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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen
der Frequenzkennlinie und zum Betreiben eines Ultraschallwerkzeugs.
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Ein
Ultraschallwerkzeug ist in 1 schematisch
gezeigt. 1 ist ein nur teilweise gezeigtes Werkstück, 2 ein
Ultraschallkopf eines Ultraschallwerkzeus 10 und 3 der
Treiber des Ultraschallwerkzeugs 10. Der Treiber 3 versetzt
nach Maßgabe
eines an seinen Klemmen 3a, 3b anliegenden elektrischen
Signals den Kopf 2 in schwingende Bewegung. Die Schwingung
kann translatorisch oder rotatorisch sein. In 1 kann
sie beispielsweise translatorisch längs der Z-Achse oder rotatorisch
um die Z-Achse sein. Der Kopf hat eine oder mehrere harte bzw. raue
Oberflächen 2a, 2b, 2c,
mit denen das Material des zu bearbeitenden Werkstücks letztlich schleifend
oder stoßend
(Schlagbohrprinzip) abgetragen wird. Der Kopf 2 kann unterschiedlichste
Form haben. Anders als die gezeigten flächigen Ausführungsformen der Arbeitsflächen 2a, 2b oder 2c können auch
eher spitze oder kantige Ausführungsformen
vorgesehen sein, die den schlagenden Abtrag erleichtern.
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Die
periodische Bewegung des Arbeitskopfs (translatorische oder rotatorische
Schwingung) erfolgt in Frequenzbereichen, die Ultraschallfrequenzen
aufweisen, also beispielsweise im Bereich über 20 kHz, manchmal auch bis
höher als
50 kHz. Es können
aber auch tiefer liegende Frequenzen verwendet werden. Die mechanischen
Amplituden sind vergleichsweise klein. Der Treiber 3 kann
elektromagnetisches Treibsystem sein oder ein Piezosystem, das nach
Maßgabe
des angelegten elektrischen Signals die gewünschte mechanische Schwingung
des Kopfs 2 erzeugt.
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Während des
Abtrags durch den Kopf 2 wird an die Klemmen 3a, 3b ein
Treibersignal (Spannung) angelegt, dessen Frequenz genauer bestimmt
ist und insbesondere auf einer Resonanzfrequenz des Kopfs 2 oder
in definierter Abweichung davon liegt. Durch Ansteuerung mit der
Resonanzfrequenz erreicht man vergleichsweise günstige Schwingungseigenschaften,
weil die Amplitude bei gegebenem Eingangssignal vergleichsweise
groß ist.
Die mechanischen Resonanzfrequenzen des Kopfs ergeben sich aus dessen
inhärenter
Masse und Steifigkeit. Da ein Kopf 2 ein vergleichsweise
komplexes Gebilde sein kann, können
auch mehrere voneinander unabhängige
Resonanzfrequenzen, zusammen mit jeweils Harmonischen dazu, entstehen.
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2 zeigt die Verhältnisse schematisch. 2A ist
der Amplitudenverlauf der Werkzeugschwingung bei einer bestimmten
Anregungsfrequenz. Die Abszisse stellt die Anregungsfrequenz dar,
die Ordinate die mechanische Amplitude der Schwingung in Abhängigkeit
von der Frequenz. Die Abszisse ist logarithmisch geteilt. Der beispielhaft
angenommene Verlauf weist einige Resonanzen f01, f02 und f03 auf.
Die Frequenz f01 sei beispielsweise 31 kHz, f02 kann eine Harmonische
dazu sein von 62 kHz, die Frequenz f03 kann eine unabhängige Resonanzfrequenz
von zum Beispiel 70 kHz sein.
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2B zeigt
das während
des Arbeitsvorgangs an den Treiber 3 angelegte Spannungssignal in
seinem Frequenzverlauf. Es hat zwei diskrete Frequenzen an den Resonanzfrequenzen
f01 und f02, so dass das Werkzeug an zwei seiner mechanischen Resonanzfrequenzen
angeregt wird und dementsprechend stark schwingt. Es wird darauf
hingewiesen, dass allgemein das Ansteuersignal während des Abtrags eine oder
mehrere Resonanzfrequenzen und gegebenenfalls weitere Signalkomponenten
aufweisen kann. Beispielsweise könnte
das Signal der 2B auch nur eine oder auch alle
der Frequenzen f01, f02 und f03 aufweisen. Das Ansteuersignal kann, muss
aber nicht die niedrigste Resonanzfrequenz und/oder die mit dem
größten Maximum
als Signalkomponente aufweisen.
