DE102015009373A1

DE102015009373A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Regelung der Temperatur von in Resonanz schwingenden Ultraschallsonotroden

Info

Publication number: DE102015009373A1
Application number: DE102015009373.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kazmirzak; Stefan Lehmann
Original assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-25
Also published as: DE102015009373B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Regelung der Temperatur von in Resonanz schwingenden Ultraschallsonotroden ohne Einsatz zusätzlicher Temperatursensoren (berührend oder berührungslos). Erfindungsgemäß wird ein Zusammenhang zwischen der Sonotrodentemperatur und der Resonanzfrequenz des Schwingsystems hergestellt. Hierzu wird mit Hilfe eines entwickelten und in einer Software hinterlegten Algorithmus aus dem Wert der Resonanzfrequenz die Temperatur für eine am Ultraschallschwingsystem betriebene Sonotrode errechnet. Die so ermittelte Temperatur der Sonotrode dient als Regelgröße für einen Regler, welcher die Temperiereinrichtung zum Erwärmen oder Kühlen der Sonotrode steuert. Dadurch entsteht ein geschlossener Regelkreis.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Regelung der Temperatur von in Resonanz schwingenden Ultraschallsonotroden wobei die Temperaturerfassung der Sonotrode ohne zusätzlichen Temperaturfühler oder -sensor erfolgt.
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Resonanzfrequenz eines schwingenden Körpers ist in der Industrie bereits bekannt und wird u. a. in der technischen Lösung DD 000 000 143 476 A1 zur Messung des Temperaturfrequenzganges des dynamischen Elastizitätsmoduls herangezogen.
Darüber hinaus ist durch DE 10 2010 004 468 A1 und DE 000 001 629 192 C3 beschrieben, dass sich die Resonanzfrequenz eines schwingenden Elementes in Abhängigkeit zu der Temperatur des Elementes ändert, wenn sich dieses aufgrund von Wärmeleitung erwärmt. In Reaktion darauf wird einerseits die Resonanzfrequenz nachgeführt, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen und andererseits wird aktiv gekühlt, um der Erwärmung und der damit verbundenen Veränderung der Resonanzfrequenz entgegenzuwirken.
Die Erfassung der Temperatur einer Sonotrode als Prozessgröße wird in nachfolgenden Patenten beschrieben. In DE 10 2006 020 417 B4 wird eine Regeleinrichtung für einen Ultraschallgenerator mit einer zusätzlichen Rückführgröße beschrieben, deren Ziel es ist, die Schwingungsamplitude bei möglichst hohem Wirkungsgrad konstant zu halten. Als Rückführgröße kann unter anderem auch die Temperatur der Spitze der Sonotrode verwendet werden. In DE 10 2013 222 876 A1 wird eine automatische Überwachungseinrichtung dargestellt, welche u. a. die Temperatur einer Sonotrode in einer Kontrollstation erfasst, wobei die Kontrollstation dazu dient, die Prozessgrößen zu dokumentieren und zu speichern. In beiden Patenten wird die Temperaturerfassungseinrichtung nicht zur Regelung der Sonotrodentemperatur eingesetzt.
In DE 000 010 058 670 A1 wird die Temperaturerkennung in einem Kochgefäß durch einen im Boden des Gefäßes eingebauten Sensor beschrieben. Dieser Sensor ist eine ferromagnetische Blattfeder, die durch einen Elektromagneten in Schwingung versetzt wird. Nach dem Ende der Anregung wird das von der Blattfeder erzeugte Wechselmagnetfeld von einer Detektorspule empfangen, ausgewertet und aus dessen Frequenz die Temperatur der Schwingungseinrichtung bestimmt. Diese hier beschriebene technische Lösung ist sowohl aus Platzgründen, aufgrund starker Schwingungsbelastung, als auch hinsichtlich einer geringen Lebensdauer nicht in einer Ultraschallsonotrode umsetzbar
Als Temperiermethoden von Ultraschallsonotroden werden elektrische Heizungen für die Herstellung erwärmter Luft ( DE 10 2009 002 675 A1 ), Thermostrahler oder Heißluftgebläse ( DE 20 2007 008 706 U1 ), Heizpatronen im Inneren der Sonotrode in Sand gelagert ( DE 000 010 250 741 B4 ) und Induktionsheizvorrichtungen ( DE 10 2011 106 693 A1 ) in der Praxis angewandt, um mit Hilfe der Wärmekonvektion die zu beheizende Sonotrode auf die technologisch notwendige Temperatur zu bringen. Eine Kühlung einer Sonotrode mittels Kaltluft oder Kühlmedium, welches die Sonotrode durchfließt, wird in DE 000001 629 192 C3 beschrieben. Die genannten Patente formulieren das Beheizen oder Kühlen einer Sonotrode. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass entweder keine Regelung der Temperatur stattfindet oder für eine Temperaturregelung immer ein Temperatursensor eingesetzt wird.
