DE102012219957A1 - Ultraschallschweisssystem mit dynamischer Druckregelung - Google Patents

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John Patrick Spicer
Benjamin R. Christian
Jeffrey A. Abell
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Abstract

Ein Ultraschallschweißsystem zum Befestigen eines ersten Werkstückes an einem zweiten Werkstück umfasst eine Schweißanordnung und eine Belastungsanordnung, die benachbart zu der Schweißanordnung angeordnet ist. Die Schweißanordnung umfasst einen Ultraschallcontroller, einen Ultraschallwandler und eine Schweißspitze. Der Ultraschallwandler ist ausgestaltet, um in Ansprechen auf ein von dem Ultraschallcontroller empfangenes elektrisches Signal eine Ultraschallschwingung auf die Schweißspitze zu übertragen. Die Belastungsanordnung ist ausgestaltet, um zwischen der Schweißspitze und dem ersten Werkstück eine Druckbelastung zu erzeugen, und umfasst einen ersten Aktuator und einen zweiten Aktuator. Der erste Aktuator ist ausgestaltet, um eine im Wesentlichen konstante Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden, und der zweite Aktuator ist ausgestaltet, um eine dynamisch variable Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Ultraschallschweißsystem mit einer dynamischen Druckregelung.
  • HINTERGRUND
  • Ultraschallschweißen ist der Prozess des Verschmelzens zweier Werkstücke mithilfe von akustischen Ultraschallschwingungen. Ultraschallschweißen kann sowohl für harte als auch weiche Kunststoffe wie z. B. teilkristalline Kunststoffe und Metalle verwendet werden. Typischerweise befinden sich die Materialien zwischen einer Schweißspitze, auch als eine Sonotrode oder ein Horn bezeichnet, und einem Amboss. Die Schweißspitze überträgt die Ultraschallschwingungen auf die Werkstücke, was die Werkstücke um den Kontaktpunkt herum lokal schmilzt oder umwandelt. Diese lokale Materialumwandlung ist eine Folge dessen, dass die Werkstücke die Schwingungsenergie absorbieren. Die Fügestelle kann entweder durch Verschmelzen oder kovalente Bindungen in dem Fall von verschiedenartigen Metallen infolge der zugeführten Energie gebildet werden, welche die Frequenz und die Amplitude der Schwingungen, die Oberflächeneigenschaften der Fügematerialien und den an der vorgesehenen Fügestelle angewendeten Druck umfasst.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Ultraschallschweißsystem zum Befestigen eines ersten Werkstückes an einem zweiten Werkstück umfasst eine Schweißanordnung und eine Belastungsanordnung, die benachbart zu der Schweißanordnung angeordnet ist. Die Schweißanordnung kann einen Ultraschallcontroller, einen Ultraschallwandler und eine Schweißspitze umfassen. Der Ultraschallwandler kann ausgestaltet sein, um in Ansprechen auf ein von dem Ultraschallcontroller empfangenes elektrisches Signal eine Ultraschallschwingung auf die Schweißspitze zu übertragen. Die Belastungsanordnung kann dann ausgestaltet sein, um zwischen der Schweißspitze und dem ersten Werkstück eine Druckbelastung zu erzeugen, und umfasst einen ersten Aktuator und einen zweiten Aktuator. Der erste Aktuator ist ausgestaltet, um eine im Wesentlichen konstante Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden, und der zweite Aktuator ist ausgestaltet, um eine dynamisch variable Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden.
  • In einer Ausgestaltung kann der erste Aktuator ein pneumatischer Aktuator sein und der zweite Aktuator kann ein piezoelektrischer Aktuator sein, die z. B. in einer Reihengruppierung mit der Schweißanordnung angeordnet sein können. Die Belastungsanordnung kann ferner einen Druckregler umfassen und der piezoelektrische Aktuator kann ausgestaltet sein, um die dynamisch variable Belastung in Ansprechen auf ein von dem Druckregler bereitgestelltes elektrisches Signal auf die Schweißanordnung anzuwenden. Der Druckregler kann ausgestaltet sein, um dieses elektrische Signal in Ansprechen auf eine Angabe der Echtzeitleistung des an den Ultraschallwandler bereitgestellten elektrischen Signals an den piezoelektrischen Aktuator bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann der Druckregler ausgestaltet sein, um das an den piezoelektrischen Aktuator bereitgestellte elektrische Signal zu variieren, sodass die Leistung des an den Ultraschallwandler bereitgestellten elektrischen Signals einer vordefinierten Leistungskurve folgt.
