DE102004057423A1 - Stimmbarer Konverter - Google Patents

Abstract

Es werden Treiberschaltungen und Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwerkzeugs vorgestellt, mit denen die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Schwingungserregers allein durch Veränderung elektrischer Ansteuerungssignale kontinuierlich verschoben werden kann.

Description

• Zur Anregung von Ultraschall-Werkzeugen werden üblicherweise piezoelektrisch oder magnetostriktiv betriebene Schwingungsanreger verwendet, die auf eine bestimmte Resonanzfrequenz (z. B. die der ersten Longitudinalschwingung) abgestimmt sind. Wenn das Werkzeug bei einer anderen Frequenz resonant betrieben werden soll, muss normalerweise ein anderer Schwingungsanreger eingesetzt werden, was in der technischen Anwendung häufig einen erheblichen Kostenfaktor darstellt. Zudem stellt sich aufgrund unterschiedlicher Umgebungsbedingungen beim Betrieb eines Ultraschallwerkzeugs gewöhnlich eine Resonanzfrequenz ein, die nie genau der Frequenz entspricht, bei der das Werkzeug nominell betrieben werden soll (z. B. 19,8 kHz statt 20,0 kHz). Weiterhin sind Ultraschallwerkzeuge meist lastabhängig, d. h. die Lage der Resonanzfrequenz ändert sich in Abhängigkeit von Prozessparametern.
• Wichtig ist eine genau kontrollierbare Resonanzfrequenz z. B. dann, wenn zwei oder mehrere Ultraschallwerkzeuge mit geringer Dämpfung synchron bei der gleichen Frequenz betrieben werden sollen (z.B. bei Verwendung eines einzigen Generators für alle Werkzeuge). Bei vereinfachter Modellierung lässt sich das elektrische Klemmenverhalten eines Ultraschallwerkzeug durch den in 1 dargestellten gedämpften Serienschwingkreis mit Parallelkapazität repräsentieren (Cp – Kapazität der piezoelektrischen Anregungselemente, Rm – äquivalenter Widerstand der mechanischen Dämpfung, Lm – äquivalente Induktivität der schwingenden Masse, Cm – äquivalente Kapazität der schwingenden Nachgiebigkeit). In 2 sind beispielhaft die Frequenzgänge der Admittanz Y = i(t)/u(t) = Y e^iϕ in Betrag Y und Phase ϕ für drei Werkzeuge (Wz 1, Wz 2, Wz 3) dargestellt, deren Resonanzfrequenzen (f₁, f₂, f₃) nicht exakt gleich sind. Als Resonanzfrequenz eines Werkzeugs wird hier die Frequenz bezeichnet, bei der der Betrag Y der Admittanz Y maximal ist, als Antiresonanzfrequenz die Frequenz, bei der er minimal ist. Sollen alle drei Werkzeuge bei der gleichen Frequenz betrieben werden, so schwingen mindestens zwei von ihnen außerhalb Resonanz, also in einem suboptimalen Betriebspunkt, in dem einerseits die Blindleistung nicht null ist und andererseits die Resonanzüberhöhung in der Admittanz nicht optimal genutzt werden kann (z. B. bei Betrieb mit der Frequenz f₂). Das hat zur Folge, dass die Komponenten der Ansteuerungselektronik signifikant größer ausgeführt werden müssen, da die Ansteuerung mehr (Schein-) Leistung aufbringen muss als im Prozess umgesetzt wird.
• Das gleiche Problem ergibt sich entsprechend bei Betrieb im Bereich der Antiresonanz (z. B. bei Frequenz f'₂)
• Verschiedene Lösungen des oben genannten Problems sind bekannt (Abschlussbericht zum Sonderforschungsbereich 543 der Universität Stuttgart: "Ultraschallbeeinflusstes Umformen metallischer Werkstoffe", S. 180 ff.). Es ist zunächst bekannt, dass sich die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Schwingungserregers definiert verschieben lässt, wenn den piezoelektrischen Anregungskeramiken weitere Piezo-Elemente elektrisch parallel geschaltet werden. Je nachdem, ob die elektrischen Klemmen des Zusatz-Elementes elektrisch offen oder kurzgeschlossen sind, ist die Resonanzfrequenz unterschiedlich. Grundlage ist der physikalische Effekt der "piezoelektrischen Versteifung": Die elektromechanische Verkopplung in piezoelektrischen Materialien sorgt dafür, dass sich piezoelektrische Materialien mit kurzgeschlossenen elektrischen Klemmen (verschwindendes elektrisches Feld) weicher verhalten als bei offenen Klemmen (verschwindende dielektrische Verschiebung).
