DE102007014635A1

DE102007014635A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallanregung von Strukturen beliebiger Geometrie zum Zweck der Verringerung von Reibung

Info

Publication number: DE102007014635A1
Application number: DE102007014635A
Authority: DE
Inventors: Jürgen KISING
Original assignee: Artech Systems AG
Current assignee: Artech Systems AG
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Verfahren zur Ultraschallanregung von Strukturen beliebiger Geometrie, umfassend die Schritte Herstellen einer Verbindung zwischen einem Generator, einem Ultraschallkonverter und mindestens einem anzuregenden mechanischen System, Durchfahren eines Frequenzbereiches zum Bestimmen eines Arbeitspunktes, wobei bei jeder angefahrenen Frequenz die Leistungsaufnahme des anzuregenden Systems einen Strom und/oder eine Spannung, die der Generator abgibt, bestimmt, die mit einem Sensor gemessen wird, so dass ein Messwert des Sensors die Leistungsabgabe an das anzuregende System wiedergibt, und Durchführen einer Ultraschallanregung an dem bestimmten Arbeitspunkt oder in einer Umgebung um den bestimmten Arbeitspunkt herum, wobei der einmal festgelegte Arbeitspunkt oder die einmal gewählte Umgebung um den Arbeitspunkt herum nicht mehr verändert wird, und Vorrichtung zur Ultraschallanregung von Strukturen beliebiger Geometrie mittels dieses Verfahrens mit einem Generator, einem Ultraschallkonverter und mindestens einer mechanischen Struktur, wobei der Generator Steuerungsmittel für Spannung, Strom und Frequenz, mittels derer diese Größen über einen gewissen Bereich variiert werden können, und mindestens einen Sensor zur Bestimmung einer die an das Gesamtsystem abgegebene Leistung widerspiegelnden Spannung und/oder eines die an das Gesamtsystem abgegebene Leistung widerspiegelnden Stroms bei einer gegebenen Frequenz aufweist und über einen Speicher zur Speicherung einerseits von durch ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallanregung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Ultraschallanregung gemäß dem Oberbegriff das Anspruchs.
In der Industrie gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, die Reibung zwischen den Teilchen und/oder den Teilchen und einem mit ihnen in Kontakt stehenden System zu verringern. Einige Beispiele für solche Anwendungen sind:

• das Ultraschallsieben, bei dem durch Ultraschallanregung des Siebgewebes der Durchsatz erheblich gesteigert werden kann. Der Durchsatz beim Ultraschallsieben hängt von der Verstopfungsneigung der Siebgewebe ab. Durch den Einsatz von Ultraschall werden die Gewebeöffnungen frei gehalten, da die Haftreibung durch die Ultraschallbewegung in die geringere Gleitreibung überführt wird und Pulverbrücken gebrochen werden.
• der Transport von Schüttgütern und Farbpulvern in Röhren oder auf Plattformen. Die durch die Ultraschallschwingung reduzierte Reibung zwischen dem Schüttgut und der Plattform oder dem Leitungsrohr reduziert. Dadurch kann der Volumenstrom besser dosiert und der Durchsatz erhöht werden.
• die Anregung von Grenzflächen zwischen sich bewegenden Teilchen oder zwischen festen und bewegten Oberflächen. Generell führt der durch den Einsatz von Ultraschall bedingte Übergang von der Haftreibung zur Gleitreibung zu einer Reduzierung des mechanischen Widerstandes und kann so den Verschleiß bzw. den Energieaufwand bei mechanischen Bewegungsprozessen reduzieren.

Nach dem Stand der Technik war es bislang üblich, zur Ultraschallanregung die Eigenschwingungsfrequenz des in Schwingung zu versetzenden mechanischen Körpers an die Konverterfrequenz anzupassen. Ein derartiges Siebsystem ist beispielsweise der DE 4418175 zu entnehmen.
Problematisch ist allerdings bei Verwendung dieses Ansatzes, dass die Abstimmung des in Schwingung zu versetzenden mechanischen Körpers auf die Konverterfrequenz schwierig und mit hohem Aufwand verbunden ist. Bereits übliche fertigungstechnische Toleranzen, insbesondere an Schweiß- oder sonstigen Verbindungsstellen, oder Schwankungen der akustischen Parameter wie E-Modul, Schallgeschwindigkeit und Dichte führen zu mechanischen Körpern mit leicht unterschiedlichen Eigenfrequenzen, die bereits so verschieden voneinander sind, dass z. B. der Betrieb mehrerer Siebe mit einem Ultraschallkonverter nach dem Stand der Technik nicht möglich ist.
