DE102016211740B4

DE102016211740B4 - Method and apparatus for ultrasonic drilling

Info

Publication number: DE102016211740B4
Application number: DE102016211740.8A
Authority: DE
Inventors: Heiner Storck; Georg Stellmann; Klaus Kuhnen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: DE102016211740A1

Abstract

Ein Ultraschallbohrgerät zum Bohren in ein Werkstück mittels eines Bohrwerkzeugs umfasst eine Aufnahme für das Bohrwerkzeug; einen elektrischen Aktuator, der dazu eingerichtet ist, die Aufnahme in eine ultraschallfrequente Schwingung zu versetzen; eine Abtasteinrichtung zur Bestimmung eines elektrischen Parameters des Aktuators, wobei der Parameter auf eine mittels des Aktuators bereitgestellte mechanische Energie hinweist; und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Aktuators. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, auf der Basis des Parameters zu bestimmen, ob das Ultraschallbohrgerät eine longitudinale Schwingung vollführt, bei der das Bohrwerkzeug periodisch vom Werkstück abhebt, und Maßnahmen zu ergreifen, um die Anpresskraft oder und den durch den Aktuator fließenden Strom zu verändern, um die longitudinale Schwingung sicher zu stellen.An ultrasonic drilling apparatus for drilling into a workpiece by means of a drilling tool comprises a receptacle for the drilling tool; an electric actuator configured to cause the pickup to vibrate at an ultrasound frequency; a sampling device for determining an electrical parameter of the actuator, the parameter indicating a mechanical energy provided by the actuator; and a control device for controlling the actuator. The controller is configured to determine, based on the parameter, whether the ultrasonic drill is performing a longitudinal vibration in which the drilling tool is periodically lifted from the workpiece and to take measures to change the contact force or current flowing through the actuator. to ensure the longitudinal oscillation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Technik zum Ultraschallbohren. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung eines Ultraschallbohrgeräts während eines Bohrvorgangs.The invention relates to a technique for ultrasonic drilling. In particular, the invention relates to the control of an ultrasonic drill during a drilling operation.

Stand der TechnikState of the art

Ein Ultraschallbohrgerät ist dazu eingerichtet, mittels eines Bohrwerkzeugs eine Bohrung in einem harten, insbesondere sprödharten Werkstück herzustellen. Dazu umfasst das Ultraschallbohrgerät üblicherweise einen piezoelektrischen Aktuator, um das Bohrwerkzeug in eine Longitudinalschwingung zu versetzen, deren Frequenz im nicht hörbaren Ultraschallbereich liegt. Wird das Bohrwerkzeug auf das Werkstück aufgesetzt, so bewirkt die Longitudinalschwingung ein Abplatzen oder Ausbrechen von Partikeln aus dem Werkstück, sodass sich ein Bohrfortschritt einstellt. Die abgelösten Partikel können auf konventionelle Weise aus dem Bohrloch befördert werden, indem das Bohrwerkzeug eine helixförmige Vertiefung aufweist und während des Bohrvorgangs um seine Längsachse gedreht wird.An ultrasonic drilling apparatus is adapted to produce a bore in a hard, in particular brittle workpiece by means of a drilling tool. For this purpose, the ultrasonic drill usually includes a piezoelectric actuator to put the drilling tool in a longitudinal vibration whose frequency is in the inaudible ultrasonic range. If the drilling tool is placed on the workpiece, the longitudinal vibration causes particles to break off or break away from the workpiece, so that a drilling progress sets. The detached particles may be conveyed out of the wellbore in a conventional manner by having the drill bit having a helical depression and being rotated about its longitudinal axis during the drilling operation.

DE 44 44 853 B4 zeigt ein handgehaltenes Ultraschallbohrgerät zum Bohren in einem Werkstück. Aus DE 10 2012 219 254 A1 und DE 10 2010 048 638 A1 sind Ultraschallwerkzeuge bekannt, bei denen ein Werkzeug relativ zu einem Werkstück eine Arbeitsbewegung ausführt, wobei die Arbeitsbewegugung von einer Vibration überlagert wird. DE 44 44 853 B4 shows a hand-held ultrasonic drill for drilling in a workpiece. Out DE 10 2012 219 254 A1 and DE 10 2010 048 638 A1 Ultrasonic tools are known in which a tool relative to a workpiece performs a working movement, wherein the Arbeitsbewegugung is superimposed by a vibration.

DE 10 2011 078 452 beschreibt detailliert die Ansteuerung eines Wechselrichters für einen piezoelektrischen Aktuator in einem Ultraschallbohrgerät. Grundlagen der vorliegenden Erfindung sind in dieser Patentanmeldung vertieft ausgeführt. DE 10 2011 078 452 describes in detail the driving of an inverter for a piezoelectric actuator in an ultrasonic drill. Bases of the present invention are detailed in this patent application.