  • Der Ultraschallcontroller kann ausgestaltet sein, um die Leistung des an den Ultraschallwandler bereitgestellten elektrischen Signals zu variieren, sodass der Ultraschallwandler eine Ultraschallschwingung mit einer im Wesentlichen konstanten Frequenz erzeugt. Die Ultraschallschwingung kann eine Frequenz innerhalb des Bereiches von etwa 5 kHz bis etwa 100 kHz aufweisen. Gleichermaßen kann das von dem Druckregler bereitgestellte elektrische Signal mit einer Rate von mehr als dem Doppelten der Frequenz der Ultraschallschwingung aktualisiert werden.
  • Überdies kann ein Verfahren zum Ausführen eines Ultraschallschweißbetriebes mit einer dynamischen Schweißdrucksteuerung umfassen, dass ein erster Aktuator betätigt wird, um eine Schweißspitze einer Ultraschallschweißanordnung translatorisch in einen Kontakt mit einem Werkstück zu verschieben, und eine Druckbelastung zwischen der Schweißspitze und dem Werkstück übertragen wird. Dann kann in der Schweißspitze eine Ultraschallschwingung mit einer festen Frequenz erzeugt werden, indem an einen mit der Schweißspitze gekoppelten Ultraschallwandler ein elektrisches Signal mit einer messbaren Leistung bereitgestellt wird. Die Echtzeitleistung des elektrischen Signals kann überwacht werden und es kann ein zweiter Aktuator in Ansprechen auf die überwachte Echtzeitleistung des elektrischen Signals betätigt werden. Die Betätigung des zweiten Aktuators kann ausgestaltet sein, um die Druckbelastung zwischen der Schweißspitze und dem Werkstück zu variieren.
  • Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Ultraschallschweißsystems, welches eine Schweißanordnung und eine Einspannanordnung umfasst.
  • 2 ist eine Vergrößerung des Bereiches „2”, wie in 1 bereitgestellt.
  • 3 ist ein Graph der tatsächlichen und der gewünschten Schweißleistung während eines Ultraschallschweißprozesses.
  • 4 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen eines Ultraschallschweißbetriebes, welcher eine dynamische Drucksteuerung verwendet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um ähnliche oder identische Komponenten in den verschiedenen Ansichten zu bezeichnen, veranschaulicht 1 schematisch ein Ultraschallschweißsystem 10, welches ausgestaltet ist, um ein erstes Werkstück 12 an einem Bereich nahe einer Ultraschallschweißspitze 16 an ein zweites Werkstück 14 zu schweißen. In einer Ausgestaltung können die Werkstücke 12, 14 allgemein Dünnbleche sein. In anderen Ausgestaltungen können die Werkstücke 12, 14 Kunststoffkomponenten oder Drähte sein.
  • Während einer Schweißprozedur kann die Schweißspitze 16 eine quer gerichtete Druckbelastung 18 oder eine Normalkraft auf das erste Werkstück 12 anwenden. In einer Ausgestaltung kann die Druckbelastung 18 das erste Werkstück 12 gegen das zweite Werkstück 14 pressen oder klemmen. In anderen Ausgestaltungen können sekundäre Einspannvorrichtungen verwendet werden, um die Werkstücke 12, 14 in einer vorübergehend starren Anordnung relativ zueinander zu halten, während die Schweißnaht gebildet wird. Es kann ein Amboss 20 an einer der Schweißspitze 16 gegenüberliegenden Seite der Werkstückanordnung 12, 14 angeordnet sein, welcher die angewendete Druckbelastung 18 davon abhalten kann, die Werkstücke 12, 14 zu verbiegen oder sonst wie zu verformen. Anders ausgedrückt können die Werkstücke 12, 14 zwischen der Schweißspitze 16 und einem Amboss 20 angeordnet sein.