Geht man zu komplexeren mechanischen Körpern über, sind deren Einzelresonanzen meist nicht mehr klar ausgeprägt bzw. man erhält ein Gebirge von Resonanzen, wie nachstehend gezeigt. Dieses Schwingungsverhalten steht prinzipiell einer durchsatzfördernden Ultraschallanregung nicht im Wege. Beispielsweise ist es aus der EP 0 567 551 B1 und der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2006 037 638 bekannt, Siebsysteme zu einer erschwungenen Schwingung ausserhalb der Resonanzfrequenz anzuregen.
Wenn trotzdem oftmals Probleme beim Betrieb ultraschallangeregten Systemen, die nicht auf die Frequenz des Ultraschallkonverters abgestimmt sind, auftreten, so ist dies eine Folge der bislang verwendeten Ultraschallgeneratortechnologie, bei der der Phasenwinkel zu Regelung des Generators herangezogen wird.
Dieses Regelungsprinzip funktioniert umso besser, je klarer der Nulldurchgang beim Vorzeichenwechsel der Phase bestimmt werden kann, das heißt insbesondere bei Resonanzsystemen mit hoher Güte, welche ihrerseits nur bei exakt abgestimmten Resonatoren ohne starke Dämpfungswirkung erzielt werden kann.
Umgekehrt werden Resonanzen, die keinen eindeutigen Nulldurchgang der Phase aufzeigen nicht erkannt und die Regelung versagt. Kommt es zur Verschlechterung der Güte oder der Phaseninformation während des Betriebes, kann es auch zu einem völligen Ausfall der Phasenregelung kommen und der Generator geht in Überlast.
Während eine Anwendung der Phasenregelung somit in Systemen sehr hoher Güte, wie sie z. B. beim Ultraschallschweißen verwendet werden müssen, durchaus vorteilhaft ist, wird diese Vorgehensweise anfällig und instabil, wenn die Güte des schwingenden Systems nicht hinreichend ist. Dementsprechend muss durch aufwändige, individuelle Anpassung des schwingenden Systems auf die angestrebte Resonanzfrequenz sichergestellt werden, dass dies der Fall ist.
Ein weiteres Problem bei einer Resonanzanregung besteht darin, dass insbesondere bei komplexen Resonanzsystemen die resultierende Resonanzamplitude nicht kontrollierbar bestimmt ist.
Dies ist problematisch, weil diese Größe die Verlustleistung bestimmt, die ihrerseits zur Erwärmung des Systems führt. Eine unkontrollierte Erwärmung als solche ist bereits in vielen Fällen nachteilig, weil ein Verbacken des Pulvers oder Schuttgutes gefördert wird. Dieses Problem verstärkt sich bei Materialien, die bereits bei niedrigen Temperaturen weich werden oder anfangen zu schmelzen.
Darüber hinaus ist die Güte des angeregten Systems temperaturabhängig. Bei Resonanzanregung ist es daher möglich, dass die Resonanzamplitude die Güte verbessert, was wiederum zu einer höheren Resonanzamplitude und damit zu einer weiteren Erwärmung führt, die die Güte weiter verbessert.
Ausgehend von diesem Stand der Dinge stellt sich das Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallanregung bereitzustellen, womit bei Kontrolle über die Erwärmung des Systems die Anregung beliebig komplexer Strukturen und insbesondere auch mehrerer Siebe ermöglicht werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass es vorteilhaft ist, Schwingungsfrequenz und -amplitude des Ultraschallkonverters mit Hilfe der Generatorregelung an das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems anzupassen statt zu versuchen, das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems an eine Eigenfrequenz des Ultraschallkonverters anzupassen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dementsprechend nach einem ersten Schritt des Herstellens der Verbindung zwischen Generator, Ultraschallkonverter und den mit Ultraschall anzuregenden Systemen in einem zweiten Schritt der Arbeitspunkt des Systems durch Variation des (Generator-)Parameters Frequenz des Generators über einen spezifischen Bereich und durch Messung des Stroms und/oder der Spannung, der/die durch die Leistungsaufnahme bei dem aktuellen Frequenzwert bestimmt ist, gesucht und festgesetzt. Die Ultraschallanregung erfolgt dann in einem dritten Verfahrensschritt an dem Arbeitspunkt oder in seiner Umgebung, wobei der einmal festgesetzte Arbeitspunkt nicht mehr nachgesteuert wird.
