波加工装置，其特征在于：所述反向工具或者所述超声焊极的不均匀的外部表面包括至少一处可检测的轮廓，用于生成至少一个包含所述多种发生器数据的数据集合；所述多种发生器数据是对应着由所述反向工具或者所述超声焊极的旋转所产生的至少一个在时间上具有周期性重复模式的时间信号而列出的，使得即使在所述反向工具上没有设置外部传感器，仍然可以基于所述控制/调节模块内部的控制/调节模块系统时间确定所述反向工具的角速度。
5.如上述权利要求1-4中任意一项所述的超声波加工装置，其特征在于：所述反向工具为滚子，所述超声焊极被设置为相对于所述滚子可以调节的，使得所述超声焊极的相对于所述滚子具有限定间隙的参考位置POSsoll可以由位置传感器来检测，并可以通过执行器来调节。
6.如上述权利要求1-5中任意一项所述的超声波加工装置，其特征在于：所述振幅调节器以数字方式工作，使得所述超声波发生器的功率实际值Pist可以在所述控制/调节模块内部被调节。
7.如权利要求6所述的超声波加工装置，其特征在于：所述振幅调节器用于不存在间隙调节器的情况下；在优选为滚子的所述反向工具与所述超声焊极之间的被调节了宽度的间隙处，通过调节所述振幅参考值，可以调节所述超声焊极与所述反向工具之间的距离。
8.如权利要求7所述的超声波加工装置，其特征在于：在所述超声波加工装置的工作期间，可调节的所述超声焊极或可调节的所述反向工具可以被固定设置，从而不需要使用位置传感器对运动的所述超声焊极或所述反向工具进行定位。
9.如上述权利要求1-7中任意一项所述的超声波加工装置，其特征在于：所述间隙调节器与所述振幅调节器是被结合在一起使用的，使得所述超声波发生器的位置参考值Psoll可以通过将主动的间隙调节与超声焊极的振幅调节结合在一起的手段被调节。
10.如上述权利要求3-9中任意一项与权利要求4的结合所述的超声波加工装置，其特征在于：根据所述在时间上周期性重复的模式，通过所述控制/调节模块可以识别出所述超声波加工装置的加工时间，使得所述发生器的功率实际值Pist和/或振幅实际值Aist和/或位置参考值POSsoll的调节过程都仅在所述加工时间内被执行。
11.如上述权利要求1-10中任意一项所述的超声波加工装置，其特征在于：当所述控制/调节模块对所述超声波加工装置施加控制/调节干预时，所述间隙调节器的反应时间少于50毫秒。
12.如上述权利要求1-11中任意一项所述的超声波加工装置，其特征在于：当所述控制/调节模块对所述超声波加工装置施加控制/调节干预时，所述振幅调节器的反应时间少于10毫秒，优选为少于8毫秒，更进一步地优选为少于5毫秒。
13.一种使用超声波加工装置进行的超声波加工方法，其特征在于，所述超声波加工装置包括超声波发生器、转换器、至少一个超声焊极及与所述超声焊极相对设置的反向工具，所述超声焊极与所述反向工具之间由间隙隔开；其中所述超声焊极或所述反向工具被设置为可旋转的并且包括均匀或不均匀的外部表面；一控制/调节模块，优选为数字控制/调节模块，整合在所述超声波发生器的信号处理部分中，使得所述超声波发生器可以处理所述超声波发生器收到的多种发生器数据，特别是电压U、电流I、实际振幅Aist和/或实际发生器功率Pist；其中所述超声波加工方法包括以下步骤：
a)确定可旋转地设置的所述反向工具或可旋转地设置的所述超声焊极的角速度(步骤I)；
b)检测至少一个包含所述多种发生器数据的数据集合(步骤II)；
c)在一间隙调节器中将功率实际值Pist与所述超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，确定所述超声焊极相对于所述反向工具的位置参考值POSsoll；和/或
d)将功率实际值Pist与所述超声波发生器的功率参考值Psoll进行比较，确定所述超声波发生器中的振幅参考值，用来调节所述超声波发生器的功率参考值Psoll。
14.如权利要求13所述的超声波加工方法，其特征在于，所述反向工具是具有均匀的外部表面的滚子；所述超声波加工方法还包括以下步骤：
用设置在所述滚子上的外部传感器检测所述滚子的角速度：以及
将检测到的角速度传输到所述间隙调节器和/或振幅调节器。
15.如权利要求13所述的超声波加工方法，其特征在于，所述反向工具是具有不均匀的外部表面，同时具有至少一处可检测的轮廓的滚子；所述超声波加工方法还包括以下步骤：
在所述滚子的多次转动期间，检测至少一个包含所述多种发生器数据的数据集合；
基于所述控制/调节模块的系统时间，对所述至少一个包含所述多种发生器数据的数据集合中对应着时间列出的在时间上周期性地出现的模式进行评估，使得在没有外部传感器的情况下也可以确定所述滚子的角速度；以及
将所述角速度传输到所述间隙调节器和/或振幅调节器。
16.如权利要求15所述的超声波加工方法，其特征在于，所述超声波加工方法还包括以下步骤：
在所述周期性出现的模式所处的时间范围内确定加工时间；以及
只有在所述加工时间内，才进行所述评估，和/或对所述超声波发生器的功率实际值Pist和/或振幅实际值Aist和/或位置参考值POSsoll进行控制和/或调节处理。
17.如权利要求13或14所述的超声波加工方法，其特征在于，所述超声波加工方法还包括以下步骤：
使用位置传感器和执行器对所述超声焊极的相对于所述滚子具有限定间隙的参考位置POSsoll进行调节。
18.如权利要求13、15、16中任意一项所述的超声波加工方法，其特征在于，所述超声波加工方法还包括以下步骤：
在不使用具有执行器的位置传感器的情况下，调节所述超声焊极和所述滚子之间的固定间隙；以及
通过调节所述超声焊极的振幅参考值Asoll来调节所述超声波发生器的功率参考值Psoll。
19.如权利要求13、15、16中任意一项所述的超声波加工方法，其特征在于，所述超声波加工方法还包括以下步骤：
结合使用所述间隙调节器和振幅调节器来调节所述超声波发生器的功率参考值Psoll，其中通过将主动的间隙调节和所述超声焊极的振幅调节相结合，即可调节所述超声波发生器的功率参考值Psoll。
20.如权利要求18所述的超声波加工方法，其特征在于，所述超声波加工方法还包括以下步骤：
在所述振幅调节器和/或位置调节器上预控制功能的覆盖或锁定，从而实现振幅的预调节。
21.如权利要求15所述的超声波加工方法，其特征在于，所述超声波加工方法还包括以下步骤：
根据所述在时间上周期性地出现的模式确定所述超声波加工装置的加工时间；以及
将预控制功能覆盖在所确定的加工时间的至少一个校正变量上，使得织物材料加工过程中的系统时间偏差或者对校正变量的干扰影响被预先考虑。
22.如权利要求13-21中任意一项所述的超声波加工方法，其特征在于：当所述控制/调节模块对所述超声波加工装置施加控制/调节干预时，所述间隙调节器的反应时间少于50毫秒。
23.如权利要求13-22中任意一项所述的超声波加工方法，其特征在于：当所述控制/调节模块对所述超声波加工装置施加控制/调节干预时，所述振幅调节器的反应时间少于10毫秒，优选为少于8毫秒，更进一步地优选为少于5毫秒。
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