CN107073521B - 具有压电式力传感器的超声波加工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于材料(20)的超声波加工的装置，所述装置具有：超声波加工系统，所述超声波加工系统包括超声发生器、转换器(12)、超声焊极(16)以及对应工具(18)和进给单元，其中所述超声焊极(16)和所述对应工具(18)能够借助于所述进给单元而朝向彼此或远离彼此移动，其中提供了力传感器(32)，利用所述力传感器能够测量所述超声波加工系统在待加工的材料(20)上施加的作用力。为了提供允许更大的加工速度的相应的超声波加工装置，根据本发明提出所述力传感器(32)是压电式传感器，所述压电式传感器的输出借助电荷放大器被转换成电压，并且提供了控制设备，所述控制设备在所述超声加工不在执行材料加工时将所述压电式传感器短路，或者将时变的力补偿值添加到由所述压电式传感器测得的值。

Description

具有压电式力传感器的超声波加工系统
技术领域
本发明涉及一种用超声波加工系统来对材料进行加工的装置。
背景技术
超声波加工系统具有超声发生器、转换器、超声焊极和对应工具。在许多情况下，振幅变换器附加地被布置在转换器与超声焊极之间。
超声发生器生成交流电压，该交流电压借助转换器被转换成声学超声波振动，其频率与超声焊极相适配以使得其进入谐振状态。为了加工期望的材料，这些材料被布置在超声焊极与对应工具之间。由超声波振动激励的超声焊极随后将材料压在对应工具上并且对其进行加工。
特别是在加工材料薄片时，超声焊极和/或对应工具配备有基本上呈圆柱形或部分圆柱形并且在加工操作期间绕圆柱轴旋转的密封表面。在这种情况下，圆柱形或部分圆柱形密封表面的圆周速度通常与材料进给速度一致。
通常，超声焊极和/或对应工具具有相应的承载表面，该承载表面具有例如突出在承载表面上方的凸起部分的结构。该结构的顶侧然后形成上述密封表面。在加工材料时，该结构被转移到材料中。
因此，例如，凸起部分可以是细长的或肋状的构造并且在密封表面上沿轴向延伸。应当理解，其他形式的凸起部分(例如点状或圆形的凸起部分)也是可能的。
下面借助于对应工具上的凸起部分的示例来描述本发明。然而，应当理解，替代地或附加地，该凸起部分可被设置在超声焊极上。应当理解，提供多个凸起部分也是可能的。在加工期间，每当振动的超生焊极通过材料在凸起部分上施加作用力时都将产生密封效果。
作为示例，可伴随相对于材料薄片横向延伸的细长凸起部分按上述方式在材料薄片中产生横向密封接缝。每当被布置在对应工具上的细长凸起部分被布置成与超声焊极相对时，横向密封接缝随后被产生。
然而，凸起部分的使用还具有这样的结果，即在对应工具的旋转期间，每当凸起部分被定位成与超声焊极相对时，由超声焊极通过材料施加在对应工具上的作用力突然增加。这涉及振动系统被耦合到对应工具。超声焊极的振动由此被衰减，并且超声焊极的固有频率被改变。
为了取得尽可能均匀的焊接结果，有必要在焊接操作期间(即，在凸起部分与待加工的材料相接触时)维持恒定的预定焊接力。然而，鉴于焊接力可能不仅由于材料厚度的波动，而且还由于超声波振动系统的热膨胀而发生变化，所以已知的系统具有力传感器，该力传感器借助应变仪测量通过超声焊极或对应工具施加到材料薄片的作用力。所测得的作用力随后可与期望的参考值进行比较，并且如果在实际值与参考值之间检测到偏差，则超声焊极的相对位置可借助进给单元来适配，以使得焊接力被增加或减小，这取决于实际值与参考值之间的偏差结果如何。
在这方面，控制系统能够非常可靠地对系统中的逐渐变化(例如温度变化和与其相关联的超声焊极的长度变化)作出反应。
然而，尤其是在突然变化的情况下，对控制动作施加了限制。具体而言，在负载变化的情况下(即，每当凸起部分与材料形成加工接合时)，焊接力突然改变。