  • Ein Ultraschallwandler 24 kann eine periodische Schwingbewegung 26 in einer Richtung, die allgemein koplanar mit der Fläche 28 des ersten Werkstückes 12 ist, auf die Schweißspitze 16 übertragen. Im Spezielleren kann die Schwingbewegung 26 eine allgemein lineare Oszillation entlang der Fläche 28 sein. Die Schwingbewegung 26 kann eine im Wesentlichen konstante periodische Frequenz aufweisen, welche innerhalb des Bereichs von etwa 5 kHz bis etwa 100 kHz liegt. In einem speziellen Beispiel, in dem die Werkstücke aus Metall bestehen, kann die Frequenz der Schwingbewegung 26 z. B. etwa 20 kHz betragen.
  • Der Ultraschallwandler 24 kann ein piezoelektrisches Material umfassen, welches die mechanische Bewegung 26 in Ansprechen auf ein elektrisches Signal 30 erzeugt. In einer Ausführungsform kann ein mechanischer Verstärker 32 in einer Reihengruppierung zwischen dem Wandler 24 und der Schweißspitze 16 positioniert sein. Der mechanische Verstärker 32 kann speziell ausgestaltet sein, um bei der eingestellten Frequenz des Ultraschallwandlers 24 (oder umgekehrt) mitzuschwingen. Durch Abstimmen des Verstärkers 32 auf die Frequenz des Wandlers 24 können kleine durch den Wandler 24 erzeugte Bewegungen durch den Verstärker 32 in der Größe verstärkt werden, und diese können dann, z. B. über einen Schaft 34, auf die Schweißspitze 16 übertragen werden.
  • Während die in 1 vorgesehene Schweißspitze 16 als ein keilförmiges Element gezeigt ist, wird in Erwägung gezogen, dass viele andere Schweißspitzenbauarten verwendet werden können. Die Schweißspitze 16 kann z. B. eine/n Kontaktfläche oder -steg umfassen, welche/r allgemein derart ausgestaltet ist, dass sie/er mit dem ersten Werkstück 12 über einer Fläche in Kontakt steht. In solch einer Ausgestaltung kann die Kontaktfläche eine aufgeraute, reibungsfördernde Oberflächenstruktur aufweisen, welche eine Vielzahl von Kontaktunebenheiten und/oder vorstehenden Keilen, Kegeln oder Pyramiden (d. h. vorstehende Merkmale) umfassen kann. Während einer Schweißprozedur kann die angewendete Druckbelastung 18 bewirken, dass die vorstehenden Merkmale der Schweißspitze 16, und sei es nur auf der molekularen Ebene, auf die Fläche 36 des ersten Werkstückes 12 treffen.
  • Wie allgemein in 2 veranschaulicht, kann während der induzierten Schwingbewegung 26 der Schweißspitze 16 eine Reibungskraft 42 in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Fläche 36 erzeugt werden. Außerdem kann die abgewinkelte Kontaktfläche 40 der Spitze 16 infolge der Bewegung 26 eine Hubkraft 44 quer zu der Fläche 36 übertragen. Wie einzusehen sein wird, können diese Kräfte 42, 44 auf der Basis der momentanen Größe der Schwingbewegung 26 dynamisch variieren. Die Hubkraft 44 kann der angewendeten Druckbelastung 18 entgegenwirken, was die Reibungskraft 42 und/oder -energie, welche in das Werkstück 12 hinein übertragen wird/werden, entsprechend dämpfen kann.