Als den Suchbereich definierende Parameter haben sich ein Frequenzbereich von 33 bis 37 kHz bei Strömen zwischen 0 und 0,5 A und Spannungen zwischen 0 und 600 V besonders bewährt, wobei die bevorzugte Schrittweite 500 μsec ist.
Vorteilhafterweise verwendet man als Kriterium zur Auswahl des Arbeitspunktes die mit der Schwingungsamplitude des angeregten Systems korrelierte an das Gesamtsystem abgegebene Leistung (Verlustleistung), von der auch die Erwärmung des Systems abhängt. Mit der Definition eines angestrebten Wertes der an das System abgegebenen Leistung, zu dem dann der passende Arbeitspunkt bestimmt wird, erhält man wegen der Abhängigkeit der Erwärmung des Systems von der an das Gesamtsystem abgegebenen Leistung zugleich Kontrolle über thermische Effekte auf das zu bewegende oder zu siebende Material.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, den Arbeitspunkt mit der höchsten an das Gesamtsystem abgegebenen Leistung zu verwenden. In diesem Fall wird beim Durchfahren der Generatorparameter des Suchbereiches jeweils der aktuelle Wert der an das Gesamtsystem abgegebenen Leistung bestimmt, mit dem gespeicherten bisher höchsten Wert verglichen und dann zusammen mit den zu seiner Erreichung führenden Generatorparametern gespeichert, wenn der Wert höher ist als der bisher höchste Wert.
Es ist aber auch die benutzerdefinierte Vorgabe eines anderen Sollwertes möglich, dem die an das Gesamtsystem abgegebenen Leistung möglichst nahe kommen soll, was insbesondere, wenn das System mit temperaturempfindlichen Materialien arbeiten soll, vorteilhaft sein kann.
In diesem Fall wird vorteilhafterweise beim Durchfahren des Frequenzbereiches vor dem Vergleich mit dem bisher besten Wert der Sollwert von der an das Gesamtsystem abgegebenen Leistung abgezogen und der Wert dann gemeinsam mit den Generatorparametern, mit denen er erreicht wird, als neuer bester Wert abgespeichert, wenn die Differenz zwischen Sollwert und für den gegebenen Generatorparametersatz bestimmtem Wert kleiner ist als der bisherige beste Wert.
In einer wegen ihrer hohen Effizienz besonders zu bevorzugenden Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere anzuregende Strukturen gleichzeitig mittels eines einzigen Generators und eines einzigen Ultraschallkonverters angeregt. Nach dem Stand der Technik ist dies in der Regel nicht möglich, da fertigungstechnische Variationen und Variation der akustischen Parameter der anzuregenden mechanischen Körper ausreichen, um deren Resonanzfrequenzen gegeneinander zu verschieben, was wiederum zu einem Phasenverhalten des Gesamtsystems führt, das zum Versagen von Generatoren mit Phasenregelung führt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Vorgehensweise, die insbesondere von Interesse sein kann, wenn sich bei der gemeinsamen Anregung mehrerer anzuregender Strukturen gravierende Unterschiede hinsichtlich der Effizienz der Anregung ergeben, wird die Betriebsfrequenz beim Betrieb in einem bestimmten Bereich um den Arbeitspunkt herum variiert.
Diese Vorgehensweise kann zu einem Ausgleich der Effizienzen führen.
Für hohe Stabilität der Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, den Generator unterhalb seiner Nennleistung zu betreiben.