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Der
Frequenzgang der 2A wird vor Beginn der Arbeit
mit dem Werkzeug bestimmt. Hierfür wird
an die Klemmen 3a, 3b des Wandlers 3 eine
eigens vorgesehene Messapparatur angeschlossen, mit der ein Signal
einer im interessierenden Frequenzbereich durchstimmbaren Frequenz
an den Treiber 3 angelegt werden kann, die das Messen eines
korrespondierenden elektrischen Signals an den Klemmen erlaubt.
Beispielsweise wird ein Signal einer konstanten Amplitude mit allmählich veränderlicher
Frequenz angelegt, und es wird der Strom zum Treiber 3 gemessen.
Die Resonanzfrequenzen der 2A bilden
sich deutlich im gemessenen (Strom-)Verlauf ab, so dass die Frequenzen
der Extrema (Maxima oder Minima) des gemessenen Verlaufs als die
Resonanzfrequenz f01, f02, f03 ... genommen werden können. Der
Bediener der Maschine ermittelt auf diese Weise die Resonanzfrequenzen
des Kopfs 2 und stellt dann den Signalgenerator zum Ansteuern
des Treibers entsprechend ein.
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Nachteil
dieses Verfahrens ist es, dass es zeitaufwändig ist und geschultes Personal
erfordert. Das Personal muss letztlich den Umgang mit elektrischen
oder elektronischen Messgeräten
und Generatoren beherrschen und muss Systemeinstellungen an der
Maschine vornehmen können.
Darüber
hinaus dauert die Ermittlung lange.
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Besonders
gravierend werden diese Nachteile merklich, wenn bedacht wird, dass
die ermittelte Resonanzfrequenz eines Werkzeugs sich während des
Betriebs ändern
kann. Beispielsweise kann sie wegen Werkzeugabnutzung und damit
einhergehender kleinerer Masse höher
werden oder wegen im Werkzeug festgesetzter Späne und damit höherer Masse
niedriger. Auch kann sich die Temperatur ändern (erhöhen), so dass dementsprechend
eine Dimensionsänderung
(Ausdehnung, Vergrößerung) des
Werkzeugs 2 stattfindet, so dass sich dementsprechend die
Resonanzfrequenz ändert.
Auch kann die Resonanzfrequenz von der Kraft zwischen Werkzeug 2 und
Werkstück 1 und
damit letztlich auch von der Vortriebsgeschwindigkeit, die für das Werkzeug aufgebracht
wird, abhängen.
Schematisch sind diese Effekte in 3 gezeigt.
Die Abszisse kann die Vorschubkraft F oder die Werkzeugtemperatur
T sein. Die Ordinate ist die davon abhängige Resonanzfrequenz f0. Kurve 31 zeigt die Abhängigkeit
der Resonanzfrequenz f0 von der Temperatur T, also f0(T). Kurve 32 zeigt
die Abhängigkeit
der Resonanzfrequenz fo von der Vorschubkraft F, also f0(F). Die Verläufe sind
nicht konstant. Es ist weiterhin schwierig, sie vorherzusagen. Für unterschiedliche
Resonanzfrequenzen f01, f02 können
die die Verläufe
qualitativ und/oder quantitativ unterschiedlich sein. Die einzelnen
Einflussgrößen können sich überlagern.
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Letztlich
führen
die beschriebenen Effekte dazu, dass im Laufe des Betriebs des Werkzeugs sich
die Resonanzfrequenz in nicht vorhersagbarer Weise ändert, so
dass die anfänglich
vorgenommene Resonanzfrequenz-Messung die wahren Verhältnisse
nicht mehr richtig wiedergibt. Es muss dann aufwändig abermals wie beschrieben
die Resonanzfrequenz bestimmt werden, um neue Einstellungen vornehmen
zu können.
Je nach Beschaffenheit des Werkstücks und des Werkzeugs und in
Abhängigkeit von
anderen Parametern kann dies somit zu deutlichem Nachjustieraufwand
für die
Resonanzfrequenzen während
der Arbeit führen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen
der Frequenzkennlinie und zum Betreiben eines elektrisch ansteuerbaren
Ultraschallwerkzeugs anzugeben, die eine schnelle und einfache Ermittlung
von Frequenzparametern des Werkzeugs zulassen.