  • Zusätzlich zu dynamischen Veränderungen der Reibungskräfte 42 aufgrund der resultierenden variablen Kontaktdruckbelastung (d. h. der angewendeten Druckbelastung 18 abzüglich jeglicher dynamischer Hubkräfte 44) kann die Reibungskraft 42 infolge von Änderungen in den Materialeigenschaften des ersten Werkstückes 12 variieren. Zum Beispiel kann, da die ultraschalltechnisch angewendeten Reibungskräfte 42 das Werkstück 12 lokal erwärmen, dieses weich werden, was das Vermögen der Spitze 16, Ultraschallenergie in das Werkstück 12 hinein zu übertragen, verändern kann.
  • Erneut Bezug nehmend auf 1 kann ein Ultraschallcontroller 50 verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Frequenz der mechanischen Schwingbewegung 26 konstant bleibt, wenn sie mit einer dynamisch variablen Widerstandskraft (d. h. den Reibungskräften 42) konfrontiert ist. Wie oben erläutert ist diese konstante Frequenz zumindest für die einwandfreie Funktion des mechanischen Verstärkers 32 notwendig. Während des Betriebes kann der Ultraschallcontroller 50 versuchen, ein elektrisches Signal 30 mit konstanter Frequenz auszugeben, indem er die Leistung des Signals 30 moduliert. Diese Modulation kann in der Art eines geschlossenen Regelkreises erfolgen, wobei der Controller 50 die Echtzeitfrequenz über eine Rückkopplungsschleife 52 konstant überwacht. Dann kann der Controller 50 die Leistung des elektrischen Signals 30 dynamisch anpassen, um jegliche Abweichung zwischen der tatsächlichen, erfassten Frequenz und der gewünschten Frequenz zu eliminieren.
  • Der Ultraschallcontroller 50 kann als ein/e oder mehrere digitale Computer oder Datenverarbeitungsvorrichtungen realisiert sein, welche/r jeweils eine/n oder mehrere Mikroprozessoren oder Zentralrecheneinheiten (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM), einen mehrfach programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, eine Analog/Digital(A/D)-Schaltung, eine Digital/Analog(D/A)-Schaltung, eine Eingangs/Ausgangs(E/A)-Schaltung, (eine) Leistungselektronik/transformatoren und/oder eine Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen. Die einzelnen Steuerungsroutinen/systeme, die in dem Ultraschallcontroller 50 vorhanden oder dadurch leicht zugänglich sind, können im ROM oder an/in einem/r anderen geeigneten physischen Speicherplatz und/oder Speichervorrichtung gespeichert und durch die zugehörigen Hardwarekomponenten des Controllers 50 automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerungsfunktionalität bereitzustellen.
  • Der Ultraschallcontroller 50, der Ultraschallwandler 24, der mechanische Verstärker 32, der Schaft 34 und die Schweißspitze 16 können allgemein die Ultraschallschweißanordnung 60 umfassen. Benachbart zu der Ultraschallschweißanordnung 60 kann sich eine Belastungsanordnung 62 befinden, welche ausgestaltet ist, um die Anwendung der quer gerichteten Druckbelastung 18 zwischen der Schweißspitze 16 und dem ersten Werkstück 12 zu erzeugen und zu steuern. Wie erläutert wird, kann die Belastungsanordnung 62 allgemein ausgestaltet sein, um die Schweißspitze 16 translatorisch zu verschieben, bis ein Schwellenkontakt zwischen der Spitze 16 und dem ersten Werkstück 12 hergestellt ist. Danach kann sie die angewendete Druckbelastung 18 dynamisch verfeinern, um variable Hubkräfte 44 und/oder sich ändernde Materialzustände zu berücksichtigen.