Es hat sich gezeigt, dass ein bloßes Einleiten einer ultraschallfrequenten Schwingung in ein am Werkstück anliegendes Bohrwerkzeug nicht ausreicht, um einen effizienten Bohrfortschritt zu erzeugen. Unter bestimmten Bedingungen wird lediglich eine hochfrequente Schwingung in das Werkstück eingekoppelt und der Bohrfortschritt ist gering oder beträgt 0.It has been found that simply introducing an ultrasonic frequency vibration into a drilling tool adjacent to the workpiece is insufficient to produce efficient drilling progress. Under certain conditions, only a high-frequency vibration is coupled into the workpiece and the drilling progress is low or zero.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zum Ultraschallbohren in einem Werkstück bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.The present invention has for its object to provide an improved technique for ultrasonic drilling in a workpiece. The invention solves this problem by means of the subjects of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ein Ultraschallbohrgerät umfasst ein Bohrwerkzeug und einen elektrischen Aktuator, der dazu eingerichtet ist, das Bohrwerkzeug in eine ultraschallfrequente Schwingung zu versetzen. Ein Verfahren zum Steuern des Ultraschallbohrgeräts zum Bohren in ein Werkstück umfasst Schritte des Abtastens eines elektrischen Parameters des Aktuators, wobei der Parameter auf eine mittels des Aktuators bereitgestellte mechanische Energie hinweist; des Bestimmens, auf der Basis des Parameters, ob das Ultraschallbohrgerät eine longitudinale Schwingung vollführt, bei der das Bohrwerkzeug periodisch vom Werkstück abhebt.An ultrasonic drill includes a drilling tool and an electrical actuator configured to vibrate the drilling tool into an ultrasonic frequency vibration. A method of controlling the ultrasonic drill for drilling into a workpiece includes steps of sensing an electrical parameter of the actuator, the parameter indicating a mechanical energy provided by the actuator; determining, based on the parameter, whether the ultrasonic drilling apparatus is performing a longitudinal vibration in which the drilling tool periodically lifts from the workpiece.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein maximaler Bohrfortschritt erzielt werden kann, wenn das gesamte Ultraschallbohrgerät in longitudinaler Richtung, also in Richtung des Bohrwerkzeugs und des gewünschten Bohrlochs, schwingt, sodass das Bohrwerkzeug periodisch vom Werkstück abhebt. Diese Schwingung weist eine deutlich niedrigere Frequenz als die durch den Aktuator direkt angeregte ultraschallfrequente Schwingung auf. An einem exemplarischen Ultraschallbohrgerät konnte bei Versuchen eine Frequenz der longitudinalen Schwingung im Bereich von ca. 800 bis 1100 Hz festgestellt werden. Die Frequenz des elektrischen Aktuators betrug dabei ca. 20 kHz. Durch das periodische Abheben des Bohrwerkzeugs vom Werkstück kann eine Verteilung von eingetragener Energie über die Frequenz derart verändert werden, dass ein größerer Anteil der Energie zum Erzeugen des Bohrfortschritts verwendet werden kann.According to the invention, it has been recognized that maximum drilling progress can be achieved when the entire ultrasonic drilling device vibrates in the longitudinal direction, ie in the direction of the drilling tool and the desired borehole, so that the drilling tool periodically lifts off from the workpiece. This vibration has a much lower frequency than the ultrasonic excited by the actuator directly excited vibration. In an exemplary ultrasonic drill a frequency of the longitudinal vibration in the range of about 800 to 1100 Hz could be found in experiments. The frequency of the electric actuator was about 20 kHz. By periodically lifting the drilling tool off the workpiece, a distribution of input energy across the frequency can be changed such that a greater portion of the energy can be used to generate the drilling progress.

Es wird daher vorgeschlagen, mittels des Verfahrens dafür zu sorgen, dass die beschriebene, niederfrequente Longitudinalschwingung aufrechterhalten bleibt.It is therefore proposed, by means of the method, to ensure that the described low-frequency longitudinal oscillation is maintained.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der durch den Aktuator fließende Strom gesteuert, um die longitudinale Schwingung sicherzustellen.In one embodiment of the method, the current flowing through the actuator is controlled to ensure the longitudinal oscillation.

Insbesondere kann der durch den Aktuator fließende Strom erhöht werden, wenn die longitudinale Schwingung eine zu geringe Amplitude aufweist und daher abzureißen droht. Die geänderte Energieübertragung in unterschiedlichen Phasen der Longitudinalschwingung kann eine Rückwirkung auf den durch den Aktuator fließenden Strom oder die an ihm anliegende Spannung haben. Diese Parameter können somit zur Bestimmung der Longitudinalschwingung herangezogen werden.In particular, the current flowing through the actuator can be increased if the longitudinal oscillation has too low an amplitude and therefore threatens to break off. The changed energy transfer in different phases of the longitudinal vibration can have a repercussion on the current flowing through the actuator or the voltage applied to it. These parameters can thus be used to determine the longitudinal vibration.

Das Verfahren kann dazu benutzt werden, unter sehr geringer hörbarer Geräuschentwicklung ein Bohrloch in ein insbesondere hartes oder sprödhartes Werkstück einzubringen. Durch die verbesserte Energieausnutzung kann außerdem ein Energieverbrauch des Ultraschallbohrgeräts verringert sein oder eine Bohrleistung kann bei gleicher Energieaufnahme vergrößert sein. Dadurch kann das Verfahren insbesondere mit einem handgehaltenen Ultraschallbohrgerät verwendet werden. Dabei kann das Ultraschallbohrgerät mittels eines Energiespeichers wie einer Batterie oder eines Akkumulators betrieben werden.The method can be used to introduce a hole in a particular hard or brittle hard workpiece with very low audible noise. By the In addition, improved energy utilization may reduce energy consumption of the ultrasonic drill, or drilling performance may be increased with the same energy consumption. As a result, the method can be used in particular with a hand-held ultrasonic drill. In this case, the ultrasonic drill can be operated by means of an energy storage device such as a battery or a rechargeable battery.