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Ein
maßgeblicher
Parameter für
die Steuerung des Ultraschallwerkzeugs bzw. der gesamten Ultraschallmaschine
ist die Vorschubgeschwindigkeit bzw. die Vorschubkraft. Diese wird
bisher durch geeignete Messeinrichtungen gemessen, beispielsweise
durch eine Kraftmessdose (mit Dehnungsmess streifen und/oder Piezoelementen
oder ähnlichem), und
das so entstandene Signal wird einer Steuerung zur weiteren Auswertung
und Veranlassung zugeführt.
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Nachteil
dieses Ansatzes ist es, dass im mechanischen Teil ein Messaufnehmer
vorgesehen werden muss, was vergleichsweise aufwändig ist.
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Aufgabe
der Erfindung insoweit ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, die eine einfache Erfassung der Vorschubkraft bzw. ihrer Änderung
ermöglichen.
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Ganz
allgemein erfolgt bisher die Ansteuerung von Ultraschallwerkzeugen 10 (insbesondere des
Wandlers 3 des Werkzeugs 10) durch spezialisierte
Komponenten. Gleiches gilt für
die Rückführung von
womöglich
gewonnenen Messsignalen. Dieses ist nachteilig, da die genannten
Komponenten vergleichsweise seltene Produkte und deshalb teuer sind.
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Insoweit
ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine einfache Ansteuervorrichtung
für das Ultraschallwerkzeug 10 anzugeben.
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Die
genannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind
auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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Ein
Verfahren zum Bestimmen der Frequenzkennlinie eines elektrisch ansteuerbaren
Ultraschallwerkzeugs hat die Schritte Anlegen eines elektrischen
Rauschsignals als Ansteuersignal an das Werkzeug, Messen des zeitlichen
Verlaufs einer elektrischen Größe am Ultraschallwerkzeug
als Messsignal, Durchführen
einer Frequenzanalyse im gemessenen Verlauf und Bestimmen der Frequenzkennlinie
anhand des Analyseergebnisses.
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Das
Rauschsignal kann vergleichsweise kurzzeitig an das Werkzeug angelegt
werden. Das Messen, die Durchführung
der Frequenzanalyse und die Bestimmung der Frequenzkennlinie können bezugnehmend
auf das gemessene Messsignal automatisch erfolgen, so dass eine
Vereinfachung der Bestimmung der Frequenzkennlinie erreicht ist.
Das Rauschsignal kann ein Spannungssignal sein, das Messsignal ein
Stromsignal. Die Frequenzanalyse kann eine Fourieranalyse sein,
die als Ergebnis den Verlauf der Intensität über der Frequenz liefert. In
diesem Verlauf kann dann nach Extrema gesucht werden. Die Frequenzen
der Extrema sind die Resonanzfrequenzen des Werkzeugs.
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Weiterhin
kann während
des Betriebs des Ultraschallwerkzeugs (also während der Werkstückbearbeitung)
der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung am Ultraschallwerkzeug
bzw. dessen Änderung
gemessen werden. Der Winkel und seine Änderung hängt eindeutig von der Vorschubkraft
bzw. deren Änderung
ab. Man gewinnt dadurch ein Maß für die Vorschubkraft
bzw. deren Änderung.
Man kann das gewonnene Signal zur Nachführung oder Einstellung der
Vorschubkraft und auch für
die Nachführung
der Ansteuerfrequenz verwenden, denn letztere korreliert ihrerseits
mit der Vorschubkraft.
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Auf
diese Weise ist es nicht mehr notwendig, im mechanischen Teil der
Maschine eine Kraftmessdose für
die Vorschubkraft vorzusehen. Vielmehr kann man die Abhängigkeit
der Resonanzfrequenz von der Vorschubkraft nutzen, um ein die Kraft
bzw. Kraftänderung
anzeigendes Signal herzuleiten, das dann weiter verwendet werden
kann.
