DE102019106694A1 - Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenelement - Google Patents

Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenelement Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode (4), welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude Aversetzt ist, mit einem Gegenelement (5). Um ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten einer Sonotrode mit einem Gegenelement besonders schnell und kostengünstig detektiert werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude A(1) während eines ersten Messzeitraumes ΔT, und (b) Bestimmen aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude A(1), ob ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten innerhalb des Messzeitraums ΔT erfolgt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode, welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude A0 versetzt ist, mit einem Gegenelement. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Detektion eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug, wobei zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug ein zu bearbeitendes Material anordbar ist. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Ultraschallschwingvorrichtung.
  • Ultraschallschwingvorrichtungen weisen in der Regel zumindest eine Sonotrode auf, die bestimmungsgemäß in eine mechanische Schwingung versetzt werden kann. Beim Ultraschallschweißen mit einer Ultraschallschweißvorrichtung oder beim Ultraschallschneiden mit einer Ultraschallschneidvorrichtung wird gegenüberliegend zu der Sonotrode ein Gegenwerkzeug und zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug das zu bearbeitende Material angeordnet. Das Material wird dann je nach Anwendungsgebiet von der Sonotrode mit einer Schweißnaht versehen oder zerschnitten.
  • Ist beim Ultraschallschneiden ein Schnitt erfolgreich abgeschlossen worden oder wird beim Ultraschallschweißen das Ende einer Materialbahn erreicht, kommt es zu einem In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug.
  • Ein solches Berühren bzw. Zusammenstoßen von Sonotrode und Gegenwerkzeug, das während einer betriebsbedingten Schwingung der Sonotrode erfolgt, ist zum einen ein unerwünschter Effekt, da sowohl Sonotrode als auch Gegenwerkzeug aus harten Materialien bestehen, sodass ein Zusammenstoßen oder Aneinander-Reiben von Gegenwerkzeug und Sonotrode einen starken Verschleiß dieser beiden Elemente bedingt.
  • Zum anderen zeigt ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug bestimmte Prozessereignisse an. Beim Schneiden mit einer Ultraschallschneidvorrichtung zeigt ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug an, dass das zu zerschneidende Material durchtrennt ist. Beim Schweißen mit einer Ultraschallschweißvorrichtung kann ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug dementsprechend ein nicht beabsichtigtes Durchtrennen des Materials anzeigen. Bei beiden Anwendungen kann das In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug auch das Erreichen eines Endes einer sich zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug entlang geführten Materialbahn anzeigen.
  • Insbesondere beim Schneiden mit einer Ultraschallschneidvorrichtung ist es für die Prozesssicherheit und die Qualität der zu bearbeitenden Produkte wichtig, den Zeitpunkt feststellen zu können, bei dem sich die Sonotrode und das entsprechende Gegenwerkzeug berühren, da dies erlaubt, daran anschließende, adäquate Maßnahmen durchzuführen. Dabei ist zwischen dem Zeitpunkt zu unterscheiden, bei dem tatsächlich ein Kontakt stattfindet und dem Zeitpunkt, bei dem der Kontakt bestimmt und verortet wird. Die dazwischenliegende Zeit wird im Sinne der vorliegenden Erfindung als Erfassungszeit bezeichnet. Eine Reaktion auf den Kontakt kann somit erst nach Ablauf der Erfassungszeit erfolgen, sodass die Reaktionszeit größer oder gleich der Erfassungszeit ist.
  • Bisher wurden Ultraschall-Schneidvorgänge zumeist einfach so lange ausgeführt, bis eine bestimmte vordefinierte Laufzeit oder ein bestimmter vordefinierter Energieverbrauch erreicht wurde, für die bzw. den sich für die jeweilige Anwendung aus vorangegangenen Erfahrungen gezeigt hatte, dass der Schneidvorgang nach Ablauf dieser Laufzeit oder nach Erreichen dieses Energieverbrauchs abgeschlossen ist. Diese Verfahren sind allerdings nicht besonders präzise und erfordern eine lange Vorlaufzeit, in der für eine bestimmte Anwendung zunächst ausreichend Erfahrungen bzw. Messungen gesammelt werden müssen.