Um die Amplitude der Longitudinalschwingung zu vergrößern oder ein drohendes Abreißen der Longitudinalschwingung abzuwenden, kann alternativ oder zusätzlich auch eine longitudinale Anpresskraft des Ultraschallbohrgeräts auf das Werkstück reduziert werden. Eine alternative oder zusätzliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt daher vor, ein Signal zur Anpassung der longitudinalen Anpresskraft des Ultraschallbohrgeräts auf das Werkstück auszugeben, um die longitudinale Schwingung sicherzustellen. Die (statische) Anpresskraft wird üblicherweise durch einen Benutzer des Ultraschallbohrgeräts gesteuert. Handelt es sich um ein handgehaltenes Ultraschallbohrgerät, so geht die Anpresskraft unmittelbar von dem Benutzer aus. Durch das Bereitstellen eines Signals, das insbesondere auf eine zu hohe Anpresskraft hinweist, kann der Benutzer die Anpresskraft zurücknehmen, um die Effizienz oder Geschwindigkeit des Bohrvorgangs zu steigern. Bei einem nicht handgehaltenen Ultraschallbohrgerät ist auch eine unmittelbare Steuerung der Anpresskraft denkbar.In order to increase the amplitude of the longitudinal vibration or avert a threatening tearing off of the longitudinal vibration, alternatively or additionally, a longitudinal contact pressure force of the ultrasonic drilling apparatus on the workpiece can be reduced. An alternative or additional embodiment of the method according to the invention therefore proposes to output a signal for adapting the longitudinal contact force of the ultrasonic drill to the workpiece in order to ensure the longitudinal oscillation. The (static) contact pressure is usually controlled by a user of the ultrasonic drill. If it is a hand-held ultrasonic drill, the contact force is directly from the user. By providing a signal indicative of excessive contact force, in particular, the user may decrease the contact force to increase the efficiency or speed of the drilling operation. In a non-handheld ultrasonic drill and a direct control of the contact force is conceivable.

Die Frequenz der longitudinalen Schwingung kann insbesondere eine Eigenmode des Ultraschallbohrgeräts umfassen. Die Bestimmung der longitudinalen Schwingung kann daher auf einen vorbestimmten Frequenzbereich eingeschränkt werden, der insbesondere von der Masse des Ultraschallbohrgeräts abhängen kann.The frequency of the longitudinal vibration may in particular comprise a natural mode of the ultrasonic drill. The determination of the longitudinal vibration can therefore be limited to a predetermined frequency range, which may depend in particular on the mass of the ultrasonic drill.

In einer Variante kann die Eigenmode in Abhängigkeit der Masse des Ultraschallbohrgeräts und der Anpresskraft bestimmt werden. Die Bestimmung der longitudinalen Schwingung kann somit genauer durchgeführt werden.In a variant, the eigenmode can be determined depending on the mass of the ultrasonic drill and the contact pressure. The determination of the longitudinal vibration can thus be performed more accurately.

Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung eines der beschriebenen Verfahren, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.A computer program product comprises program code means for performing one of the described methods when the computer program product runs on a processor or is stored on a computer-readable medium.

Die beiden Verfahren können separat in Form von korrespondierenden Ultraschallbohrgeräten oder zusammen in einem Ultraschallbohrgerät realisiert werden.The two methods can be realized separately in the form of corresponding ultrasonic drills or together in an ultrasonic drill.

In einer Ausführungsform des Ultraschallbohrgeräts zum Bohren in ein Werkstück mittels eines Bohrwerkzeugs umfasst das Ultraschallbohrgerät eine Aufnahme für das Bohrwerkzeug; einen elektrischen Aktuator, der dazu eingerichtet ist, die Aufnahme in eine ultraschallfrequente Schwingung zu versetzen; eine Abtasteinrichtung zur Bestimmung eines elektrischen Parameters des Aktuators, wobei der Parameter auf eine mittels des Aktuators bereitgestellte mechanische Energie hinweist; und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Aktuators, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, auf der Basis des Parameters zu bestimmen, ob das Ultraschallbohrgerät eine longitudinale Schwingung vollführt, bei der das Bohrwerkzeug periodisch vom Werkstück abhebt.In an embodiment of the ultrasonic drilling apparatus for drilling into a workpiece by means of a drilling tool, the ultrasonic drilling apparatus comprises a receptacle for the drilling tool; an electric actuator configured to cause the pickup to vibrate at an ultrasound frequency; a sampling device for determining an electrical parameter of the actuator, the parameter indicating a mechanical energy provided by the actuator; and control means for driving the actuator, the control means being adapted to determine, based on the parameter, whether the ultrasonic drilling apparatus is performing a longitudinal vibration in which the drilling tool periodically lifts off the workpiece.

In einer Ausführungsform des Ultraschallbohrgeräts ist die Steuereinrichtung dazu vorgesehen, den durch den Aktuator fließenden Strom zu steuern, um die Schwingung sicherzustellen.In one embodiment of the ultrasonic drilling apparatus, the control means is arranged to control the current flowing through the actuator to ensure the oscillation.

In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des Ultraschallbohrgeräts umfasst das Ultraschallbohrgerät zusätzlich eine Ausgabeeinrichtung für ein Signal und ist – alternativ oder zusätzlich zur Möglichkeit, den durch den Aktuator fließenden Strom zu steuern – dazu eingerichtet, ein Signal zur Anpassung der longitudinalen Anpresskraft des Ultraschallbohrgeräts auf das Werkstück auszugeben, um die longitudinale Schwingung sicherzustellen. Das Signal kann insbesondere ausgegeben werden, wenn die Anpresskraft zu groß ist, um einen optimalen Bohrfortschritt sicherzustellen.In an alternative or additional embodiment of the ultrasonic drilling apparatus, the ultrasonic drilling apparatus additionally comprises an output device for a signal and is - alternatively or additionally to the possibility of controlling the current flowing through the actuator - configured to supply a signal for adapting the longitudinal contact force of the ultrasonic drilling device to the workpiece output to ensure the longitudinal vibration. In particular, the signal can be output if the contact pressure is too great to ensure an optimal drilling progress.