Mit den bekannten Vorrichtungen und Verfahren ist es nur möglich, die Temperatur der Ultraschallsonotrode mit Hilfe eines zusätzlichen Temperaturfühlers zu ermitteln, unabhängig davon, ob die Temperaturermittlung berührend oder berührungslos erfolgt. Nachteilig bei dem Einsatz eines berührenden Temperaturfühlers ist, dass die Temperaturermittlung nur diskontinuierlich erfolgen kann, weil immer bei einer Ultraschalleinwirkung der Temperatursensor von der Sonotrode entfernt werden muss, um dessen Beschädigung zu vermeiden. Nachteilig bei dem Einsatz eines berührungslos messenden Temperatursensors (Pyrometer o. ä.) ist die Ungenauigkeit bei der Temperaturerfassung, da sie vom Emissionsgrad der metallischen Sonotrodenoberfläche abhängt und der Emissionsgrad sich in Abhängigkeit von Oberflächenbeschaffenheiten und vorherrschenden Temperaturen stark ändern kann.
Die Regelung der Temperatur einer Sonotrode soll unabhängig von ihrem Schwingungszustand zu jeder Zeit möglich sein und kontinuierlich erfolgen. Eine Beeinträchtigung des Schwingungszustandes der Sonotrode durch eine Temperaturerfassung soll ausgeschlossen werden. Ebenso soll gewährleistet werden, dass eine Temperaturerfassung möglich wird, ohne dass das aktive Schwingen der Sonotrode eine Beeinträchtigung der Messdatenerfassung oder eine Lebensdauerverkürzung von verwendeter Sensorik nach sich zieht. Der Nachteil einer berührungslosen Temperaturerfassung durch Aufnahme der Oberflächenstrahlung der Sonotrode mittels Pyrometer durch sich verändernde Emissionseigenschaften der Oberfläche soll ausgeschlossen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Regelung der Temperatur von in Resonanz schwingenden Ultraschallsonotroden zu schaffen, das eine kontaktlose Erfassung der Sonotrodentemperatur und deren Regelung erlaubt, dabei ein freies und unbeeinflusstes Schwingen der Sonotrode in longitudinaler und transversaler Richtung gewährleistet.
Nach dem Erfindungsgedanken soll diese Regelung ohne Einsatz von Temperaturfühlern egal, ob berührend oder berührungslos, auskommen. Weiterhin ist für den Betrieb eines Ultraschallschwingsystems ein Ultraschallgenerator notwendig, welcher die Resonanzfrequenz des Ultraschallschwingsystems selbstständig ermittelt und die Erregerfrequenz aktiv nachführt. Durch die kontinuierlich aktive Nachführung der Frequenz wird gewährleistet, dass das Ultraschallschwingsystem unabhängig von äußeren Einflüssen immer in Resonanz, und damit im Bereich des höchsten Wirkungsgrades, betrieben werden kann.
Ein gewerblicher Einsatz von auf diese Art temperierten Sonotroden kann überall dort erfolgen, wo eine Sonotrode entweder durch äußere Störeinflüsse eine nicht gewollte Erwärmung erfährt und sich dadurch der Arbeitspunkt der Anwendung verschiebt oder die Nutzung einer erhöhten Sonotrodentemperatur von technologischem Vorteil ist, wie beispielsweise beim Ultraschallnieten von Hochtemperaturkunststoffen, beim Ultraschallschweißen von Folien aus Hochtemperaturkunststoffen oder auch z. B. beim Einsatz einer Sonotrode in einem Lötbad, um Leiterplatten ohne Flussmittel zu verzinnen.