• Weiterhin ist es möglich, durch einen den piezoelektrischen Zusatzelementen parallel geschalteten Kondensator eine bestimmte Resonanzfrequenz einzustellen, die sich je nach Kapazität des Kondensators irgendwo zwischen den beiden Grenzfrequenzen des Systems mit offenen oder kurzgeschlossen Klemmen am Zusatzelement einstellt.
• Es gibt außerdem Ansätze, die Resonanzfrequenz durch zusätzliche Massen oder Steifigkeiten im mechanischen Teil des Schwingungsanregers gezielt zu verändern. Auf diese Weise erreicht man vergleichsweise große Frequenzverschiebungen.
• Der bekannte Stand der Technik weist verschiedene Nachteile auf: Bei den vorgeschlagenen Lösungen mit einem zusätzlichen Piezo-Element und ggf. mit einem parallelgeschalteten Kondensator ist stets nur eine bestimmte Frequenz einstellbar. Allenfalls kann die Frequenz durch Zuschalten unterschiedlich großer Kapazitäten schrittweise verstellt werden, jedoch nur in dem schmalen Frequenzband, das durch die beiden Zustände „elektrisch kurzgeschlossene Klemmen des Zusatzelements" und „elektrisch offene Klemmen des Zusatzelements" definiert wird.
• Mit einer zusätzlichen Masse oder Steifigkeit kann die Frequenz zwar prinzipiell kontinuierlich verstellt werden, jedoch kann sie nicht ohne großen Aufwand automatisch verändert werden, da ein Eingriff in das mechanische System erforderlich ist. Zudem führt eine zusätzliche, variabel angekoppelte Masse oder Steifigkeit im Allgemeinen zu einer erhöhten Dämpfung, einem höheren Leistungsbedarf und damit zu einem verringerten Wirkungsgrad des Schwingungserregers.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Schwingungserregers allein durch Veränderung elektrischer Ansteuerungssignale und unter Vermeidung der oben genannten Nachteile kontinuierlich verschiebbar zu gestalten.
• Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die Resonanzfrequenz des Schwingungsanregers auf eine Wunschfrequenz zu stimmen. Beispielsweise können lastabhängige Frequenzänderungen während des Betriebs ausgeglichen werden, ohne den günstigen Resonanzzustand des Ultraschallwerkzeugs zu verlassen.
• Weiterhin ist es bei zwei oder mehreren synchronisierten Werkzeugen möglich, die Lage ihrer Resonanzfrequenzen variabel zu verschieben, so dass alle Werkzeuge stets in dem leistungsmäßig idealen Resonanzpunkt arbeiten.
• Weiterhin ist es möglich, Ultraschallwerkzeuge, die trotz nominell gleicher Resonanzfrequenz im Betrieb unterschiedliche Resonanzfrequenzen besitzen, blindleistungsfrei zu betreiben, indem wenigstens ein Werkzeug auf die gewünschte Betriebsfrequenz gestimmt wird.
• Weiterhin ist es möglich, zwei unterschiedliche Ultraschallwerkzeuge mit einem einzigen Generator exakt in Resonanz zu betreiben, wenn mindestens eines von ihnen mit der Erfindung stimmbar ausgeführt ist. Sie erlaubt eine kontinuierliche, variable Veränderung der Resonanzfrequenz, mit der auch während des Betriebs auftretende Veränderungen der Resonanzfrequenzen automatisch ausgeglichen werden können. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn auf entsprechende Weise mehrere Ultraschallschwinger an einer elektrischen Quelle betrieben werden sollen.
• Weiterhin ist es möglich, die Vorschubkraft einphasiger piezoelektrischer Motoren zu steigern, indem mehrere Motoren parallel geschaltet werden. Mit dem beschriebenen Verfahren können alle Motoren auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und mit einer einzigen elektrischen Ansteuerung direkt in Resonanz betrieben werden.