  • Alternativ wurde eine sogenannte Metallkontakt-Elektronik verwendet, bei der das In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug ähnlich wie bei einem Relaisschalter über eine zusätzlich von außen angelegte Gleichspannung festgestellt wurde. Ein solches Verfahren erfordert aber zusätzliche Sensorik bzw. Elektronik und ist daher mit einem größerem Aufwand und höheren Kosten verbunden. Die Erfassungszeiten solcher Verfahren betragen 2 ms oder mehr. Dies ist für viele Anwendungen zu lang.
  • Neben dem Bestimmen eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug ist es auch wünschenswert, dass Außer-Kontakt-Treten einer Sonotrode und eines Gegenwerkzeug sowie das In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem anderen Gegenelement bestimmen zu können. Die Detektion solcher Ereignisse mit zusätzlicher Sensorik dauert allerdings oftmals zu lange oder ist zu aufwendig.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten einer Sonotrode mit einem Gegenelement detektiert werden kann, wobei das Verfahren die genannten Probleme beseitigt oder zumindest mindert. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das den Zeitpunkt des In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug mit einer Erfassungszeit kleiner als 1 ms bestimmt und zudem kostengünstig ist.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Gegenstand des Anspruchs 1 ist ein Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode, welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude A0 versetzt ist, mit einem Gegenelement mit den Schritten:
    1. a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude A0 während eines ersten Messzeitraumes ΔT,
    2. b) Bestimmen aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude A0, ob ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten innerhalb des Messzeitraumes ΔT erfolgt ist.
  • Im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren, die ausschließlich auf die Detektion eines In-Kontakt-Tretens ausgerichtet waren, lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren auch ein Außer-Kontakt-Treten detektieren. Dies kann beispielsweise bei der Ultraschallbearbeitung von mehrschichtigen Systemen von Bedeutung sein, wenn die Durchtrennung einer innenliegenden härteren Schicht (also das Außer-Kontakt-Treten mit dieser härteren Schicht) erfasst werden soll.
  • Bevorzugt ist die Schwingung eine periodische Schwingung und insbesondere eine harmonische Schwingung. Unter der Annahme einer harmonischen Schwingung mit der Frequenz f hängt die Auslenkung A(t) der Schwingung als Funktion der Zeit t in der üblichen Weise A ( t ) = A 0 ( t )  cos ( 2 π f t )
    Figure DE102019106694A1_0001
    mit der Schwingungsamplitude A0 zusammen. Im Idealzustand schwingt die Sonotrode mit konstanter Schwingungsamplitude A0. Die Schwingungsamplitude ändert sich jedoch, wenn sich die Ankopplung zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug oder zwischen Sonotrode und zu bearbeitendem Material ändert, so dass dann die Schwingungsamplitude ebenfalls eine zeitabhängige Größe A0(t) ist. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zu nutze.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Zeitpunkt des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens deutlich schneller bestimmt als dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Fall ist. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dadurch kürzere Erfassungszeiten von 100 µs und weniger. Dies hat zur Folge, dass auch schneller auf ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Gegenelement und Sonotrode, insbesondere von Gegenwerkzeug und Sonotrode, reagiert werden kann. Folglich wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit geschaffen, mit sehr kurzen Reaktionszeiten auf ein In-oder Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement zu reagieren.
  • Als Reaktionszeit ist die Zeit zwischen dem tatsächlichen Zeitpunkt des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens und dem Zeitpunkt einer darauf gerichteten Reaktion, wie beispielsweise dem Aufruf eines Steuerbefehls, zu verstehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten der Sonotrode mit dem Gegenelement festgestellt, wenn die erfasste Schwingungsamplitude A0 von einer vorbestimmten Referenzamplitude R um mehr als einen vorbestimmten Toleranzwert α abweicht oder wenn die erfasste Schwingungsamplitude A0 außerhalb eines vorbestimmten Toleranzintervalls [Tmin, Tmax] liegt.