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Es
hat sich im Übrigen
gezeigt, dass es nicht notwendig ist, ein Ultraschallwerkzeug mit
spezialisierten Komponenten anzusteuern. Vielmehr kann man eine
handelsübliche
Soundkarte dafür
verwenden, wie sie als Massenware für PCs gehandelt werden. Handelsübliche Soundkarten
können
eingangs- wie ausgangsseitig Signale mit 192 kHz Abtastfrequenz
(entspr. 96 kHz Nutzfrequenz) verarbeiten. Der Audioausgang kann
zur Ansteuerung des Werkzeugs verwendet werden, gegebenenfalls noch
mit einem zwischengeschalteten Verstärker oder Impedanzwandler,
während
der Audioeingang zur Erfassung des elektrischen Messsignals verwendet
werden kann. Auch hier kann eine vorgelagerte Amplituden- oder Impedanzeinstellung
(Verstärkung
oder auch Dämpfung,
Impendanzwandlung) vorgesehen sein. Über dem Anschluss der Soundkarte
zum Rechner können
die einzelnen Funktionen eingangsseitig wie ausgangsseitig eingestellt
und abgerufen werden.
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen werden nachfolgend einzelne Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, es zeigen
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1 schematisch
ein Ultraschallwerkzeug an einem Werkstück,
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2 ein Beispiel von mechanischen Resonanzfrequenzen
und elektrischer Ansteuerung des Ultraschallwerkzeugs,
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3 qualitativ
die Abhängigkeiten
von Resonanzfrequenzen,
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4 mehrere Kennlinien und Verläufe,
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5 schematisch
den Aufbau einer Messvorrichtung,
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6 ein
schematisches Flussdiagramm des Messverfahrens,
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7 eine
Erweiterung des Aufbaus der 5,
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8 die
Abhängigkeit
zwischen Vorschubkraft und Phasenwinkel, und
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9 schematisch
eine verwendete Soundkarte samt näherer elektrischer Umgebung.
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Allgemein
gilt, dass in dieser Beschreibung gleiche Bezugsziffern gleiche
Komponenten bedeuten.
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4 zeigt Signale und Verläufe, die
bei der erfindungsgemäßen Bestimmung
der Resonanzfrequenz(en) des Ultraschallwerkzeugs 2 entstehen können bzw.
relevant sind. 4A zeigt das Spektrum (Intensität über Frequenz)
eines an die Klemmen 3a, 3b des Wandlers 3 des
Werkzeugs 10 angelegtes Signal. Es handelt sich um ein
von einem Generator erzeugtes Rauschsignal, das den interessierenden
Frequenzbereich abdeckt. Der interessierende Frequenzbereich ist
durch eine untere Grenzfrequenz fgu und durch eine obere Grenzfrequenz
fgo beschrieben. Die untere Grenzfrequenz fgu kann größer oder
kleiner oder gleich 2 kHz oder 5 kHz oder 10 kHz oder 20 kHz sein.
Die obere Grenzfrequenz fgo kann größer oder kleiner oder gleich
40 kHz oder 60 kHz oder 80 kHz oder 96 kHz sein. Allgemein können auch
Frequenzen unterhalb des Ultraschallbereichs noch von Interesse
sein und somit in die Messung bzw. Auswertung einbezogen werden.
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Das
Rauschsignal 41 hat einen geeigneten Intensitätsverlauf über der
Frequenz. Vorzugsweise ist er im interessierenden Frequenzbereich
bekannt und einigermaßen
konstant bzw. so, dass sich kleinste Amplitude von größter Amplitude
um nicht mehr als 50%, vorzugsweise 10%, voneinander unterscheiden.
Vorzugsweise hat das Rauschsignal keine starken Maxima an bestimmten
Frequenzen. Das zeitveränderliche
Signal, dessen Spektrum in 4A gezeigt
ist, wird an die Klemmen 3a, 3b des Werkzeugs 10 angelegt.
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Die 4B zeigt
einen zeitlichen Verlauf. Die Abszisse zeigt Millisekunden, die
Ordinate eine Intensität.
Es kann sich hier um den Strom in den Wandler 3 hinein
handeln. Es wird angenommen, dass die das Signal verursachende Spannung
zum Zeitpunkt 0 angelegt wird und zum Zeitpunkt 500 Millisekunden
wieder abgeschaltet wird.
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Das
Signal der 4B kann gleichermaßen als
Darstellung der (oben erwähnten)
Eingangsspannung über
der Zeit wie auch des Eingangsstrom über der Zeit angesehen werden.
Die Spannung kann das vom Generator gelieferte Signal sein, während der Strom
sich aufgrund der Recktanz des Wandlers nach Maßgabe der angelegten Spannung
ergibt. Der Zeitverlauf des Messsignals ist wenig aussagekräftig.
