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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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Die
US 5 959 390 A beschreibt eine Vorrichtung zur Abstimmung und Steuerung eines Ultraschall-Handstücks. Es wird überlagert mit Rauschen und einem Frequenzsignal beaufschlagt. Die Frequenzantwort wird einer FFT zugeführt.
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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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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 Reaktanz 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, -speichereng 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.