因此，在DE 10 2006 020 417中已提出根据加工过程来确定工艺参数，并且以这种方式被确定的工艺参数与控制系统的调整参数相关联。
例如，工艺参数可以是超声焊极作用在材料上的力，其通常与超声焊极加工力成比例。如果在操作期间确定超声焊极的偏转或加工力增加(这尤其是在凸起部分形成加工接合时的情况)，则该改变可能在适当的比例缩放之后被添加到调整参数。以这种方式，由于负载变化导致的对振动幅度的干扰可被显著减小。
然而，将注意到振动幅度发生波动。因此，不仅在凸起部分与材料相接合之后，而且还在凸起部分与材料再次脱离接合之后，发生后振动现象。这实质上是因为负载的突然增加或减小以及与之相关联的包括进给单元并且包括基于应变仪的传感器的超声焊极的保持装置的突然的弹性形变或松弛，超声焊极围绕其静止位置执行阻尼振动。
尤其是当两个横向密封接缝要被快速连续地产生时(即，两个轴向延伸的凸起部分被设置在对应工具上)，与其相关联的焊接循环频率可以在保持装置也呈现谐振的数量级上。
后果是非最优的焊接力以及不可接受的焊接结果。
因此，由于保持系统的弹性，对加工速度的增加施加了限制。
发明内容
因此，以所描述的现有技术为基本出发点，本发明的目的是提供一种允许更大的加工速度的相应的超声波加工装置。
根据本发明，该目的是通过所述力传感器是压电式传感器来实现的。压电式传感器的刚度要比基于应变仪的力传感器大70至100倍。
因此，仅通过使用压电式传感器来代替基于应变仪的力测量传感器，有可能显著降低系统的弹性，并因此显著降低超声焊极的后振动。
然而，压电式传感器被认为不适合于静力测量，这是由于压电式传感器的结构或者使用电荷放大器来测量由压电晶体产生的电荷，因而总是发生放电从而使得在静态测量的情况下由电荷放大器测得的并且被转换成电压的电荷减少。
因此，现有技术中的超声波加工装置放弃将压电式传感器用作力测量设备。
尽管如此，为了能够使用压电式传感器，根据本发明进一步提供了一种控制设备，其在超声波加工系统不在执行任何材料加工时将压电式传感器短路，或者将时变的力补偿值添加到由压电式传感器测得的作用力。
因此，例如有时，更具体而言在凸起部分不处于与材料接合的时刻(即，在不发生焊接的时刻)将压电式传感器短路是可能的。在那时，超声焊极在材料薄片上不施加或仅施加轻微的作用力。由于短路，压电式传感器可以说是被归零了，从而使得在短路操作之后，只有作用力的变化可被测得。然而，已经发现，在超声波加工装置的操作中，精确的作用力值的测量实际上不太重要(当开始加工操作时设置一次)，而主要是作用力差异的测量是重要的考虑因素。
以类似的方式，也可以替代地将时变的力补偿值添加到由电荷放大器提供的电压。例如，如果已知在室温下所使用的压电式传感器具有大约48N/h的漂移，则相应地增加的力补偿值可被添加。
以这种方式，由压电式传感器递送的信号被校正，以获得最大精度的测量值。
凭借所描述的措施，现在可以将压电式传感器用于超声波加工装置中的作用力测量，并且在这种情况下可以从相比于应变仪更高的刚度获益。
在特别优选的实施例中，超声焊极和/或对应工具具有基本上圆柱形的承载表面，该承载表面具有至少一个凸起部分并且是可旋转的，以使得凸起部分在加工期间绕旋转轴旋转，并且在密封时间期间与材料薄片接触，其中提供了确定该凸起部分的位置的触发设备，其中控制设备被适配成取决于位置确定来将压电式传感器短路。
例如，控制设备可被适配成当凸起部分不与待加工的材料接触时将压电式传感器短路。
应当理解，每当凸起部分与待加工的材料脱离接合时，短路不必发生。
因此，例如在优选实施例中可以提供的是，控制设备被适配成每当由于任何原因而在材料加工期间存在中断(例如由于卷料中的故障或变化)时将压电式传感器短路。
在优选实施例中还可提供的是，控制设备被适配成当最近的短路之后的预定时间段已届满时将压电式传感器短路。