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4C zeigt
ein exemplarisches Spektrum des Wandlerstroms. Es ist der in den
Frequenzbereich transformierte Zeitverlauf des Eingangsstroms. Das
aus dem Zeitverlauf des Messsignals hergeleitete Spektrum ist sehr
aussagekräftig.
Beispielhaft angenommen ist ein erstes Maximum bei einer Frequenz
f01 bei ca. 22 kHz, ein zweites Maximum bei einer Frequenz f02 bei
ca. 25 kHz und eine Harmonische dazu bei f03 gleich 50 kHz. Der
Verlauf der Kurve C hat verschiedene, durch die Rauschanregung gleichzeitig
hervorgerufene Schwingungsmaxima, die den Resonanzfrequenzen des
Werkzeugs entsprechen. Das für 4C angenommene
Werkzeug ist ein anderes als das für 2A angenommene. Hierbei
wird der Effekt genutzt, dass die durch den mechanischen Aufbau
des Wandlers bedingten mechanischen Resonanzfrequenzen des Werkzeugs sich
aufgrund allgemeiner physikalischer Gesetze in den elektrischen
Teil des Wandlers hinein transformieren und dort elektrisch „sichtbar" werden. Die mechanisch
schwingungsbestimmenden Komponenten Masse und Steifigkeit wirken
transformiert wie elektrisch schwingungsbestimmende Komponenten
Kapazität
und Induktivität.
Diese bewirken Resonanzen, die sich wie diejenigen des mechanischen
Systems verhalten, so dass die elektrischen Resonanzen die gleichen
sind wie die mechanischen Resonanzen.
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5 zeigt
schematisch den Aufbau des Messsystems. 3 ist der Wandler
mit den elektrischen Anschlüssen 3a und 3b. 51 ist
ein Rauschgenerator, der das Signal 41 der 4A erzeugt. Über Klemmen 59 kann
er an die Klemmen 3a, 3b des Wandlers 3 angelegt
werden. Es kann eine Strommeßvorrichtung
vorgesehen sein, beispielsweise ein Shunt (kleiner Vorschaltwiderstand) 52,
der seriell zwischengeschaltet sein kann. Entsprechend dem fließenden Strom
fällt am
Shunt 52 eine Spannung ab, die abgegriffen und ausgewertet
werden kann. 53 kann ein A/D-Wandler sein, der die am Shunt gemessene, dem
Wandlerstrom entsprechende Spannung ins Digitale wandelt. Die Abtastfrequenz
der A/D-Wandlung muss dabei im Hinblick auf die maximal interessierende
Frequenz des Messsignals gewählt
werden. Bevorzugt ist die Abtastfrequenz mindestens das Doppelte
der oberen Grenzfrequenz fgo des interessierenden Frequenzbereichs.
Wenn die obere Grenzfrequenz fgo beispielsweise 40 kHz, wäre die Abtastfrequenz
der Analog/Digital-Wandlung in der Komponente 53 mindestens
80 kHz. Bei fgo = 96 kHz ist die maximale Abtastfrequenz 192 kHz.
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54 bezeichnet
einen Speicher, in dem die der A/D-Wandlung entstammende Werte zeitseriell
abgelegt werden können.
Vor der Analog/Digital-Wandlung kann eine Filterung des Messsignals
erfolgen, beispielsweise derart, dass nicht interessierende Frequenzen
(oberhalb fgo und unterhalt fgu) herausgefiltert werden.
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55 symbolisiert
eine Analyseeinrichtung. Es kann sich hier um eine Einrichtung handeln,
die eine Fourieranalyse im Zeitverlauf des gemessenen Signals vornimmt.
Der Zeitverlauf kann im Speicher 54 abgelegt sein und kann
dem in 4B gezeigten Signal entsprechen.
Die Analyseeinrichtung 55 liefert dann ein Signal, das
qualitativ in 4C gezeigt ist. Gegebenenfalls
kann dieses Signal noch in einer Glättungseinrichtung 56 geglättet werden
und dann einer Auswertungseinrichtung 57 zugeführt werden.
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Die
Auswertungseinrichtung 57 sucht nach Extrema, die je nach
Messsituation Maxima oder Minima sein können. Diese gesuchten Extrema
entsprechen in der 4C den Spitzen an der Frequenz f01,
f02 und f03. Diese Frequenzwerte können aus dem Verlauf der 4C als
abstrakte Daten extrahiert werden und stehen dann dem weiteren Prozess und
insbesondere der Steuerung bzw. Regelung 58 zur Verfügung. Sie
repräsentieren,
wie gesagt, die mechanischen Resonanzfrequenzen des Ultraschallwerkzeugs,
an denen das Werkzeug vorteilhafterweise betrieben wird.