Vorteilhaft ist dabei, dass die Temperatur der Sonotrode auf einem konstanten Wert gehalten werden kann und das Schwingverhalten der Sonotrode in keiner Weise von berührenden Temperatursensoren beeinflusst oder gestört wird. Weiterhin wird durch das besagte Verfahren gegenüber berührenden Temperatursensoren eine verzögerungsfreie Temperaturerfassung möglich. Die Erfassung der Temperatur erfolgt hierbei ganzheitlich und in zyklisch sehr kleinen Zeitabständen, unabhängig vom Schwingungszustand der Sonotrode. Im Vergleich zu berührungslos arbeitenden Messverfahren (z. B. Pyrometer) treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Messwertverfälschungen durch Reflexion und Emissionsgradveränderungen an der Sonotrodenoberfläche auf. Eine Messwertverfälschung durch einen Einfluss fremder Wärmequellen kann vollständig ausgeschlossen werden.
Dargestellt wird eine in einem Ultraschallschwingsystem angeordnete Sonotrode mit einer definierten Temperatur (Sollwert), die höher als Raumtemperatur ist, wobei die Sonotrode mittels einer Heizung, die ein freies und unbeeinflusstes Schwingen der Sonotrode gewährleistet, beheizt wird und die zur Regelung der Sonotrodentemperatur notwendige Erfassung der Ist-Temperatur ohne Einsatz von Temperatursensoren erfolgt. Dazu wird erfindungsgemäß aus dem Ultraschallgenerator periodisch die Resonanzfrequenz des Ultraschallschwingsystems ermittelt.
Bei dieser technischen Lösung wird ein Zusammenhang zwischen der Sonotrodentemperatur und der Resonanzfrequenz des Schwingsystems genutzt. Dabei wird berücksichtigt, dass dieser Zusammenhang wiederum abhängig ist vom eingesetzten Sonotrodenmaterial, der Sonotrodenform, der Art der Erwärmung oder Kühlung und der geometrisch konstruktiven Anordnung von Sonotrode und Temperiereinrichtung. Mit Hilfe eines hierzu entwickelten und in einer Software hinterlegten Algorithmus wird aus dem Wert der Resonanzfrequenz die Temperatur für eine am Ultraschallschwingsystem betriebene Sonotrode errechnet. Die so ermittelte Temperatur der Sonotrode dient dann als Regelgröße für einen Regler, welcher die Temperiereinrichtung zur Erwärmung oder Kühlung der Sonotrode steuert. Dadurch entsteht ein geschlossener Regelkreis.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand eines Ultraschallnietprozesses auf einer Ultraschallnietmaschine gemäß Geräteanordnung 3 mit einer Sonotrode, erläutert werden. die mithilfe eines Induktionsheizgerätes temperiert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 Ultraschallschwingsystem
2 Regelkreis
3 Geräteanordnung mit Induktionsspule
4 Geräteanordnung mit Temperiereinrichtung
Eine in dem Ultraschallschwingsystem 1 angeordnete Sonotrode (3) soll mit einer definierten Temperatur (Sollwert), die höher als Raumtemperatur ist, an einem Ultraschallgenerator (7) betrieben werden. Hierzu wird die Sonotrode mittels berührungsloser Heiztechnik am Beispiel einer Induktionsheizung erwärmt. Als Erwärmtechnik könnte beispielsweise auch eine Infrarotheizung eingesetzt werden. Die zur Regelung der Sonotrodentemperatur notwendige Erfassung der Ist-Temperatur wird ohne Einsatz von Temperatursensoren durchgeführt. Dazu zählen sowohl der Verzicht auf Anlegetemperaturfühler wie auch der Einsatz eines berührungslos messenden Pyrometers. Die Sonotrode wird in einem Ultraschallnietprozess eingesetzt (3). Hierbei wird an der Berührungsfläche zwischen Sonotrodenformfläche der Sonotrode (3) und dem Nietschaft des Formteils (14), welches im Amboss (5) fixiert ist, durch die Einwirkung des Ultraschalls der Kunststoff erwärmt und dadurch plastifiziert. Der so an der Sonotrodenformfläche anliegende plastifizierte Kunststoff wird durch die Sonotrodenformfläche während des Nietverlaufes zu einem Kopf geformt. Gleichzeitig findet Wärmeleitung zwischen dem plastifizierten Kunststoff und der Sonotrodenformfläche statt, welche mit zunehmender Temperatur der Sonotrode (3) abnimmt.