Es hat sich als sinnvoll erwiesen, die Leistungsabgabe des Generators während der Suche nach dem Arbeitspunkt zu drosseln, so dass der Generator während der Suche nach dem Arbeitspunkt weniger Leistung bereitstellt als beim folgenden Betrieb an diesem Arbeitspunkt. Dadurch wird eine Beschädigung des Systems, wenn bei der Frequenzvariation eine Resonanz mit hoher Güte getroffen wird, verhindert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist, wie ein konventionelles System zur Anregung mittels Ultraschall, einen Generator, einen Ultraschallkonverter und mindestens eine anzuregende mechanische Struktur auf. Der Generator weist Mittel zur Variation der Anregungsfrequenz über einen Frequenzbereich zwischen 33 und 37 kHz sowie Bereitstellung von Strömen zwischen 0 und 0,5 A und Spannungen zwischen 0 und 600 V auf. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß mindestens ein Sensor zur Messung der bei einer gegebenen Anregungsfrequenz auftretenden Spannungs- und Stromwerte vorgesehen aus dessen Messdaten die an das Gesamtsystem abgegebenen Leistung bestimmt wird.
Weiter umfasst das erfindungsgemäße System einen Speicher, in dem einerseits von einem Nutzer eingebbare angestrebte Werte für die Verlustleistung abgespeichert werden können und andererseits Parameterwerte, für die die angestrebten Werte erreicht oder bestmöglicht erreicht werden, gespeichert werden können.
Dabei ist die Verwendung eines Ultraschallkonverters, der für große Amplituden ausgelegt ist, um den Wegfall des für den Betrieb in Resonanzfrequenz des Ultraschallkonverters typischen Aufschaukelns der Resonanzamplitude zu kompensieren, notwendig. Für viele Anwendungen hat sich hier eine typische Amplitude von 6 μm Spitze-Spitze als ausreichend herausgestellt.
Anhand der folgenden Figur soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail diskutiert werden. Es zeigt:
1: Ergebnis einer Frequenzanalyse eines gekoppelten Systems
Die unten in der 1 gezeigte Phasenwinkelkurve 100 zeigt eine Messung eines Phasenwinkels als Funktion einer Anregungsfrequenz für ein angeregtes gekoppeltes mechanisches System. Gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Schwingungsanregung müsste ein stabiler Nulldurchgang des Phasenwinkels in dieser Kurve identifiziert werden, um die erwünschte Anregung in einer Eigenfrequenz durchführen zu können. Ein Blick auf die Kurve 100 zeigt dem Fachmann, dass eine auf diesem Regelungsprinzip basierende Anregung des Systems nicht möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umgeht diese Problematik durch die Verwendung eines anderen Regelungskriteriums. Zur Auswahl des Arbeitspunktes, an dem gearbeitet werden soll, wird die Frequenz schrittweise zwischen 33 kHz und 37 kHz variiert. Es ergibt sich für jede so ausgewählte Frequenz ein Strom und/oder eine Spannung des Generators aus der vom System aufgenommenen Gesamtleistung. Der mit einem Sensor gemessene Wert dieses Stroms und/oder dieser Spannung wird verwendet, um die bei dieser Frequenz an das anzuregende System abgegebene Leistung als Verlustleistung zu bestimmen.
Eine Vorgehensweise dazu kann darin bestehen, dass zunächst bei allen Frequenzen die Spannung konstant gehalten wird, während der Strom mit der Leistungsaufnahme des Systems steigt oder fällt.
Auf diese Weise wird die in 1 gezeigte Verlustleistungskurve 200, die die an das Gesamtsystem abgegebene Verlustleistung als Funktion der Anregungsfrequenz zeigt, bestimmt. Als Kriterium zur Auswahl des Arbeitspunktes, bei dem der Generator dann betrieben wird, wird in der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verwendet, dass der bevorzugte Arbeitspunkt derjenige ist, bei der die höchste abgegebene Verlustleistung auftritt. Dieser Punkt 300 ist auch bei dem komplexen angeregten System leicht zu bestimmen.
An dem so bestimmten Arbeitspunkt erfolgt dann der Betrieb des ultraschallangeregten Systems. Bei Anregung mehrerer Strukturen wird die Frequenz vorteilhafterweise kontinuierlich um den festgehaltenen Arbeitspunkt herum durchgefahren (gesweept).