Jedes der Ultraschallbohrgeräte kann einen elektrischen Energiespeicher umfassen. Die Ultraschallbohrgeräte können beispielsweise als handgehaltene, insbesondere kabellose Werkzeuge mobil und flexibel einsetzbar sein.Each of the ultrasonic drills may include an electrical energy storage. The ultrasonic drills can be mobile and flexible, for example, as hand-held, in particular wireless tools.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, in which:

1 ein Ultraschallbohrgerät; 1 an ultrasonic drill;

2 ein Ablaufdiagramm zum Steuern eines Ultraschallbohrgeräts; 2 a flowchart for controlling an ultrasonic drill;

3 eine Darstellung des vorgeschlagenen Bohrprinzips; 3 a representation of the proposed drilling principle;

4 eine Steuerung eines Inverters für ein Ultraschallbohrgerät; 4 a controller of an inverter for an ultrasonic drill;

5 mechanische Ersatzschaltbilder für das Ultraschallbohrgerät; und 5 mechanical equivalent circuits for the ultrasonic drill; and

6–8 Diagramme zum vorgeschlagenen Bohrprinzip darstellen. 6 - 8th Represent diagrams of the proposed drilling principle.

1 zeigt ein Ultraschallbohrgerät 100 zum Bohren in einem Werkstück 105. Das Werkstück 105 ist üblicherweise sprödhart und kann beispielsweise Beton, Beton mit eingeschlossenen Kieseln, Granit, Alpha-Quarz, Keramik, Fliesen oder Steingut umfassen. Ein sprödhartes Material ist einerseits spröde, indem es eine Druckbelastung aushält, die um wenigstens eine Größenordnung größer als seine maximale Zugbelastung ist, und andererseits hart, indem es beispielsweise wenigstens eine vorbestimmte Härte, etwa nach Mohs oder Brinell aufweist. Das Ultraschallbohrgerät 100 umfasst eine Aufnahme 110 für ein Bohrwerkzeug 115, einen insbesondere piezoelektrischen Aktuator 120, der dazu eingerichtet ist, die Aufnahme 110 in eine ultraschallfrequente Schwingung zu versetzen, und eine Steuereinrichtung 125 zur Ansteuerung des Aktuators 120. Die Steuereinrichtung 125 umfasst hier einen Inverter 130 und eine Verarbeitungseinrichtung 135. Der Inverter 130 ist dazu eingerichtet, einen Strom bzw. eine Spannung für den Aktuator 120 bereitzustellen, um diesen zur ultraschallfrequenten Anregung der Aufnahme 110 anzuregen. Die Verarbeitungseinrichtung 135 ist dazu eingerichtet, den Inverter 130 insbesondere bezüglich der mittels des Aktuators 120 bewirkten mechanischen Amplitude zu steuern und einen Parameter des Aktuators 120, abzutasten. Der Parameter kann insbesondere eine am Aktuator 120 anliegende Spannung oder einen durch den Aktuator 120 fließenden Strom umfassen. Es ist bevorzugt, dass der Parameter auf eine mittels des Aktuators 120 bereitgestellte mechanische Energie hinweist. 1 shows an ultrasonic drill 100 for drilling in a workpiece 105 , The workpiece 105 is typically brittle and may include, for example, concrete, enclosed silica pebbles, granite, alpha-quartz, ceramics, tiles or earthenware. On the one hand, a brittle-hard material is brittle in that it can withstand a compressive load which is at least an order of magnitude greater than its maximum tensile load and, on the other hand, hard, for example by having at least a predetermined hardness, such as Mohs or Brinell. The ultrasonic drill 100 includes a recording 110 for a drilling tool 115 , a particular piezoelectric actuator 120 which is set up to take 110 into an ultrasonic frequency vibration, and a controller 125 for controlling the actuator 120 , The control device 125 here includes an inverter 130 and a processing device 135 , The inverter 130 is configured to provide a current or voltage to the actuator 120 to provide this for ultrasound frequency excitation of the recording 110 to stimulate. The processing device 135 is set to the inverter 130 in particular with respect to the means of the actuator 120 control mechanical amplitude and a parameter of the actuator 120 to scan. In particular, the parameter may be one on the actuator 120 voltage applied or one through the actuator 120 include flowing electricity. It is preferred that the parameter be adjusted to one by means of the actuator 120 indicated mechanical energy indicates.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Ultraschallbohrgerät 100 zusätzlich eine Ausgabeeinrichtung 140 für ein Signal. Das Signal kann insbesondere optisch, akustisch oder haptisch ausgegeben werden und ist an einen Benutzer des Ultraschallbohrgeräts 100 gerichtet, der eine Anpresskraft des Ultraschallbohrgeräts 100 auf das Werkstück 105 steuert. Außerdem kann ein elektrischer Energiespeicher 145, beispielsweise in Form eines Akkus oder eines Akkupacks vorgesehen sein.In a further embodiment, the ultrasonic drilling device comprises 100 in addition an output device 140 for a signal. The signal can in particular be output visually, acoustically or haptically and is to a user of the ultrasonic drill 100 directed, the pressing force of the ultrasonic drill 100 on the workpiece 105 controls. In addition, an electrical energy storage 145 be provided for example in the form of a battery or a battery pack.

Im vorliegenden Zusammenhang wird mit longitudinal eine Richtung entlang der Erstreckungsachse des Bohrwerkzeugs 115 und des beabsichtigten Bohrlochs im Werkstück 105 bezeichnet. Die ultraschallfrequente Schwingung des Aktuators 120 verläuft ebenfalls in longitudinaler Richtung.In the present context, a longitudinal direction is taken along the extension axis of the drilling tool 115 and the intended borehole in the workpiece 105 designated. The ultrasonic frequency vibration of the actuator 120 also runs in the longitudinal direction.