• Piezoelektrische Motoren, bei denen unterschiedliche Schwingungsmoden synchronisiert werden, um eine elliptische Stößel- oder Oberflächenbewegung zu erzeugen, arbeiten häufig deshalb nicht optimal effektiv, weil es aus fertigungstechnischen Gründen äußerst schwierig ist, die beiden verwendeten Schwingungsmoden exakt auf die gleiche Resonanzfrequenz abzustimmen (mindestens eine Mode muss dann abseits des energetisch günstigen Resonanzpunktes betrieben werden). Mit dem vorgeschlagenen Verfahren zur Stimmung kann der Frequenzunterschied zwischen den beiden Moden kompensiert werden.
• Basierend auf der Lösung eines oder mehrerer zusätzlicher Piezo-Elemente, die elektrisch parallel und mechanisch in Reihe zu den schwingungserzeugenden Piezoelementen des Ultraschallwerkzeugs verhaltet werden, wird ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben. Zur Illustration dient das Ersatzschaltbild aus 3. Das Verhalten des Ultraschallwerkzeugs inklusive Schwingungserregung wird hier durch einen gedämpften Serienschwingkreis mit parallel geschalteter Kapazität repräsentiert.
• Statt eine weitere Kapazität parallel zu der des wenigstens einen zusätzlichen Piezoelements (Kapazität CT) zu schalten, wird der Stromkreis des wenigstens einen zusätzlichen Piezoelements über wenigstens einen elektronisch angesteuerten Schalter S periodisch abwechselnd kurzgeschlossen und geöffnet. Hierbei kann ein- oder mehrmals pro Periodendauer der Vibration zwischen den Betriebszuständen "elektrisch kurzgeschlossen" und "elektrisch offen" umgeschaltet werden. 4 zeigt die Frequenzgänge für die beiden Extremflälle „elektrisch offen" und „elektrisch kurzgeschlossen". Je nachdem, wie lange die Klemmen des wenigstens einen zusätzlichen Piezoelements während der Periodendauer der Vibration kurzgeschlossen bzw. offen sind (also je nach Tastverhältnis), können die Resonanz- und Antiresonanzfrequenz allein durch Veränderung elektrischer Ansteuerungssignale zwischen den beiden Extremfällen "vollständig kurzgeschlossen" und "vollständig offen" beliebig variiert werden.
• Optional wird dem wenigstens einen zusätzlichen Piezoelement wenigstens eine zusätzliche Induktivität LT elektrisch parallel geschaltet, siehe 5. Auf diese Weise lässt sich die Resonanz- und Antiresonanzfrequenz durch periodisches Kurzschließen und Öffnen des Stromkreises des wenigstens einen zusätzlichen Piezoelements weit über die durch die beiden oben beschriebenen Extremfälle definierten Grenzen hinaus verschieben, und zwar kontinuierlich, variabel und bei Bedarf automatisch programmierbar. In welchem Frequenzband sich die Frequenz verschieben lässt, wird durch den Wert von LT bestimmt.
• 6 zeigt mit einem beispielhaft gewählten Induktivitatswert LT die Frequenzgänge für die beiden Extremfälle „elektrisch offen" und „elektrisch kurzgeschlossen" am System mit LT und CT. Die erreichbare Frequenzverschiebung mit LT ist also bedeutend größer als mit CT allein (ohne LT). Der 6 ist weiterhin zu entnehmen, dass mit LT bei geöffnetem Schalter S ein zusätzliches Polpaar Resonanz/Antiresonanz unterhalb der ursprünglichen Resonanzfrequenz entsteht (zusätzlicher Freiheitsgrad des Systems).
• 7 zeigt eine zweite Ausführung. Schaltet man einem piezoelektrischen Aktor, dessen Verhalten in Umgebung seiner zum Betrieb genutzten Schwingungsform durch die Komponenten Cp, Rm, Cm, Lm charakterisiert ist (Bedeutung der Symbole wie oben), eine Abstimmspule LT parallel, so hat dies Einfluss auf die Lage der charakteristischen Frequenzen im Frequenzgang der Eingangsadmittanz Y = i(t)/u(t). Wird der Wert von LT so gewählt, dass die Parallelschaltung von LT und CP die gleiche Resonanzfrequenz besitzt wie die Reihenschaltung von Cm und Lm („abgestimmter Fall"), so entsteht einerseits eine Antiresonanzfrequenz, die höher liegt als die des piezoelektrischen Aktors ohne Abstimmspule, und außerdem eine zusätzliche Antiresonanzfrequenz, die tiefer liegt als die durch die Induktivität nicht veränderte Resonanzfrequenz (8). Die mit Abstimmungsspule auftretenden Antiresonanzfrequenzen liegen annähernd symmetrisch zur Resonanzfrequenz. Wird der Wert von LT ausgehend von dem oben definierten abgestimmten Fall verändert, so verschieben sich die beiden Antiresonanzen je nach Wert von LT.
• Durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus- und Einschalten eines der Abstimmungsspule in Reihe geschalteten Schauers S lässt sich der wirksame Induktivitätswert verändern, ohne die Induktivität LT zu ändern. Wird nun das System bei einer der beiden Antiresonanzen betrieben, so lässt sich das System bei unterschiedlichen Frequenzen betreiben, ohne den energetisch günstigen Zustand mit Phasenwert null Grad zu verlassen (bezüglich der Klemmen blindleistungsfreier Betrieb). Gegenüber der vorstehenden Ausführung werden hierbei keine zusätzlichen piezoelektrischen Elemente für das Stimmen benötigt.
• 9 zeigt eine dritte Ausführung. Schaltet man einem piezoelektrischen Aktor, dessen Verhalten in Umgebung seiner zum Betrieb genutzten Schwingungsform durch die Komponenten Cp, Rm, Cm, Lm charakterisiert ist (Bedeutung der Symbole wie oben), eine Abstimmspule LS in Serie, so hat dies Einfluss auf die Lage der charakteristischen Frequenzen im Frequenzgang der Eingangsadmittanz Y = i(t)/u(t). Wird die Induktivität LS mit Cp auf die Antiresonanzfrequenz des Systems Lm, Cp, Cm abgestimmt, so entsteht symmetrisch zur (von der Abstimmung nicht veränderten) Antiresonanzfrequenz ein Paar von Resonanzfrequenzen (10). Wird der Wert von LS ausgehend von dem oben definierten Fall verändert, so verschieben sich die beiden Resonanzfrequenzen je nach Wert von LS.
• Durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus- und Einschalten eines der Abstimmungsspule parallel geschalteten Schalters S lässt sich der wirksame Induktivitätswert verändern, ohne die Induktivität LS zu ändern. Wird nun das System bei einer der beiden Resonanzfrequenzen betrieben, so lässt sich das System bei unterschiedlichen Frequenzen betreiben, ohne den energetisch günstigen Zustand mit Phasenwert null Grad zu verlassen (bezüglich der Klemmen blindleistungsfreier Betrieb). Gegenüber der ersten Ausführung werden hierbei keine zusätzlichen piezoelektrischen Elemente für das Stimmen benötigt.

Claims (12)

1. Treiberschaltung für ein Ultraschallwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zusätzliche Piezoelemente, die elektrisch parallel und mechanisch in Reihe zu den schwingungserzeugenden Piezoelementen des Ultraschallwerkzeugs verschaltet sind, sowie wenigstens ein elektrisch ansteuerbarer Schalter vorgesehen sind, mit denen die Resonanzfrequenz des Ultraschallwerkzeugs durch periodisches Kurzschließen und Öffnen des Stromkreises des zusätzlichen Piezoelements zwischen den beiden Extremllen "volständig elektrisch kurzgeschlossen" und "vollständig elektrisch offen" kontinuierlich verstimmbar ist bzw. im Rahmen einer Regelung definiert vorgegeben werden kann.
2. Treiberschaltung für zwei oder mehrere Ultraschallwerkzeuge, die in einer gemeinsamen Anordnung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Ultraschallwerkzeug ein oder mehrere zusätzliche Piezoelemente, die elektrisch parallel und mechanisch in Reihe zu den schwingungserzeugenden Piezoelementen des wenigstens einen Ultraschallwerkzeugs verschaltet sind, sowie ein oder mehrere elektrisch ansteuerbare Schalter vorgesehen sind, mit denen die Resonanzfrequenz des wenigstens einen Ultraschallwerkzeugs durch periodisches Kurzschließen und Öffnen des Stromkreises des zusätzlichen Piezoelements zwischen den beiden Extremfällen "vollständig elektrisch kurzgeschlossen" und "vollständig elektrisch offen" kontinuierlich verstimmbar ist bzw. im Rahmen einer Regelung definiert vorgegeben werden kann.