应当理解，当凸起部分不与待加工的材料接触时，应当实施短路。如果对应工具具有这么多凸起部分以使得原则上凸起部分每时每刻与材料薄片接触，则优选地，为了短路过程，超声焊极被从材料薄片移开以使得在压电式传感器处不存在作用力。
作为替换方案，控制设备还可被适配成当触发设备已经记录了材料与凸起部分之间预定数量的接触时将压电式传感器短路。
在另一优选实施例中，控制设备不仅有时将压电式传感器短路，并且还将时变的力补偿值添加到由压电式传感器测得的作用力值。该措施意味着个体短路之间的时间间隔可被增加。
每当短路已发生时，力补偿值被重置为零。力补偿值随后把从短路的时刻起是否发生漂移考虑在内。一般而言，由于该措施，关于漂移的线性力补偿将是足够的。公认地，漂移是非线性的，但是在压电式传感器的短路之后的短时间内，线性补偿对于本发明的目的而言是足够的。力补偿值可例如从先前所执行的对压电式传感器的漂移的测量中导出。
附图说明
本发明的其他优点、特征和可能的使用将从下面对优选实施例和附图的描述中变得显而易见，其中：
图1示出了根据本发明的装置的图解视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的超声波加工装置的电路图。其具有加工系统10，加工系统10具有转换器12、幅度变换器14、超声波超声焊极16和对应工具18。在这方面，转换器12、幅度变换器14和对应工具18形成振动系统。待加工的材料(例如材料薄片)被布置在超声焊极16与对应工具18之间。借助超声发生器(未示出)向转换器12提供交流电压。信号(u)被获取自加工系统10并且通过反馈部分22被馈送到闭环控制设备24。该控制设备24具有PID控制器26。控制设备24产生调整值(s)，该调整值(s)被馈送给加工系统10，具体而言被馈送给转换器12。具有控制设备24的加工系统10形成受控的电气和机械振荡电路28。控制设备24可被集成在超声发生器中。
附图标记30表示处于振荡电路28之外的加工过程(具体而言焊接过程)，因为其不直接受电气和机械参数的影响。该加工过程30被连接至力传感器32，其中焊接力的模式用力传感器32来检测。根据本发明，该力传感器32是压电式传感器的形式。力传感器32确定被馈送到缩放单元34的工艺参数(p)。缩放单元34递送被馈送到连接位置的经比例缩放的工艺参数(p')。该连接位置被设置在控制设备24和加工系统10之间，使得不仅经比例缩放的工艺参数(p')还有调整值(s)都被馈送到连接位置36。被关联在一起的参数(p')和(s)被馈送到加工系统10，具体而言超声发生器。
可以看出，呈辊子形式的对应工具18的承载表面具有形成密封表面的两个相对设置的凸起部分45。它们可例如是被设置在轴向上的细长肋部。在材料薄片20的加工期间，对应工具18绕其轴线旋转，使得当材料薄片被夹紧在超声焊极16与凸起部分45之间时，两个凸起部分45连续地与材料薄片20相接触，并且产生横向密封接缝。
每当两个突出部45中的一者通过材料薄片20压靠到超声焊极16时，这将导致作用力的突然变化通过力传感器32被测得。然而，如果焊接力增加，则超声焊极必须提供相应的反作用力，也就是说，这种情况引起超声焊极保持器、被连接到超声焊极保持器的进给单元(未示出)以及被布置在作用力区段内的压力传感器的轻微的弹性形变。一旦凸起部分45不再压靠超声焊极16，超声焊极就将再次移回到其原始位置。
由于所述弹性性质，尤其是力传感器的弹性性质,这将导致振动过冲，使得焊接力的时间模式为阻尼振动的形式。然而，由于焊接力通过力传感器32被连续地测得，因而在现有技术中，经改变的焊接力也通过连接位置36被不间断地馈送，使得即使当凸起部分45不与材料薄片20接触时，衰减的振动作为按比例缩放的工艺参数(p')被馈送到连接位置并且影响控制。因此，根据本发明，提供了触发设备44，其借助位置传感器43确定凸起部分45的位置，并且取决于由控制设备执行的确定操作来将压电式传感器短路，其中，在该实施例中，开关46附加地被致动，使得连接位置36被连接至经比例缩放的工艺参数p'或者被连接至恒定的参考值REF。