Es wird vorgeschlagen, die Verarbeitungseinrichtung 135 dazu einzurichten, eine niederfrequente longitudinale Schwingungsmode des gesamten Ultraschallbohrgeräts 100 während eines Bohrvorgangs im Werkstück 105 aufrechtzuerhalten. Diese Schwingung stellt sich üblicherweise von selbst ein und kann begünstigt werden, indem entweder die Amplitude der hochfrequenten mechanischen Ultraschallschwingung des Aktuators 120 vergrößert oder eine Anpresskraft des Ultraschallbohrgeräts 100 auf das Werkstück 105 verringert wird. In einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung 135 dazu eingerichtet, die Longitudinalschwingung sicherzustellen, indem sie den Aktuator 120 bei Bedarf zu einer ultraschallfrequenten Schwingung vergrößerter Amplitude ansteuert. In einer anderen Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung 135 dazu eingerichtet, mittels der Ausgabeeinrichtung 140 ein Signal auszugeben, das auf eine erforderliche Verringerung der Anpresskraft hinweist. Beide Maßnahmen können auch parallel zueinander implementiert sein.It is proposed the processing device 135 to set up a low frequency longitudinal vibration mode of the entire ultrasonic drill 100 during a drilling operation in the workpiece 105 maintain. This oscillation usually sets itself and can be favored by either the amplitude of the high-frequency mechanical ultrasonic vibration of the actuator 120 increased or a contact force of the ultrasonic drill 100 on the workpiece 105 is reduced. In one embodiment, the processing device is 135 set up to ensure the longitudinal vibration by the actuator 120 if necessary to an ultrasonic frequency vibration of increased amplitude drives. In another embodiment, the processing device 135 set up by means of the output device 140 output a signal indicating a required reduction in contact pressure. Both measures can also be implemented in parallel.

2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern des Ultraschallbohrgeräts 100 von 1. Das Verfahren 200 kann insbesondere auf der Verarbeitungseinrichtung 135 ablaufen. Ist die Verarbeitungseinrichtung 135 als programmierbarer Mikrocomputer oder Mikrocontroller ausgeführt, so kann das Verfahren 200 auch in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen. 2 shows a flowchart of a method 200 for controlling the ultrasonic drill 100 from 1 , The procedure 200 especially on the processing device 135 expire. Is the processing device 135 run as a programmable microcomputer or microcontroller, so the process 200 also in the form of a computer program product.

In einem Schritt 205 wird der Aktuator 120 dazu angesteuert, das Bohrwerkzeug 115 in eine ultraschallfrequente Schwingung zu versetzen. In einem optionalen Schritt 210 wird eine niederfrequente Eigenmode des Ultraschallbohrgeräts 100 bestimmt. Die Eigenmode oder Eigenfrequenz entspricht der Frequenz, mit der das Ultraschallbohrgerät 100 nach einmaliger Anregung als Eigenform schwingen kann. Dabei wird insbesondere eine Schwingung in longitudinaler Richtung betrachtet. Die Eigenmode, insbesondere die Frequenz der Eigenmode, ist üblicherweise eine Funktion der Masse des Ultraschallbohrgeräts 100. Im Schritt 210 kann insbesondere ein Frequenzbereich bestimmt werden, der die Frequenz der Eigenmode umfasst. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Eigenmode bzw. ihre Frequenz nicht explizit bestimmt wird, sondern lediglich ein Schwingen des Ultraschallbohrgeräts 100 in einem Frequenzbereich der Eigenmode begünstigt wird, wie unten genauer ausgeführt wird. Die Eigenmode liegt stets in einem wesentlich niedrigeren Frequenzbereich als die Ultraschallschwingung, und zwar üblicherweise im hörbaren Bereich, beispielsweise um ca. 1000 Hertz.In one step 205 becomes the actuator 120 driven to the drilling tool 115 into an ultrasonic frequency vibration. In an optional step 210 becomes a low-frequency eigenmode of the ultrasonic drill 100 certainly. The eigenmode or natural frequency corresponds to the frequency with which the ultrasonic drill 100 can oscillate after one-off excitation as a form of form. In particular, a vibration in the longitudinal direction is considered. The eigenmode, in particular the frequency of the eigenmode, is usually a function of the mass of the ultrasonic drill 100 , In step 210 In particular, a frequency range can be determined which comprises the frequency of the eigenmode. However, it is preferred that the eigenmode or its frequency is not explicitly determined, but only a swing of the ultrasonic drill 100 in a frequency range of the eigenmode is favored, as will be explained in more detail below. The eigenmode is always in a much lower frequency range than the ultrasonic vibration, and usually in the audible range, for example, about 1000 hertz.