  • Diese Ausführungsform stellt folglich einen Toleranzbereich bereit, der entweder durch eine Referenzamplitude R und einen Toleranzwert α oder ein Toleranzintervall [Tmin, Tmax] definiert ist. Bei diesem Toleranzbereich handelt es sich um einen zusammenhängenden Teilbereich der möglichen Schwingungsamplitude. Es hat sich gezeigt, dass für jede schwingende Sonotrode einer Ultraschallschwingvorrichtung ein solcher Toleranzbereich definiert werden kann, sodass bei einem In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement und insbesondere bei einem In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug die Schwingungsamplitude außerhalb eines definierbaren Toleranzbereich liegt und ansonsten bei einer regelmäßigen Schwingung ohne ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement innerhalb dieses Toleranzbereiches liegt.
  • Bevorzugt wird ein In-oder-Außer-Kontakt treten nur dann festgestellt, wenn die Schwingungsamplitude den Toleranzbereich verlässt.
  • Dies hat den Vorteil, dass der Einschwingvorgang der Ultraschallschwingvorrichtung nicht gesondert behandelt werden muss. Während des Einschwingens einer Sonotrode kann die Schwingungsamplitude Werte außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches annehmen, obwohl kein entsprechendes In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement erfolgt. Das Bestimmen eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens gemäß der hier diskutierten bevorzugten Ausführungsform setzt aber voraus, dass die Schwingungsamplitude den Toleranzbereich verlässt. In der Regel nimmt die Schwingungsamplitude aber erst mit dem Abschluss des Einschwingvorgangs Werte innerhalb des Toleranzbereiches an. Daher ist durch die Forderung des „Verlassens“ sichergestellt, dass es während des Einschwingvorgangs nicht zu einem falschen Bestimmen eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens kommt.
  • Zur Bildung eines redundanten Systems, welches die Gefahr eines falsch-positiven Bestimmens eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens minimiert, ist der Messzeitraum ΔT zudem bevorzugt derart ausgebildet, dass ein Einschwingvorgang der Sonotrode vor Beginn des Messzeitraums ΔT abgeschlossen ist.
  • Die Nutzung eines Toleranzbereiches zur Bestimmung des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens von Sonotrode und Gegenelement ist besonders vorteilhaft, da dadurch das Bestimmen des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens sehr einfach und schnell erfolgt und keine zeitaufwendigen Berechnungen auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude ausgeführt werden müssen, welche die Erfassungszeit und die potentielle Reaktionszeit erhöhen würden. Vielmehrwird ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten unmittelbar dadurch festgestellt, dass die Schwingungsamplitude außerhalb des Toleranzbereiches liegt bzw. den Toleranzbereich verlässt.
  • In einer besonders einfachen Ausführungsform kann die Referenzamplitude einfach der vorhergehende erfasste Messwert sein. Sobald die Differenz zwischen dem aktuellen Messwert und dem vorherigem Messwert (als Referenzamplitude) größer als ein vorbestimmter Toleranzwert α wird, wird dies als In-Kontakt-Treten (oder als Außer-Kontakt-Treten) interpretiert. Der Toleranzwert α kann auf Erfahrungswerten beruhen.
  • Um kurzzeitige Änderungen der Schwingungsamplitude ignorieren zu können, kann es von Vorteil sein, wenn das Messsignal der Schwingungsamplitude über einen Tiefpassfilter geführt wird.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vor Schritt a) während eines zweiten Messzeitraumes Δt ein zeitlicher Verlauf der Schwingungsamplitude A0 erfasst und aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Δt die Referenzamplitude und/oder das Toleranzintervall berechnet.