3. Treiberschaltung nach einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen zusätzlichen Piezoelement wenigstens eine zusätzliche Induktivität elektrisch parallel geschaltet ist, so dass sich die Resonanzfrequenz durch periodisches Kurzschleßen und Öffnen des Stromkreises des zusätzlichen Piezoelements weit über die durch die Extremfälle "vollständig elektrisch kurzgeschlossen" und "vollständig elektrisch offen" definierten Grenzen hinaus kontinuierlich und bei Bedarf programmierbar verschieben lässt.
4. Treiberschaltung für ein Ultraschallwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass einem piezoelektrischen Aktor wenigstens eine Abstimmspule LT parallel geschaltet ist, und dass wenigstens ein elektrisch ansteuerbarer Schalter S zu der wenigstens einen Abstimmspule LT in Reihe geschaltet ist, so dass der wirksame Induktivitätswert durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus- und Einschalten des Schalten S verändert werden kann, ohne die Induktivität LT zu ändern.
5. Treiberschaltung für zwei oder mehrere Ultraschallwerkzeuge, die in einer gemeinsamen Anordnung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem piezoelektrischen Aktor wenigstens eine Abstimmspule LT parallel geschaltet ist, und dass wenigstens ein elektrisch ansteuerbarer Schalter S zu der wenigstens einen Abstimmspule LT in Reihe geschaltet ist, so dass der wirksame Induktivitätswert durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus- und Einschalten des Schalten S verändert werden kann, ohne die Induktivität LT zu ändern.
6. Treiberschaltung für ein Ultraschallwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass einem piezoelektrischen Aktor wenigstens eine Abstimmspule LS in Reihe geschaltet ist, und dass wenigstens ein elektrisch ansteuerbarer Schalter S zu der wenigstens einen Abstimmspule LS parallel geschaltet ist, so dass der wirksame Induktivitätswert durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus- und Einschalten des Schalten S verändert werden kann, ohne die Induktivität LS zu ändern.
7. Treiberschaltung für zwei oder mehrere Ultraschallwerkzeuge, die in einer gemeinsamen Anordnung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem piezoelektrischen Aktor wenigstens eine Abstimmspule LS in Reihe geschaltet ist, und dass wenigstens ein elektrisch ansteuerbarer Schalter S zu der wenigstens einen Abstimmspule LS parallel geschaltet ist, so dass der wirksame Induktivitätswert durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus- und Einschalten des Schalten S verändert werden kann, ohne die Induktivität LS zu ändern.
8. Verfahren zum Betrieb eines oder mehrerer Ultraschallwerkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz eines oder mehrerer Ultraschallwerkzeuge allein durch Veränderung elektrischer Ansteuerungssignale kontinuierlich verstimmbar ist.
9. Verfahren zum Betrieb eines oder mehrerer Ultraschallwerkzeuge nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zusätzliche Piezoelemente, die elektrisch parallel und mechanisch in Reihe zu den schwingungserzeugenden Piezoelementen des Ultraschallwerkzeugs geschaltet sind, über den elektronisch angesteuerten Schalter periodisch abwechselnd kurzgeschlossen und geöffnet werden, und zwar ein- oder mehrmals pro Periodendauer der Vibration.
10. Verfahren zum Betrieb eines oder mehrerer Ultraschallwerkzeuge nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zusätzliche Piezoelemente und ein oder mehrere zusätzliche Induktivitäten elektrisch parallel und mechanisch in Reihe zu den schwingungserzeugenden Piezoelementen des Ultraschallwerkzeugs geschaltet sind, die über den elektronisch angesteuerten Schalter periodisch abwechselnd kurzgeschlossen und geöffnet werden, und zwar ein- oder mehrmals pro Periodendauer der Vibration.
11. Verfahren zum Betrieb eines oder mehrerer Ultraschallwerkzeuge nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Induktivitätswert durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus- und Einschalten des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Schalters S, der zum wenigstens einen piezoelektrischen Aktor parallel und zur wenigstens einen Abstimmspule LT in Reihe geschaltet ist, verändert werden kann, ohne die Induktivität LT zu ändern.
12. Verfahren zum Betrieb eines oder mehrerer Ultraschallwerkzeuge nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Induktivitätswert durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus- und Einschalten des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Schalters S, der zum wenigstens einen piezoelektrischen Aktor in Reihe und zur wenigstens einen Abstimmspule LS parallel geschaltet ist, verändert werden kann, ohne die Induktivität LS zu ändern.