Die Sonotrode (3) ist Bestandteil eines Ultraschallschwingsystems (1), welches aus Sonotrode (3), Kühlbooster (2) und Konverter (1) besteht. Der Konverter (1) ist an einem Ultraschallgenerator (7) angeschlossen und wandelt elektrische in mechanische Schwingungen um. Der angeschlossene Kühlbooster (2) leitet die mechanischen Schwingungen an die Sonotrode (3) weiter. Außerdem erfüllt der Kühlbooster (2) in diesem Ultraschallschwingsystem die üblichen Aufgaben wie Halterung des Ultraschallschwingsystems und Amplitudenverstärkung. Als Kühlbooster verhindert er zusätzlich den Wärmetransport von der beheizten Sonotrode (3) zum Ultraschallkonverter (1). Der Ultraschallgenerator (7) erzeugt eine elektrische Wechselspannung und gibt diese an den Ultraschallkonverter (1) aus. Die Frequenz dieser Wechselspannung kann in einem limitierten Frequenzbereich variiert werden. Die Frequenz wird hierbei mit Hilfe einer Autotunefunktion durch den Ultraschallgenerator (7) stets so eingestellt, dass das Ultraschallschwingsystem (1) immer in seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Hierzu führt der Ultraschallgenerator (7) in regelmäßigen Abständen eine Seek-Funktion durch, die über einen sogenannten Phasensprung die jeweilig gültige Resonanzfrequenz findet. Die Auswertung des Phasensprunges erfolgt außer bei einem Seek auch bei jeder Leistungsabgabe, z. B. bei einer Schweißfunktion oder bei Testschall. Der Wert der Resonanzfrequenz wird zudem als elektrisches Signal über eine spezielle Schnittstelle an das Regelgerät (6) ausgegeben.
Um die Sonotrode (3) berührungslos zu erwärmen, im Beispiel mittels einer Induktionsheizung, wird die Sonotrode (3) von einer Induktionsspule (4) umschlossen, die an einem Induktionsheizgerät (8) angeschlossen ist. Das Induktionsheizgerät (8) ist weiterhin über ein Steuerkabel (11) mit dem Regelgerät (6) verbunden, welches die Leistungsabgabe des Induktionsheizgerätes (8) regelt. Das Regelgerät (6) ist außerdem über das Steuerkabel (10) mit dem Ultraschallgenerator (7) verbunden. Über das Steuerkabel (10) gibt das Regelgerät (6) an den Ultraschallgenerator (7) periodisch eine Seek-Anforderung aus, worauf der Ultraschallgenerator seine Seek-Funktion aktiviert und die Resonanzfrequenz des Ultraschallschwingsystems ermittelt. Über das Steuerkabel (10) gibt der Ultraschallgenerator (7) nach jeder Seek-Anforderung die aktuell ermittelte Resonanzfrequenz des Ultraschallschwingsystems an das Regelgerät (6) zurück. Dabei ist es unerheblich, ob der Rückgabewert ein der jeweiligen Resonanzfrequenz entsprechendes Gleichspannungssignal ist oder die Resonanzfrequenz direkt digital ausgegeben wird. Erfindungsgemäß wird in dem Regelgerät (6) der Zusammenhang zwischen der Sonotrodentemperatur und der Resonanzfrequenz des Schwingsystems ausgewertet. Dieser Zusammenhang ist dabei abhängig von Sonotrodenmaterial, Sonotrodenform, Art der Erwärmung und von dem Ort der Wärmeeinbringung, im Beispiel bestimmt durch die geometrische Anordnung der Induktionsspule um die Sonotrode. Auf diese Art kann für jede konkrete Sonotrode (3) unabhängig von deren Form und Material eine Abgleichkurve ermittelt werden, die sonotrodenspezifisch im Regelgerät abgespeichert werden kann. Das Regelgerät nutzt die jeweils zur Sonotrode passende hinterlegte Abgleichkurve, um die Sonotrodentemperatur aus der Resonanzfrequenz zu ermitteln. Die so ermittelte Temperatur der Sonotrode (3) dient wiederum als Regelgröße (16) für den geschlossenen Regelkreis (2). Die Differenz zwischen Sollwert (15) und Regelgröße (16) ergibt eine Regelabweichung (17). Der im Regelgerät (6) hinterlegte Regelalgorithmus (18) berechnet dabei aus der Regelabweichung (17) die Stellgröße (19) für die Regelstrecke (20) des geschlossenen Regelkreises (2). Entsprechend dieser Stellgröße gibt das Regelgerät (6) ein pulsweitenmoduliertes Signal über das Steuerkabel (11) an das Induktionsheizgerät (8) aus und steuert so die Leistungsabgabe des Induktionsheizgerätes (8) über das Verbindungskabel (12) an die Induktionsspule (4). Diese Verfahrensweise wird in der Geräteanordnung (3) dargestellt.