In einem Schritt 215 wird ein elektrischer Parameter am Aktuator 120, bevorzugt ein Strom oder eine Spannung, bestimmt. Dieser Parameter weist auf eine mittels des Aktuators bereitgestellte mechanische Energie hin. In einem Schritt 220 wird bestimmt, ob eine Longitudinalschwingung des gesamten Ultraschallbohrgeräts 100 vorliegt. Dazu wird bevorzugt geprüft, ob eine Variation des durch den Aktuator 120 fließenden Stroms oder der an ihm anliegenden Spannung über die Zeit der Frequenz der Eigenmode des Ultraschallbohrgeräts 100 entspricht. Für diese Bestimmung kann der im Schritt 210 bestimmte Frequenzbereich verwendet werden oder es kann eine im hörbaren Bereich liegende Eigenmode angenommen werden. In einem Schritt 225 wird die bestimmte Schwingung bewertet. Insbesondere kann bestimmt werden, ob eine Amplitude der Longitudinalschwingung ausreichend groß ist. Sinkt die Amplitude unter einen vorbestimmten Wert ab, so kann ein Abreißen der Longitudinalschwingung drohen, sodass in einem Schritt 230 eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden kann. In einer Variante umfasst die Gegenmaßnahme das Erhöhen der Amplitude der Ultraschallschwingung des Aktuators 120. In einer anderen Variante wird ein Signal ausgegeben, das darauf hinweist, dass die Anpresskraft des Ultraschallbohrgeräts 100 auf das Werkstück 105 zu verringern ist. Weist die Amplitude hingegen ausreichende Größe auf, so kann einem Schritt 235 die Amplitude des Aktuators 120 beibehalten oder ein Signal zur Beibehaltung der gewählten Anpresskraft ausgegeben werden. In einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt 225 auch bestimmt werden, dass die bestimmte Amplitude eine größere als die vorgesehene Amplitude aufweist. In diesem Fall kann in einem Schritt 240 der Aktuator 120 dazu angesteuert werden, die Amplitude der Schwingung zu verkleinern oder es kann ein Signal ausgegeben werden, das auf eine mögliche Vergrößerung der Anpresskraft hinweist.In one step 215 becomes an electrical parameter on the actuator 120 , preferably a current or a voltage, determined. This parameter indicates a mechanical energy provided by the actuator. In one step 220 it is determined whether a longitudinal vibration of the entire ultrasonic drill 100 is present. For this purpose, it is preferably checked whether a variation of the by the actuator 120 flowing current or the voltage applied to it over the time of the frequency of the eigenmode of the ultrasonic drill 100 equivalent. For this determination, the in step 210 certain frequency range can be used or it can be assumed a lying in the audible range eigenmode. In one step 225 the particular vibration is evaluated. In particular, it can be determined whether an amplitude of the longitudinal vibration is sufficiently large. If the amplitude drops below a predetermined value, the longitudinal vibration can be torn off, so that in one step 230 a countermeasure can be initiated. In one variant, the countermeasure includes increasing the amplitude of the ultrasonic vibration of the actuator 120 , In another variant, a signal is output, which indicates that the contact pressure of the ultrasonic drill 100 on the workpiece 105 is to be reduced. On the other hand, if the amplitude is of sufficient magnitude, it may be one step 235 the amplitude of the actuator 120 maintained or a signal to maintain the selected contact force are issued. In a further embodiment, in step 225 also be determined that the particular amplitude has a greater than the intended amplitude. In this case, in one step 240 the actuator 120 be driven to reduce the amplitude of the oscillation or it can be output a signal indicative of a possible increase in the contact pressure.

Anschließend kehrt das Verfahren 200 bevorzugt zum Anfang zurück und kann erneut durchlaufen.Subsequently, the process returns 200 preferably back to the beginning and can go through again.

3 zeigt Wirkzusammenhänge beim vorgeschlagenen Bohrprinzip. In einem ersten Diagramm 3A ist in horizontaler Richtung eine Zeit und in vertikaler Richtung eine Kontaktkraft angetragen. Es sind ein zeitlicher Verlauf 305 der Kontaktkraft, eine Bruchgrenze 310 und eine statische Anpresskraft 315 eingezeichnet. Die Bruchgrenze 310 gilt für den Fall, dass die Anpresskraft 315, die der mittleren Kontaktkraft entspricht, so groß ist, dass über die vollständige Ultraschallperiode Werkzeug und Material in Kontakt sind und sich so ein harmonischer Kontaktkraftverlauf einstellt. Der Verlauf 305 erfolgt bevorzugt mit Ultraschallfrequenz, wobei die Bruchgrenze 310 unter den angenommenen Voraussetzungen nicht erreicht wird: der Bohrfortschritt bei vollständiger Kopplung des Bohrwerkzeugs 115 mit dem Werkstück 105 ist gering oder beträgt null. 3 shows correlations in the proposed drilling principle. In a first diagram 3A, a time is applied in the horizontal direction and a contact force in the vertical direction. It is a time course 305 the contact force, a breaking point 310 and a static contact force 315 located. The breaking point 310 applies in the event that the contact pressure 315 , which corresponds to the average contact force, is so large that over the entire ultrasonic period tool and material are in contact and thus adjusts a harmonious contact force curve. The history 305 is preferably carried out at ultrasonic frequency, the breaking point 310 is not reached under the assumed conditions: the drilling progress with complete coupling of the drilling tool 115 with the workpiece 105 is low or zero.

Ein zweites Diagramm 3B zeigt in horizontaler Richtung eine Frequenz und in vertikaler Richtung den Betrag der Kontaktkraft. Frequenzkomponenten 320 liegen bei 0 (entsprechend der statischen Anpresskraft 315) und bei der Ultraschallfrequenz des Aktuators 120.A second diagram 3B shows a frequency in the horizontal direction and the magnitude of the contact force in the vertical direction. frequency components 320 are at 0 (corresponding to the static contact pressure 315 ) and at the ultrasonic frequency of the actuator 120 ,

Ein drittes Diagramm 3C ist aufgebaut wie das erste Diagramm 3A. Hier ist jedoch die statische Anpresskraft 315 geringer, sodass das Bohrwerkzeug kurzfristig vom Werkstück 105 abgehoben wird.A third diagram 3C is constructed like the first diagram 3A. Here, however, is the static contact pressure 315 less, so that the drilling tool at short notice from the workpiece 105 is lifted.