  • Bei dieser Ausführungsform wird der Toleranzbereich auf vorteilhafte Weise im Betrieb ohne eine vorangegangene Festlegung oder Justierung der Ultraschallschwingvorrichtung festgelegt. Folglich findet eine automatisierte Eigen-Kalibrierung der Ultraschallschwingvorrichtung statt, die immer an den laufenden Betrieb bzw. an die Schwingung im laufenden Betrieb angepasst ist, sodass nicht für unterschiedliche Ultraschallschwingvorrichtungen oder unterschiedliche Anwendungen oder unterschiedliche äußere Umstände die jeweils passende Referenzamplitude von außen eingestellt werden muss. Dadurch wird die Handhabung vereinfacht und die Effizienz der betreffenden Ultraschallschwingvorrichtung verbessert.
  • Insbesondere hinsichtlich der Detektion eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug gibt es bei vielen Ultraschallanwendungen, wie zum Beispiel beim Ultraschallschweißen oder Ultraschallschneiden, bekannte Zeiträume, innerhalb derer unter keinen normalen Umständen ein In-Kontakt-Treten der Sonotrode mit dem Gegenwerkzeug zu erwarten ist. Die hier diskutierte Ausführungsform ermöglicht es, einen oder mehrere dieser Zeiträume als zweiten Messzeitraum zu verwenden, um die Referenzamplitude für den Toleranzbereich zu definieren.
  • Bei entsprechenden Verfahren zur Detektion eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug ist daher der zweite Messzeitraum bevorzugt derart ausgewählt, dass innerhalb des zweiten Messzeitraumes kein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug unter gewöhnlichen Umständen zu erwarten ist.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Δt eine mittlere Schwingungsamplitude berechnet wird und die berechnete mittlere Schwingungsamplitude in Schritt b) als vorbestimmte Referenzamplitude verwendet wird. Durch die Verwendung eines Mittelwerts der Schwingamplitude, der während des Betriebes berechnet wird, als Referenzamplitude wird sichergestellt, dass der sich aus der Referenzamplitude und dem Toleranzwert ergebene Toleranzbereich immer genau an den laufenden Betrieb angepasst ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Δt eine minimale Schwingungsamplitude Amin und eine maximale Schwingungsamplitude Amax bestimmt, wobei aus der minimalen Schwingungsamplitude Amin und der maximalen Schwingungsamplitude Amax das Toleranzintervall mit Tmin ≤Amin und Tmax ≥Amax berechnet wird. Diese Ausführungsform stellt im Besonderen sicher, dass der durch das Toleranzintervall gebildete Toleranzbereich alle Werte der Schwingungsamplitude umfasst, die kein In-oder-Außer-Kontakt-Treten der Sonotrode mit einem Gegenelement anzeigen. Dabei ist das Toleranzintervall immer an die besonderen Umstände im Betrieb angepasst. So kann sich das Toleranzintervall einer einzigen Ultraschallschneidvorrichtung aufgrund unterschiedlicher äußerer Umstände dynamisch anpassen. Beispielsweise kann das Toleranzintervall bei einem ersten Schneidprozess breiter ausgebildet sein als bei einem darauffolgenden zweiten Schneidprozess.
  • Für einen sich immer wieder wiederholenden Prozess, der von einer Ultraschallschwingvorrichtung ausgeführt wird, werden die oben genannten Ausführungsformen zum automatisierten Bestimmen der Referenzamplitude und/oder des Toleranzintervalls bevorzugt einmalig oder nur einige wenige Male ausgeführt. Anschließend werden für weitere gleichartige Prozesse, für die keine Änderungen der äußeren Umstände zu erwarten sind, die auf diese Weise bestimmten Referenzamplituden und/oder Toleranzintervalle verwendet.
  • Unter Prozessen einer Ultraschallschwingvorrichtung sind insbesondere Schneidprozesse eines Ultraschallschneidwerkzeuges und Schweißprozesse eines Ultraschallschweißwerkzeuges zu verstehen.