  • Die Belastungsanordnung 62 kann einen ersten Aktuator 64 und einen zweiten Aktuator 66 umfassen, welche in einer Reihengruppierung mit der Schweißanordnung 60 angeordnet sind. In einer Ausführungsform kann der erste Aktuator 64 für eine Bewegung mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude ausgestaltet sein. Im Vergleich dazu kann der zweite Aktuator 66 für eine Bewegung mit hoher Frequenz und niedriger Amplitude ausgestaltet sein. In dieser Ausgestaltung kann der erste Aktuator 64 verwendet werden, um die Schweißspitze 16 in Kontakt mit dem ersten Werkstück 12 zu bewegen und eine stationäre Druckbelastung 18 zu erzeugen. Danach kann der zweite Aktuator 66 verwendet werden, um dynamischen/transienten Druckbelastungsänderungen entgegenzuwirken, welche auf die Ultraschallschwingungen 26 zurückgeführt werden können, aber zu schnell sein können, um durch den ersten Aktuator 64 kompensiert zu werden. Anders ausgedrückt kann der erste Aktuator 64 für stationäre translatorische Bewegungen der Schweißanordnung 60 ausgestaltet sein, während der zweite Aktuator 66 für dynamische Hochgeschwindigkeits-Anpassungen ausgestaltet sein kann.
  • Wie in 1 veranschaulicht, kann z. B. der erste Aktuator 64 ein pneumatischer Aktuator 65 sein und der zweite Aktuator 66 kann ein piezoelektrischer Aktuator 67 sein. Der pneumatische Aktuator 65 kann einen bewegbaren Kolben 70 und eine Druckstange 72 umfassen, die ausgestaltet sind, um sich in einer Richtung 74 im Wesentlichen quer zu dem ersten Werkstück 12 translatorisch zu verschieben. Der pneumatische Aktuator 65 kann nach Empfang eines elektrischen Signals 78 von dem Druckregler 68 ausfahren. Alternativ können andere Vorrichtungen/Betätigungseinrichtungen verwendet werden, um den pneumatischen Aktuator 65 zu betätigen. Wenngleich nicht gezeigt, kann der pneumatische Aktuator 65 beliebige Druckreservoirs, Pumpen, Ventile und/oder Steuerungsschaltungen umfassen, welche notwendig sein können, um solch eine Betätigung nach Empfang des elektrischen Signals 78 zu bewirken.
  • Der piezoelektrische Aktuator 67 kann zwischen der Druckstange 72 und der Schweißanordnung 60 angeordnet sein und kann ausgestaltet sein, um in Ansprechen auf ein von dem Druckregler 68 bereitgestelltes elektrisches Betätigungssignal 82 in einer Dimension 80 quer zu dem Werkstück 12 auszufahren und sich zurückzuziehen. Piezoelektrische Aktuatoren wie z. B. der veranschaulichte sind, wenngleich nur über kurze Hublängen (z. B. weniger als 100 Mikrometer), allgemein in der Lage, kraftvolle hochpräzise Betätigungsreaktionen zu produzieren. Außerdem können sie, da die Ansprechzeit von piezoelektrischen Aktuatoren äußerst kurz (z. B. zu einer Betätigung über 10 MHz fähig) ist, geeignet sein, die durch die Schweißspitze 16 angewendete Druckbelastung 18 mehrere Male innerhalb eines Ultraschallzyklus dynamisch anzupassen (z. B. kann die Aktualisierungsgeschwindigkeit des durch den piezoelektrischen Aktuator 67 angewendeten Drucks mehr als das Doppelte der Ultraschallschwingungsfrequenz betragen).
  • Der Druckregler 68 kann die angewendete Druckbelastung 18 dynamisch modulieren, indem er die Betätigung des piezoelektrischen Aktuators 67 über das elektrische Betätigungssignal 82 steuert. In einer Ausführungsform kann der Druckregler 68 die angewendete Druckbelastung 18 in Ansprechen auf eine Angabe der Leistung 90 des an den Ultraschallwandler 24 bereitgestellten elektrischen Signals 30 modulieren, welches von dem Ultraschallcontroller 50 an den Druckregler 68 bereitgestellt werden kann. Im Spezielleren kann der Druckregler 68 die angewendete Druckbelastung 18 über den piezoelektrischen Aktuator 67 derart modulieren, dass die Leistung des an den Ultraschallwandler 24 bereitgestellten elektrischen Signals 30 einem vordefinierten Leistungskurvenverlauf 92 folgt, wie z. B. allgemein in 3 dargestellt (wobei die Leistung auf der vertikalen Achse 94 dargestellt ist und die Zeit auf der horizontalen Achse 96 dargestellt ist). Der vordefinierte Leistungskurvenverlauf 92 kann in einem Speicher 98 gespeichert sein, welcher dem Druckregler 68 zugeordnet ist (wie in 1 gezeigt).