Ein hierzu korrespondierendes viertes Diagramm 3D zeigt Frequenzkomponenten 320 für diesen Fall. Zusätzlich zu den Frequenzkomponenten 320 des Diagramms 3B sind hier ganzzahlige Vielfache der Ultraschallfrequenz und ein kleiner breitbandiger Anteil in der Nähe der Frequenz 0 ausgeprägt. Dieser breitbandige Anteil kann die unterste, niederfrequente Resonanz des Schwingsystems des Ultraschallbohrgeräts 100 in longitudinaler Richtung anregen.A corresponding fourth diagram 3D shows frequency components 320 in this case. In addition to the frequency components 320 of the diagram 3B here are integer multiples of the ultrasonic frequency and a small broadband portion near the frequency 0 pronounced. This broadband component can be the lowest, low-frequency resonance of the vibration system of the ultrasonic drill 100 in the longitudinal direction.

Ein weiteres Diagramm 3E zeigt die Darstellung von 3D zusammen mit Resonanzfrequenzen 325. Nur die niedrigste der Resonanzfrequenzen 325 wird direkt durch das Kontaktkraftspektrum angeregt. Die höherfrequenten Resonanzfrequenzen 325 werden nicht direkt angeregt, da sich die Betriebsfrequenz des Aktuators 120 im Antiresonanzpunkt des Ultraschall-Schwingsystems befindet, wodurch die Betriebsfrequenz stets oberhalb der höheren (Ultraschall-)Resonanzfrequenzen 325 liegt.Another diagram 3E shows the representation of 3D along with resonance frequencies 325 , Only the lowest of the resonance frequencies 325 is excited directly by the contact force spectrum. The higher frequency resonance frequencies 325 are not excited directly because the operating frequency of the actuator 120 in the antiresonance point of the ultrasonic vibration system, whereby the operating frequency always above the higher (ultrasonic) resonance frequencies 325 lies.

Durch die niederfrequente Resonanz des Schwingsystems des Ultraschallbohrgeräts 100 überlagert sich der Ultraschallbewegung eine niederfrequente Schwingungsmode, die zu einem periodischen Kontaktkraftverlust (Hüpfen) und einhergehend damit auch zu einer periodischen Kontaktkraftüberhöhung führt, die vorteilhaft für den Abtragsprozess am Werkstück 105 genutzt werden kann. Ein weiteres Diagramm 3F zeigt diese Überlagerung zweier Schwingungen in longitudinaler Richtung.Due to the low-frequency resonance of the vibration system of the ultrasonic drill 100 The ultrasound movement is superimposed by a low-frequency vibration mode, which leads to a periodic loss of contact force (hopping) and, consequently, also to a periodic contact force increase, which is advantageous for the removal process on the workpiece 105 can be used. Another diagram 3F shows this superposition of two oscillations in the longitudinal direction.

4 zeigt eine Steuerung eines Inverters 130 für das Ultraschallbohrgerät 100. 4 shows a controller of an inverter 130 for the ultrasonic drill 100 ,

Der Inverter 130 speist sich aus Energie aus dem Energiespeicher 145 und regt ein Ultraschall-Schwingsystem 405, das das Bohrwerkzeug 115 umfasst, zur Schwingung an. Das Schwingsystem 405 bewirkt dadurch einen Ultraschall-Bohrprozess 410.The inverter 130 feeds energy from the energy store 145 and excites an ultrasonic vibration system 405 that the drilling tool 115 includes, to the vibration. The vibration system 405 causes thereby an ultrasonic drilling process 410 ,

Vom Schwingsystem 405 werden Messwerte abgetastet, die insbesondere mittels der Verarbeitungseinrichtung 135 verarbeitet werden können. Insbesondere kann ein Phasensignal φ bestimmt werden, das zur Steuerung des Inverters 130 verwendet werden kann. Bei der Steuerung kann außerdem eine Frequenz f bestimmt werden, die von der Messwertverarbeitung aufgenommen werden kann. Ein Modulationsgrad M kann der Verarbeitungseinrichtung 135 von extern vorgegeben werden.From the vibration system 405 Measured values are sampled, in particular by means of the processing device 135 can be processed. In particular, a phase signal φ that is used to control the inverter can be determined 130 can be used. In addition, the control can determine a frequency f that can be recorded by the measured value processing. A degree of modulation M can the processing device 135 be specified externally.

5 zeigt im oberen Bereich ein vereinfachtes Systemmodell des Bohrwerkzeugs 115 und im unteren Bereich ein vereinfachtes Systemmodell des Bohrprozesses 410. Beide Systemmodelle gehen von einer Masse-Feder-Dämpfer-Anordnung aus, um die Ultraschallschwingung bzw. die Longitudinalschwingung des Ultraschallbohrgeräts 100 verbessert modellieren zu können. 5 shows in the upper part of a simplified system model of the drilling tool 115 and at the bottom a simplified system model of the drilling process 410 , Both system models are based on a mass-spring-damper arrangement, the ultrasonic vibration or the longitudinal vibration of the ultrasonic drill 100 to be able to model better.

6 zeigt zeitliche Signalverläufe eines beispielhaften Bohrprozesses 410 mit überlagerter niederfrequenter Schwingungsmode des Ultraschallbohrgeräts 100. Von oben nach unten sind eine Anregespannung 605 des Aktuators 120, ein Strom 610 durch den Aktuator 120, eine Geschwindigkeit 615 des Bohrwerkzeugs 115, ein Bohrfortschritt 620 im Werkstück 105 und eine Kontaktkraft 625 zwischen dem Bohrwerkzeug 115 und dem Werkstück 105 angetragen. Die dunkel dargestellten Bereiche beziehen sich auf das Bohrwerkzeug 115, die hellen auf die Kontaktschicht. In der untersten Darstellung ist zusätzlich in Form einer geraden Linie bei ca. 1100 N eine Bruchgrenze 630 des Materials des Werkstücks 105 angegeben. 6 shows temporal signal curves of an exemplary drilling process 410 with superimposed low-frequency vibration mode of the ultrasonic drill 100 , From top to bottom are a starting voltage 605 of the actuator 120 , a stream 610 through the actuator 120 , a speed 615 of the drilling tool 115 , a drilling progress 620 in the workpiece 105 and a contact force 625 between the drilling tool 115 and the workpiece 105 plotted. The shaded areas refer to the drilling tool 115 that are bright on the contact layer. In the lowermost diagram, a break line is additionally available in the form of a straight line at approx. 1100 N. 630 the material of the workpiece 105 specified.