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Die
Messdauer kann vergleichsweise kurz sein und weniger als 1 Sekunde,
vorzugsweise weniger 700 Millisekunden, weiter vorzugsweise weniger als
500 Millisekunden betragen. Während
dieser Zeitdauer wird das Rauschsignal gemäß 4A an die
Klemmen des Ultraschallwerkzeugs 10 angelegt und das Messsignal
erfasst, das dann im Folgenden ausgewertet wird.
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6 zeigt
schematisch den Ablauf des Verfahrens. Nach seinem Beginn wird im
Schritt 61 das genannte Rauschen an die Klemmen des Werkzeugs 10 angelegt.
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Logisch
betrachtet danach, aber praktisch gleichzeitig, wird im Schritt 62 eine
elektrische Größe am Eingang
des Werkzeugs 10 gemessen. Es kann sich um den Strom am
Werkzeug handelt.
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In
Schritt 63 erfolgt die Signalformung, -speicherung und
-wandelung. Es kann zunächst
gegebenenfalls eine Bandpassfilterung derart vorgenommen werden,
dass nicht interessierende Frequenzbereiche herausgefiltert werden.
Weiter kann eine Analog/Digital-Wandlung vorgenommen werden, und
die Ergebnisse können
gespeichert werden.
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Im
Schritt 64 erfolgt die Frequenzanalyse, die eine Fourieranalyse
sein kann. Es kann sich hier um eine diskrete Fouriertransformation
handeln oder um eine schnelle Fouriertransformation. Diese Analyse
kann digital ausgeführt
werden. Es ergibt sich dann ein Verlauf einer Intensität über der
Frequenz entsprechend 4C.
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Im
Schritt 65 wird der Verlauf ausgewertet. Es kann hier noch
eine Glättung
erfolgen. Die Auswertung kann die Suche nach Extrema, insbesondere
Maxima oder Minima, enthalten. Es kann die Frequenzlage dieser Extrema
ermittelt werden.
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Diese
Frequenzlage kann im Schritt 66 als abstrakter Wert gespeichert
werden und steht dann der weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
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Insbesondere
kann dann bezugnehmend auf die gespeicherten Extrema ein Ansteuersignal
für das
Ultraschallwerkzeug 10 komponiert werden. Die Extrema können zusammen
mit absoluten oder relativen Amplituden gespeichert werden, um ihre
Relevanz im ermittelten Spektrum beurteilen zu können.
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Wenn
mehrere Extrema vorhanden sind, kann nach geeigneten Kriterien die
Komposition des nachfolgenden Ansteuersignals für das Ultraschallwerkzeug 10 zum
Bearbeiten eines Werkstücks 1 zusammengestellt
werden.
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7 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der der linke Teil der 5 (links
der Klemmen 59) modifiziert ist. An die Klemmen 59 kann
wahlweise das Rauschsignal vom Rauschgenerator 51 angelegt werden
oder ein Arbeitssignal aus einem Signalgenerator 71. Das
Rauschsignal aus dem Generator 51 entspricht in seinem
Spektrum denjenigen der 4A. Das
Signal aus dem Generator 71 entspricht in seinem Spektrum
denjenigen der 2B. Mittels eines Schalters 72,
der von einer Steuerung 58 betätigt wird, kann zwischen den
beiden Generatoren umgeschaltet werden, so dass das Werkzeug wahlweise bzw.
abwechselnd mit Messzwecken dienendem Rauschen einerseits und mit
einer oder mehreren mehr oder minder bestimmten Frequenzen für die Werkstückbearbeitung
andererseits beaufschlagt wird. Synchron dazu erfolgt eine (nicht
gezeigte) Umschaltung in der Auswertung der jeweiligen Ergebnisse
bzw. Signale. Bei Rauschanregung kann die Fourieranalyse vorgenommen
werden, bei diskreter Anregung während
des Arbeitens die Phasenwinkelbeobachtung.