  • Während die Leistung des an den Ultraschallwandler 24 bereitgestellten elektrischen Signals 30 direkt mit der in die Schweißnaht eingespeisten Leistung in Beziehung steht, wie oben beschrieben, wird sie durch den Ultraschallcontroller 50 separat gesteuert, um eine konstante erzeugte Frequenz aufrechtzuerhalten. Durch Anpassen der angewendeten Druckbelastung 18 kann der Druckregler 68 jedoch die Menge der in das Werkstück 12 hinein übertragenen Leistung effektiv modulieren, um so die an den Ultraschallwandler 24 bereitgestellte Leistung indirekt zu beeinflussen. Diese dynamische Anpassung kann in der Art eines geschlossenen Regelkreises ausgeführt werden, indem die Angabe 90 der aktuellen Leistung des (von dem Ultraschallcontroller bereitgestellten) Signals 30 mit dem vordefinierten Kurvenverlauf 92 verglichen wird. Während herkömmliche PID-Regelkreise verwendet werden können, um das Ansprechverhalten des piezoelektrischen Aktuators 67 dynamisch zu steuern, können ebenso andere höher entwickelte prädiktive Steuerungsverfahren verwendet werden, um die Hochfrequenzdynamik zu berücksichtigen.
  • Der Druckregler 68 kann als ein/e oder mehrere digitale Computer oder Datenverarbeitungsvorrichtungen realisiert sein, die jeweils eine/n oder mehrere Mikroprozessoren oder Zentralrecheneinheiten (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM), einen mehrfach programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, eine Analog/Digital(A/D)-Schaltung, eine Digital/Analog(D/A)-Schaltung, eine Eingangs/Ausgangs(E/A)-Schaltung, (eine) Leistungselektronik/transformatoren und/oder eine Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen. Die einzelnen Steuerungsroutinen/systeme, die in dem Druckregler 68 vorhanden oder dadurch leicht zugänglich sind, können im ROM oder an/in einem/r anderen geeigneten physischen Speicherplatz und/oder Speichervorrichtung gespeichert und durch die zugehörigen Hardwarekomponenten des Controllers 68 automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerungsfunktionalität bereitzustellen.
  • Bezug nehmend auf 3 kann die tatsächliche Leistung 100 durch dynamisches Steuern der angewendeten Druckbelastung 18 der/dem vordefinierten Leistungskurve/kurvenverlauf 90 genauer folgen als in einer ähnlichen Ausgestaltung, welche keine dynamische Drucksteuerung verwendet (d. h., die Kurve 102). Dieses genaue Nachfolgen der vordefinierten Kurve 90 kann für eine besser vorhersagbare Schweißnaht sorgen, insbesondere da die Qualität der Schweißnaht stark von der Rate der anfänglichen Leistungseinspeisung (d. h., dem Anstieg 104) und der Gesamtenergie, welche auf das Werkstück 12 übertragen wird (d. h. der Fläche 106 unter der Leistungskurve 90) abhängig ist.
  • In anderen Ausgestaltungen kann die angewendete Druckbelastung 18, anstatt einer/m vordefinierten Leistungskurve/kurvenverlauf zu folgen, wie in 3 gezeigt, dynamisch gesteuert werden, um, z. B. durch Überwachen eines dem Horn oder Amboss zugehörigen Kraftmesszellen- oder Kraftsensors, einer vordefinierten Kraft/Druckkurve zu folgen. Alternativ könnte die Betätigung des piezoelektrischen Wandlers 67 in einer dritten Ausgestaltung betätigt werden, um einer vordefinierten Auslenkungskurve, wie durch einen Wegsensor wie z. B. einem linear verstellbaren Differentialtransformator (LVDT, vom engl. Linear Variable Differential Transformer) gemessen, zu folgen.