7 zeigt zugehörige Amplitudenspektren des Bohrprozesses 410 von 6 mit überlagerter niederfrequenter Schwingungsmode des Ultraschallbohrgeräts 100. Die Geschwindigkeit 615 zeigt einen sehr geringen, konstanten Anteil über alle Frequenzen, der die Bewegung des Bohrwerkzeugs 115 in das Werkstück 105 hinein repräsentiert. Geschwindigkeitsanteile um die Resonanzfrequenz 325 und ihre Vielfachen betreffen die Ultraschall-Schwingung des Bohrwerkzeugs 115. Im Kontaktkraftspektrum 625 ist erkennbar, dass der Einfluss der niederfrequenten Eigenmode in den Seitenbändern der Ultraschall-Resonanzfrequenzen 325 zu finden ist. 7 shows associated amplitude spectra of the drilling process 410 from 6 with superimposed low-frequency vibration mode of the ultrasonic drill 100 , The speed 615 shows a very small, constant proportion over all frequencies that the movement of the drilling tool 115 into the workpiece 105 represented in it. Speed components around the resonance frequency 325 and their multiples concern the ultrasonic vibration of the drilling tool 115 , In contact force spectrum 625 It can be seen that the influence of the low-frequency eigenmode in the sidebands of the ultrasonic resonance frequencies 325 can be found.

8 zeigt Verläufe einer in das Material des Werkstücks 105 eingekoppelten Leistung. Im oberen Bereich ist ein Signalverlauf bezüglich der Zeit und im unteren Bereich ein Amplitudenverlauf bezüglich der Frequenz dargestellt. 8th shows gradients one in the material of the workpiece 105 coupled power. In the upper part of a waveform with respect to the time and in the lower part of an amplitude curve with respect to the frequency is shown.

Claims

Procedure ( 200 ) for controlling an ultrasonic drill ( 100 ) for drilling into a workpiece ( 105 ), wherein the ultrasonic drill ( 100 ) a drilling tool ( 115 ) and an electric actuator ( 120 ), which is adapted to the drilling tool ( 115 ) into an ultrasound-frequency vibration, the method ( 200 ) comprises the following steps: - scanning ( 215 ) of an electrical parameter of the actuator ( 120 ), the parameter being adjusted to one by means of the actuator ( 120 ) indicates provided mechanical energy; - Determine ( 220 ), based on the parameter, whether the ultrasonic drill ( 100 ) performs a longitudinal oscillation in which the drilling tool ( 115 ) periodically from the workpiece ( 105 ) takes off.

Procedure ( 200 ) according to claim 1, characterized by a method step of controlling ( 230 . 240 ) by the actuator ( 120 ) flowing current to ensure the longitudinal oscillation.

Procedure ( 200 ) according to claim 1 or 2, characterized by a method step of outputting a signal ( 230 . 240 ) for adjusting the longitudinal contact force of the ultrasonic drill ( 100 ) on the workpiece ( 105 ) to ensure the longitudinal oscillation.

Procedure ( 200 ) according to any one of claims 1 to 3, wherein the frequency of the longitudinal oscillation is a eigenmode of the ultrasonic drilling apparatus ( 100 ).

Procedure ( 200 ) according to claim 4, wherein the eigenmode depends on the mass of the ultrasonic drilling device ( 100 ) and the contact pressure is determined.

Computer program product with program code means for carrying out the method ( 200 ) according to one of the preceding claims, if the computer program product is stored on a processing device ( 135 ) or stored on a computer-readable medium.

Ultrasonic drill ( 100 ) for drilling into a workpiece ( 105 ) by means of a drilling tool ( 115 ), wherein the ultrasonic drill ( 100 ) comprises: - a photograph ( 110 ) for the drilling tool ( 115 ); An electric actuator ( 120 ) which is adapted to put the recording in an ultrasound-frequency oscillation; A scanning device ( 130 ) for determining an electrical parameter of the actuator ( 120 ), the parameter being adjusted to one by means of the actuator ( 120 ) indicates provided mechanical energy; and a control device ( 125 ) for controlling the actuator ( 120 ), - wherein the control device ( 125 ) is adapted to determine on the basis of the parameter whether the ultrasonic drilling device ( 100 ) performs a longitudinal oscillation in which the drilling tool ( 115 ) periodically from the workpiece ( 105 ) takes off.

Ultrasonic drill ( 100 ) according to claim 7, characterized in that the control device ( 125 ) is set up by the actuator ( 120 ) to control flowing current to ensure the vibration.

Ultrasonic drill ( 100 ) according to one of claims 7 or 8, characterized by an output device ( 140 ) for a signal, wherein the control device ( 125 ) is adapted to a signal for adjusting the longitudinal contact force of the ultrasonic drill ( 100 ) on the workpiece ( 105 ) to ensure the longitudinal vibration.

Ultrasonic drill ( 100 ) according to one of claims 7 to 9, further comprising an electrical energy store ( 145 ).