100: Phasenwinkelkurve
200: Verlustleistungskurve
300: Arbeitspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4418175 [0003]
- EP 0567551 B1 [0005]
- DE 102006037638 [0005]

Claims

Verfahren zur Ultraschallanregung von Strukturen beliebiger Geometrie, umfassend die Schritte: a) Herstellen einer Verbindung zwischen einem Generator, einem Ultraschallkonverter und mindestens einem anzuregendem mechanischem System b) Durchfahren eines Frequenzbereiches zum Bestimmen eines Arbeitspunktes, wobei bei jeder angefahrenen Frequenz die Leistungsaufnahme des anzuregenden Systems einen Strom und/oder eine Spannung, die der Generator abgibt, bestimmt, die mit einem Sensor gemessen wird, so dass ein Messwert des Sensors die Leistungsabgabe an das anzuregende Systems wiedergibt c) Durchführen einer Ultraschallanregung an dem bestimmten Arbeitspunkt oder in einer Umgebung um den bestimmten Arbeitspunkt herum, wobei der einmal festgelegte Arbeitspunkt oder die einmal gewählte Umgebung um den Arbeitspunkt herum nicht mehr verändert wird.
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Spannung zwischen 0 und 600 V bei der Bestimmung des Arbeitspunktes verwendet wird.
Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Strom zwischen 0 und 0,5 A bei der Bestimmung des Arbeitspunktes verwendet wird.
Verfahren gemäss einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzbereich zwischen 33 und 37 kHz zur Bestimmung des Arbeitspunktes durchfahren wird.
Verfahren gemäß einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium für die Auswahl des Arbeitspunktes im Verfahrensschritt b) die an das anzuregende System abgegebene Leistung verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verfahrensschritt b) bestimmte Arbeitspunkt derjenige ist, bei dem die höchste an das anzuregenden System abgegebene Leistung erreicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) beim Durchfahren des Frequenzbereiches jeweils ein aktueller Wert der an das anzuregende System abgegebenen Leistung bestimmt wird, mit einem gespeicherten bisher höchsten Wert verglichen wird und dann zusammen mit den zu seiner Erreichung führenden Spannungs- und/oder Strom- und Frequenzwerten gespeichert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verfahrensschritt b) bestimmte Arbeitspunkt derjenige ist, bei dem ein Wert der an das anzuregende System abgegebenen Leistung erreicht wird, der einem vorgegebenen Sollwert am nächsten kommt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchfahren Frequenzbereiches der Sollwert von der an das anzuregende System abgegebenen Leistung abgezogen und der dabei erhaltene Wert dann gemeinsam mit dem Spannungs- und/oder Strom- und Frequenzwert, bei dem er erreicht wird, als neuer bester Wert abgespeichert wird, wenn der durch Differenzbildung erhaltene Wert kleiner ist als der bisher gespeicherte beste Wert.
Verfahren gemäss einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt c) mehrere mechanische Systeme gleichzeitig angeregt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschritts c) die Frequenz des Generators um einen bestimmten Bereich um den festgehaltenen Arbeitspunkt herum variiert wird.
Verfahren gemäß einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator während des Verfahrensschritts c) unterhalb seiner Nennleistung betrieben wird.
Verfahren gemäß einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator während des Verfahrensschritts b) an jedem Punkt, insbesondere auch am Arbeitspunkt, mit einer geringeren Leistungsabgabe betrieben wird als während des Verfahrensschritts c).
Vorrichtung zur Ultraschallanregung von Strukturen beliebiger Geometrie mittels eines Verfahrens gemäß eines der Ansprüche 1 bis 12 mit einem Generator, einem Ultraschallkonverter und mindestens einer mechanischen Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator Steuerungsmittel für Spannung, Strom und Frequenz, mittels derer diese Größen über einen gewissen Bereich variiert werden können und mindestens einen Sensor zur Bestimmung einer die an das Gesamtsystem abgegebene Leistung wiederspiegelnden Spannung und/oder eines die an das Gesamtsystem abgegebene Leistung wiederspiegelnden Stroms bei einer gegebenen Frequenz aufweist und über einen Speicher zur Speicherung einerseits von durch einen Benutzer eingegebenen Sollwerten für die an das Gesamtsystem abgegebenen Leistung und andererseits von Parameterwerten für Spannung, Strom und Frequenz, bei denen die angestrebten Sollwerte erreicht oder bestmöglich angenähert werden, verfügt.