在该实施例中，每当凸起部分45不再在超声焊极16上施加任何作用力时，连接位置36被连接到恒定的参考值REF。基本上同时，压电传感器可被短路。不受凸起部分45影响而发生的焊接力的任何变化不会突然地发生，并且可借助控制设备34来调节。在这方面，参考值被确定使对应于经比例缩放的工艺参数p'，该经比例缩放的工艺参数p'对应于紧接在关联到工艺值之前被测得的参数。
根据本发明，在此提供了被连接到触发设备44的控制设备46。每当触发设备发信号通知凸起部分45不与材料薄片相接触时，控制设备46就将压电式传感器形式的力传感器32短路。在短路之后，时变的补偿作用力值被添加到由力传感器32提供的测量信号，以便补偿在两次短路操作之间的压电式传感器的本征漂移。
附图标记列表
10 加工系统
12 转换器
14 振幅变换器
16 超声波超声焊极
18 对应工具
20 材料薄片
22 反馈部分
24 闭环控制设备
26 PID控制器
28 振荡电路
30 加工过程，焊接过程
32 力传感器
34 缩放单元
36 连接位置
43 位置传感器
44 触发设备
45 凸起部分
46 控制设备
REF 参考值
u 信号
p 工艺参数
p' 经比例缩放的工艺参数

Claims (6)

1.一种用于材料的超声波加工的装置，所述装置具有超声波加工系统，所述超声波加工系统包括超声发生器、转换器、超声焊极以及对应工具和进给单元，其中所述超声焊极和所述对应工具能够借助所述进给单元朝向彼此或远离彼此移动，其中提供了力传感器，利用所述力传感器能够测量所述超声波加工系统在待加工的所述材料上施加的作用力，其特征在于，所述力传感器是压电式传感器，所述压电式传感器的输出借助电荷放大器被转换成电压，并且提供了控制设备，所述控制设备在所述超声波加工系统不在执行材料加工时将所述压电式传感器短路，或者将时变的力补偿值添加到由所述压电式传感器测得的值，其中，所述超声焊极和/或所述对应工具具有基本上圆柱形的承载表面，所述承载表面具有至少一个凸起部分并且是可旋转的，以使得在加工期间，所述凸起部分绕旋转轴旋转，并且在密封时间期间与所述材料薄片接触，其中提供了确定所述凸起部分的位置的触发设备，其中所述控制设备被适配成取决于位置确定来将所述压电式传感器短路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制设备被适配成当所述凸起部分不与所述待加工的材料接触时将所述压电式传感器短路。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制设备被适配成当预定的时间段已经届满时将所述压电式传感器短路。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制设备被适配成当所述触发设备已经记录了在所述材料与所述凸起部分之间预定数量的接触时将所述压电式传感器短路。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，当所述超声波加工系统不在执行任何材料加工时，所述控制设备将所述压电式传感器短路，并且还将时变的力补偿值添加到由所述压电式传感器测得的值。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力补偿值是从先前执行的对所述压电式传感器的漂移的测量中推导出的。
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