  • Eine bevorzugten Ausführungsform sieht vor, dass in Schritt a) die Sonotrode von einem Konverter angeregt wird, wobei der Konverter mit einem Stromerzeuger verbunden ist und der von dem Stromerzeuger bereitgestellte und durch den Konverter fließende Strom IE (t) gemessen wird, wobei die von dem Stromerzeuger an den Konverter angelegte Spannung UE (t) gemessen wird, und wobei aus der gemessenen Spannung UE (t) und aus dem gemessenen Strom IE (t) die Schwingungsamplitude oder eine mit der Schwingungsamplitude in Relation stehende Feldgröße des elektrischen Schwingsystems bestehend aus dem Stromerzeuger und dem Konverter berechnet wird.
  • Insbesondere kann die Schwingungsamplitude mit einem aus der WO 2013/017452 A2 bekannten Verfahren bestimmt werden.
  • Der Stromerzeuger ist bevorzugt ein Generator und stellt eine periodisch sich ändernde Spannung, vorzugsweise eine Wechselspannung, bereit, die bevorzugt in einem Konverter mit einem piezo-elektrischen Element in eine mechanische Schwingung umgewandelt wird, sodass sich innerhalb einer frei schwingenden Ultraschallschwingvorrichtung eine stehende Welle ausbildet, wobei die Sonotrode und die angelegte Spannung derart ausgebildet sind, dass die Position eines Wellenbergs der stehenden Welle mit der Position einer Frontfläche der Sonotrode übereinstimmt. Die Frequenz der angelegten periodisch sich ändernden Spannung ist die Erregerfrequenz, welche derart gewählt wird, dass sie einer Resonanzfrequenz der frei schwingenden, d. h. nicht mit anderen Elementen in Kontakt befindlichen, Ultraschallschwingvorrichtung entspricht.
  • Unter Berücksichtigung der hier diskutierten Ausführungsform liegt der vorliegenden Erfindung unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass mit dem In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement das Schwinggebilde der gesamten Ultraschallschwingvorrichtung derart modifiziert wird, dass sich die Resonanzfrequenz der Ultraschallschwingvorrichtung verschiebt. In der Folge stimmen Erregerfrequenz und Resonanzfrequenz nicht mehr überein. Dies wiederum bewirkt eine Änderung, wie beispielsweise ein „Zittern“, d. h. ein wechselndes Ansteigen und Abfallen der Schwingungsamplitude.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden, weiteren Schritt c) auf:
    • c) Bestimmen eines Zeitpunktes to, bei dem ein in Schritt b) erkanntes In-oder-Außer-Kontakt-Treten erfolgt ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude, wobei der Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude innerhalb des Messzeitraums erstmals den Toleranzbereich verlässt, oder ein um eine vordefinierte Korrekturzeit von diesem Zeitpunkt versetzter Zeitpunkt als Zeitpunkt to des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens festgelegt wird.
  • Durch das Bestimmen des Zeitpunktes kann auf vorteilhafte Weise eine weitergehende Optimierung des zugrundeliegenden Prozesses erfolgen.
  • Die erste Alternative, bei welcher der Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude innerhalb des Messzeitraums erstmals den Toleranzbereich verlässt als Zeitpunkt to des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens festgelegt wird, stellt ein besonders einfaches Verfahren zum Bestimmen des Zeitpunktes des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens dar, welches ausschließlich eine einfache Abfrage der Schwingungsamplitude und einen Vergleich mit dem Toleranzbereich benötigt. Darüber hinaus sind keine weiteren Verfahrensschritte notwendig, sodass mittels dieses bevorzugten Verfahrens ein besonderes schnelles und effizientes Bestimmen des Zeitpunktes to des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens erfolgt.
  • Mit der zweiten Alternative, die eine Korrekturzeit vorsieht, kann der Zeitpunkt des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens in Abhängigkeit von Erkenntnissen, Erfahrungen und Messungen, die mit einzelnen Ultraschallschwingvorrichtungen gemacht werden, sehr genau und spezifisch festgelegt werden.