Nach Erreichen des Temperatursollwertes gibt das Regelgerät (6) die Fügefunktion des Ultraschallschweißgerätes gemäß Geräteanordnung (3) frei und es kann genietet werden. Nach Auslösen eines Nietvorganges wird die temperierte Sonotrode (3) in Richtung Amboss (5) bewegt und vernietet das im Amboss befindliche Formteil (14) unter Einsatz von Ultraschall. Um den Nietprozess nicht zu beeinflussen, wird während des Fügevorganges die periodische Schallimpulsanforderung durch das Regelgerät (6) ausgesetzt. Nach Abschluss des Fügevorganges wird die periodische Schallimpulsanforderung durch das Regelgerät (6) wieder zugeschaltet, die Resonanzfrequenz abgefragt, die Temperatur der Sonotrode (3) ermittelt und das Induktionsheizgerät (8) mit einem neu errechneten Regelwert angesteuert. Auf diese Weise wird die Temperatur der Sonotrode (3) ohne Einsatz eines zusätzlichen Messfühlers gemäß einem vorgegebenen Temperatursollwert geregelt und konstant gehalten.
Bezugszeichenliste

1: Konverter
2: Kühlbooster
3: Sonotrode
4: Induktionsspule
5: Amboss
6: Regelgerät
7: Ultraschallgenerator
8: Induktionsheizgerät
9: Konverteranschlusskabel
10: Steuerkabel zwischen Ultraschallgenerator und Regelgerät
11: Steuerkabel zwischen Induktionsheizgerät und Regelgerät
12: Verbindungskabel zwischen Induktionsheizgerät und Induktionsspule
13: Ultraschallschweißgerät
14: Formteil
15: Sollwert
16: Sonotrodentemperatur
17: Regeldifferenz
18: Regler
19: Stellgröße
20: Regelstrecke
21: Temperiereinrichtung
22: Steuerkabel zwischen Regelgerät und Heizung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 000000143476 A1 [0002]
DE 102010004468 A1 [0003]
DE 000001629192 C3 [0003, 0006]
DE 102006020417 B4 [0004]
DE 102013222876 A1 [0004]
DE 000010058670 A1 [0005]
DE 102009002675 A1 [0006]
DE 202007008706 U1 [0006]
DE 000010250741 B4 [0006]
DE 102011106693 A1 [0006]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Regelung der Temperatur von in Resonanz schwingenden Ultraschallsonotroden, gekennzeichnet dadurch, dass die Ermittlung der Temperatur des schwingenden Elementes über die Eigenresonanzfrequenz der erwärmten Ultraschallsonotrode erfolgt und die ermittelte bzw. berechnete Temperatur eine Regelgröße für die Temperaturregelung der Sonotrode bildet.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Schwingungserzeuger ausgelesene Resonanzfrequenz in einer programmierbaren Steuerelektronik in eine korrelierende Temperatur umgerechnet wird und als Regelgröße für den Regelalgorithmus dient, und daraus der Regelalgorithmus die Stellgröße für die Ansteuerung der Heizung oder Kühlung generiert.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturermittlung ohne einen zusätzlichen berührend oder nicht berührend arbeitenden Temperaturfühler erfolgt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung der Sonotrode berührungslos über eine zur Sonotrode angepassten berührungslosen Heizung oder Kühlung erfolgt oder über eine Heizung oder Kühlung erfolgt, die ein freies Schwingen der Sonotrode gewährleistet.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass durch periodisches mechanisches Anregen der Sonotrode mittels eines Schwingungserzeugers diese eine Eigenschwingung ausführt, die ihrer Resonanzfrequenz entspricht und die Resonanzfrequenz aus dem angekoppelten Schwingungserzeuger selbst ausgelesen wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass für die regelmäßige Erfassung der Eigenresonanzfrequenz eine periodische Schwingungsanregung der Sonotrode durch das Regelgerät ausgelöst wird und dass bei bestimmungsgemäßem Einsatz der Sonotrode für die Dauer der Ultraschallanwendung die Erfassung der Eigenresonanzfrequenz ausgesetzt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sonotroden auch in einem Mutter-Tochter-Sonotrodensystem angeordnet sind und die Temperatur des Gesamtsystems ermittelt und geregelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode als rotierende Sonotrode ausgeführt ist, deren Temperatur ermittelt und geregelt wird.