  • Die dynamische Steuerung des piezoelektrischen Aktuators 67 kann ferner ausgestaltet sein, um die angewendete Druckbelastung 18 in dem Fall zu reduzieren, dass ein Störungs- oder Fehlerzustand detektiert wird. Wenn z. B. die tatsächliche Leistung 100 nicht anspricht wie erwartet, kann der Druckregler 68 den piezoelektrischen Aktuator 67 anweisen, die angewendete Druckbelastung 18 zu reduzieren, um zu vermeiden, dass das Werkstück beschädigt wird.
  • 4 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren 120 zum Ausführen eines Ultraschallschweißbetriebes mit einer dynamischen Druckregelung. Wie gezeigt kann das Verfahren 120 beginnen, indem der erste Aktuator 64 betätigt wird, um die Schweißspitze 16 in Kontakt mit einem ersten Werkstück 12 zu bringen, sodass die Spitze 16 eine anfängliche stationäre Druckbelastung 18 gegen das Werkstück 12 anwenden kann (Schritt 122). Das Verfahren 120 kann dann umfassen, dass eine Ultraschallschwingung 26 mit einer festen Frequenz erzeugt wird (Schritt 124), z. B. indem ein elektrisches Signal 30 mit einer messbaren Leistung an einen Ultraschallwandler 24 bereitgestellt wird (Schritt 126), und der Ausgang des Wandlers 24 mithilfe eines mechanischen Verstärkers 32 verstärkt wird (Schritt 128). Während das System 10 die Ultraschallschwingung 26 erzeugt, kann das Verfahren 120 ferner umfassen, dass die Echtzeitleistung des elektrischen Signals 30 überwacht wird (Schritt 130) und ein zweiter Aktuator 66 in einer gesteuerten Weise betätigt wird, um die Druckbelastung 18 zwischen der Schweißspitze 16 und dem Werkstück 12 zu modulieren (Schritt 132). Die Modulation der Druckbelastung 18 ist wirksam, um die Echtzeit-Leistung 100 des elektrischen Signals 30 dazu zu bringen, einer vordefinierten Kurve 90 zu folgen.
  • Während die besten Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche praktisch umzusetzen. Es sollte einzusehen sein, dass der erste Aktuator 64 ein beliebiger Aktuator sein kann, der zu größeren Hublängen imstande ist, z. B. pneumatische oder hydraulische Aktuatoren, Leit- oder Kugelumlaufspindeln, Solenoide etc.. Gleichermaßen kann der zweite Aktuator 66 ein beliebiger Aktuator sein, der zu einem Hochfrequenzansprechen (d. h. mehr als dem Doppelten der Frequenz der Ultraschallschwingung 26) in der Lage ist. Es ist vorgesehen, dass der gesamte in der obigen Beschreibung enthaltene oder in den beiliegenden Zeichnungen gezeigte Sachverhalt als rein illustrativ und nicht als einschränkend zu verstehen ist.

Claims (10)

  1. Ultraschallschweißsystem zum Befestigen eines ersten Werkstückes an einem zweiten Werkstück, wobei das System umfasst: eine Schweißanordnung mit einem Ultraschallcontroller, einem Ultraschallwandler und einer Schweißspitze; wobei der Ultraschallwandler ausgestaltet ist, um in Ansprechen auf ein von dem Ultraschallcontroller empfangenes elektrisches Signal eine Ultraschallschwingung auf die Schweißspitze zu übertragen; und eine Belastungsanordnung, welche benachbart zu der Schweißanordnung angeordnet und ausgestaltet ist, um eine Druckbelastung zwischen der Schweißspitze und dem ersten Werkstück zu erzeugen, wobei die Belastungsanordnung einen ersten Aktuator und einen zweiten Aktuator umfasst; wobei der erste Aktuator ausgestaltet ist, um eine im Wesentlichen konstante Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden; und wobei der zweite Aktuator ausgestaltet ist, um eine dynamisch variable Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden.