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Der
Betrieb kann beispielsweise so sein, dass nach Maßgabe vorbestimmter
Kriterien zwischen den beiden Generatoren 51 und 71 umgeschaltet
wird. Das Kriterium kann ein Zeitkriterium sein (beispielsweise
dahingehend, dass alle 5 Minuten für eine Sekunde das Werkzeug
neu vermessen wird). Allgemein kann die Messdauer wesentlich kürzer sein
als die Arbeitsdauer. Der Faktor zwischen beiden kann mindestens
50, vorzugsweise mindestens 100, weiter vorzugsweise mindestens
200 oder 500, sein. Auch können
andere Kriterien als Umschaltkriterien herangezogen werden, etwa
Vorschubgeschwindigkeit Vorschubkraft, Temperatur oder eine Kombination
der Kriterien.
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Auf
diese Weise wird es möglich,
durch einen zeitlich kaum ins Gewicht fallenden kurzen Messzyklus
aktuelle Resonanzfrequenzwerte einzuholen und diese dann im folgenden
Verlauf einzustellen, um auf deren Grundlage das Werkstück weiter optimal
bearbeiten zu können.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass 7 zwei getrennte
Generatoren 51, 71 und einen Umschalter 72 zwischen
ihnen zeigt. Dies kann real so implementiert sein. Es kann aber
auch die Darstellung einer logischen Umschaltung sein. Die Implementierung
kann ein programmierbarer Spannungsgenerator sein, der diskrete
Frequenzen oder Frequenzverläufe
oder Rauschsignale wahlweise abgeben kann. Die Umschaltung, symbolisiert
durch Schalter 72, findet dann nicht am Ausgang statt,
sondern eingangsseitig in der Ansteuerung des programmierbaren Generators
so, dass abwechselnd die Generierung einer mehr oder minder diskreten
Frequenz zu Arbeitszwecken bzw. die Generierung von Rauschen zu Messzwecken
eingesteuert wird. Es kann dann jeweils zeitnah eine aktuelle Resonanzfrequenz
ermittelt und dann im weiteren Ablauf verwendet werden.
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8 zeigt
einen Zusammenhang, den man sich erfindungsgemäß zur Kraftmessung während der
Werkstückbearbeitung
zunutze machen kann. 8 ist ein qualitatives Diagramm
der Abhängigkeit zwischen
Vorschubkraft F und Phasenwinkel wui zwischen Strom und Spannung
am Wandler 3. Die Abszisse zeigt die Kraft F, die Ordinate
den Phasenwinkel wui. Zu einer bestimmten Kraft F0 sei ein bestimmter
Phasenwinkel wui 0 angenommen. Wenn ausgehend von F0 sich die Vorschubkraft
um ΔF ändert, führt dies
entsprechend zu einer Änderung Δwoi des Phasenwinkels
entsprechend der Kennlinie. Je nach Definition der Größen und
sonstiger Gegebenheiten kann die Kennlinie auch fallend statt steigend sein.
Dementsprechend kann während
der Werkstückbearbeitung,
also während
der Ansteuerung des Wandlers 3 mit einem Signal qualitativ
wie in 2B gezeigt, die Phase zwischen
Strom und Spannung am Wandler 3 ausgewertet werden, insbesondere
die Phasenänderung
ermittelt werden, um so ein Signal für die Kraftänderung zu erhalten. Dieses
Signal kann dann zu weiteren Zwecken herangezogen werden, etwa zur
Kraftsteuerung oder, da die Kraftänderung auch mit einer Resonanzfrequenzänderung
korreliert, zur Nachführung
der Ansteuerfrequenz in gewissem Umfang.
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Die
Phasenermittlung bzw. Phasenänderungsermittlung
kann bezugnehmend auf das Ausgangssignal des Spannungsgenerators 71 und
den beispielsweise am Shunt 52 gemessenen Strom erfolgen.
Sie kann teils oder ganz im analogen oder im digitalen Bereich erfolgen.
Es kann dann eine Eingabe in die Steuerung 60 erfolgen,
nach deren Maßgabe
die Steuerung weitere Veranlassungen trifft.
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Die Änderung
ist zunächst
nur ein relatives Maß.
Absolute Werte können
erzeugt werden, wenn beispielsweise anhand tabulierter Werte oder
anfänglich
bekannter Werte (F0 = 0, wui0 aus Messung) Anfangswerte gesetzt
werden, von denen ausgehend dann weiter gerechnet wird. Von der
gemessenen Phasenwinkeländerung Δwoi kann
auf eine Kraftänderung ΔF geschlossen
werden, und über
den Zusammenhang der 3 kann insbesondere über den Zusammenhang
der Kurve 32 von der Kraftänderung auf die Resonanzfrequenzänderung
geschlossen werden. Das Phasenänderungssignal
kann dann zur Nachführung
der Resonanzfrequenz herangezogen werden.