  2. Ultraschallschweißsystem nach Anspruch 1, wobei die Belastungsanordnung ferner einen Druckregler umfasst; und wobei der zweite Aktuator ausgestaltet ist, um in Ansprechen auf ein von dem Druckregler bereitgestelltes elektrisches Signal die dynamisch variable Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden.
  3. Ultraschallschweißsystem nach Anspruch 2, wobei der Druckregler ausgestaltet ist, um in Ansprechen auf eine Angabe der Echtzeitleistung des an den Ultraschallwandler bereitgestellten elektrischen Signals das elektrische Signal an den zweiten Aktuator bereitzustellen.
  4. Ultraschallschweißsystem nach Anspruch 3, wobei der Druckregler ausgestaltet ist, um das an den zweiten Aktuator bereitgestellte elektrische Signal zu variieren, sodass die Leistung des an den Ultraschallwandler bereitgestellten elektrischen Signals einer vordefinierten Leistungskurve folgt.
  5. Ultraschallschweißsystem nach Anspruch 4, wobei der Ultraschallcontroller ausgestaltet ist, um die Leistung des an den Ultraschallwandler bereitgestellten elektrischen Signals zu variieren, sodass der Ultraschallwandler eine Ultraschallschwingung mit einer im Wesentlichen konstanten Frequenz erzeugt.
  6. Ultraschallschweißsystem nach Anspruch 2, wobei die Ultraschallschwingung eine Frequenz innerhalb des Bereiches von etwa 5 kHz bis etwa 100 kHz aufweist; und wobei das von dem Druckregler bereitgestellte elektrische Signal mit einer Rate von mehr als dem Doppelten der Frequenz der Ultraschallschwingung aktualisiert wird.
  7. Ultraschallschweißsystem nach Anspruch 1, wobei der erste Aktuator und der zweite Aktuator in einer Reihengruppierung mit der Schweißanordnung angeordnet sind.
  8. Ultraschallschweißsystem nach Anspruch 1, wobei der erste Aktuator ein pneumatischer Aktuator ist und wobei der zweite Aktuator ein piezoelektrischer Aktuator ist.
  9. Ultraschallschweißsystem zum Befestigen eines ersten Werkstückes an einem zweiten Werkstück, wobei das System umfasst: eine Schweißanordnung mit einem Ultraschallcontroller, einem Ultraschallwandler und einer Schweißspitze; wobei der Ultraschallwandler ausgestaltet ist, um in Ansprechen auf ein von dem Ultraschallcontroller bereitgestelltes elektrisches Signal eine Ultraschallschwingung auf die Schweißspitze zu übertragen; und eine Belastungsanordnung, welche benachbart zu der Schweißanordnung angeordnet und ausgestaltet ist, um eine Druckbelastung zwischen der Schweißspitze und dem ersten Werkstück zu erzeugen, wobei die Belastungsanordnung einen pneumatischen Aktuator und einen piezoelektrischen Aktuator und einen Druckregler in elektrischer Verbindung mit dem piezoelektrischen Aktuator umfasst; und wobei der pneumatische Aktuator ausgestaltet ist, um eine im Wesentlichen konstante Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden; und wobei der piezoelektrische Aktuator ausgestaltet ist, um in Ansprechen auf ein von dem Druckregler bereitgestelltes elektrisches Betätigungssignal eine dynamisch variable Belastung auf die Schweißanordnung anzuwenden.
  10. Ultraschallschweißsystem nach Anspruch 9, wobei das von dem Ultraschallcontroller bereitgestellte elektrische Signal eine messbare Leistung aufweist; und wobei der Druckregler ausgestaltet ist, um in Ansprechen auf eine Angabe der Leistung des von dem Ultraschallcontroller bereitgestellten elektrischen Signals das elektrische Betätigungssignal an den zweiten Aktuator bereitzustellen.
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