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Wenn
bezugnehmend auf Phasenwinkeländerung
sowohl Kraft als auch Resonanzfrequenz verfolgt werden sollen, wäre beim
Nachführen
der Resonanzfrequenz für
die Kraft ein neuer Nullpunkt entsprechend dem zu wählen, was
sich nach Einstellung der neuen Frequenz als Phasenwinkel ergibt.
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Es
hat sich gezeigt, dass viele der obigen Vorgänge und Maßnahmen über eine übliche Soundkarte vorgenommen
werden können.
Obwohl die verarbeiteten Signale nichts mit Schall oder Sound zu tun
haben, ist es doch möglich,
im Vorwärtszweig
wie im Rückwärtszweig
die Aus- bzw. Eingänge
einer Soundkarte zu verwenden. 9 zeigt
dies schematisch. 90 ist eine handelsübliche Soundkarte, die über eine
Steckerleiste 93 in den Steckplatz eines PC 96 eingeschoben
werden kann. 91 und 92 sind von außen zugängliche
Anschlüsse.
Es handelt sich hier um analoge Anschlüsse. Anschluss 91 ist
ein Ausgang, Anschluss 92 ein Eingang. 53 symbolisiert A/D-Wandler,
die hinter dem Eingang und dem Ausgang liegen. Mit 51 und 71 ist
schematisch die Ausgangssignalgenerierung gezeigt. Sie kann digital
erfolgen und wahlweise in Abhängigkeit
von der Ansteuerung durch eine Soundkartensteuerung 94 ein frequenzdiskretes
Signal (während
des Materialabtrags) oder ein Rauschsignal (während der Resonanzfrequenzermittlung)
erzeugen.
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Von
der A/D-Wandlung 53 wird das Signal aus dem Digitalen ins
Analoge gewandelt und am Ausgangsanschluss 91 bereitgestellt.
Es kann dort über
einen Stecker abgegriffen, nötigenfalls
in einem geeignet breitbandigen Verstärker 95 verstärkt und dann
an den Wandler 3 angelegt werden. Eingangsseitig (Anschluss 92)
wird das einlaufende Analogsignal (also ein Signal, das beispielsweise
die Spannung am Shunt 52 wiedergibt) zunächst ins
Digitale gewandelt, kann dann gegebenenfalls in einem Zwischenspeicher 54 zwischengespeichert
werden und dann nach Maßgabe
der Soundkartensteuerung 94 weiterverarbeitet werden. Es
kann insbesondere ein Auslesen der erzeugten Messwerte über die Steckerleiste 93 hin
zu Komponenten eines Rechnersystems 96 erfolgen, die die
erwähnten
Analysen (Fourier, Phase) vornehmen.
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Vom
Rechner 96 kann die Soundkarte über den Anschluss 93 die
ermittelten Resonanzfrequenzen und gegebenenfalls zugehörige Intensitäten empfangen,
um dementsprechend während
der Werkstückbearbeitung
ein frequenzdiskretes Ausgangssignal zu erzeugen. Die Umschaltung
zwischen frequenzdiskretem Arbeitssignal und rauschendem Messsignal
kann auch von einer übergeordneten
Steuerung jenseits der Soundkarte, also im Rechner 96,
veranlasst werden.
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Auch
eingangsseitig kann das Messsignal geformt und verarbeitet werden,
bevor es in die Soundkarte eingegeben wird, beispielsweise indem eine
Verstärkung
oder Dämpfung
oder Impedanzwandlung vorgenommen wird.
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Die
Soundkarte kann verwendet werden, obwohl die betrachteten Signale
nichts mit Schall zu tun haben. Allenfalls kann eingangs- und ausgangsseitig eine
Signalnormierung (Amplitude, Impedanz) notwendig sein. Ansonsten
können
maßgebliche
Tätigkeiten
(Erzeugen eines Rauschsignals, Erzeugen eines frequenzdiskreten
Signals, Umschalten zwischen beiden, Wandlung eines eingehenden
elektrischen Messsignals) in der Soundkarte vorgenommen werden,
ohne dass es spezialisierter Komponenten bedürfte.