  • In einer Ausführungsform wird in Schritt a) eine Abtastrate zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufes der Schwingungsamplitude von mindestens 2.000 Samples/Sekunde, vorzugsweise von mindestens 5.000 Samples/Sekunde und besonders bevorzugt von mindestens 15.000 Samples/Sekunde verwendet. So wurde in einer bevorzugten Ausführungsform alle 50 µs ein Messwert aufgenommen, was 20.000 Samples/Sekunde entspricht.
  • Durch die oben genannten Abtastraten wird sichergestellt, dass die Zeit zwischen dem Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude tatsächlich den Toleranzbereich verlässt, und dem Zeitpunkt, bei dem ein Verlassen des Toleranzbereiches festgestellt wird, genügend kurz ist. Zum Beispiel liegen bei einer Abtastrate von 5 000 Samples/Sekunde zwischen dem Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude tatsächlich den Toleranzbereich verlässt, und dem bestimmten Zeitpunkt, bei dem das Verlassen des Toleranzbereiches erkannt wird, immer weniger als 200 µs, bei einer Abtastrate von 10 000 Samples/Sekunde immer weniger als 100 µs und bei einer Abtastrate von 20 000 Samples/Sekunde immer weniger als 50 µs.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Gegenelement ein Gegenwerkzeug verwendet, wobei zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug ein zu bearbeitendes Material anordbar ist und das in Kontakt treten der Sonotrode mit dem Gegenwerkzeug detektiert wird.
  • Dadurch kann beispielsweise beim Ultraschallschneiden auf vorteilhafte Weise detektiert werden, wann ein Schnitt abgeschlossen ist, da das In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug den eingetretenen Erfolg eines Schneidprozesses anzeigt.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Steuern einer Ultraschallschwingvorrichtung gelöst, wobei die Ultraschallschwingvorrichtung eine Sonotrode und ein Gegenwerkzeug aufweist, und wobei das Gegenwerkzeug im Betrieb derart der Sonotrode gegenüberliegend angeordnet ist, dass ein Material zur Bearbeitung durch die Sonotrode zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug anordbar ist, mit den Schritten:
    1. A) Anregen der Sonotrode mit einer Schwingung während einer vorbestimmten Zeitdauer td, darauffolgend
    2. B) Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 8 (gemäß der zuvor diskutierten Ausführungsform, und
    3. C) Beenden der Anregung der Sonotrode oder Wegbewegen der Sonotrode vom Gegenwerkzeug, falls in Schritt B) ein In-Kontakt-Treten zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug detektiert wurde.
  • Das mittels des zuvor diskutierten Verfahrens bestimmte In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug wird durch das in dieser Ausführungsform beschriebene Verfahren zum Steuern der Ultraschallschwingvorrichtung genutzt. Die Verfahrensschritte erfolgen dabei bevorzugt automatisiert.
  • Da die Erfassungszeiten des zuvor diskutierten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des In-Kontakt-Tretens von Sonotrode und Gegenwerkzeug deutlich geringer sind als die aus dem Stand der Technik bekannten Erfassungszeiten, ist auch die potentielle Reaktionszeit des Steuerbefehls, der sich an das Bestimmen des In-Kontakt-Tretens anschließt, deutlich kürzer.
  • Da das In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug unter einer schwingenden Sonotrode aufgrund des dabei erfolgenden Gegeneinander-Stoßens oder Aneinander-Reibens mit einem erhöhten Verschleiß einhergeht, wird mit dem Beenden (Ausschalten) der Anregung oder dem Wegbewegen der Sonotrode nach dem ersten erkannten In-Kontakt-Treten der Verschleiß von Sonotrode und Gegenwerkzeug auf ein minimales Maß begrenzt, wobei die dabei verwendbare Reaktionszeit deutlich kleiner ist - nämlich im Bereich von ca. 100 µs - als bei den bisher verwendeten Verfahren, die auf einer Metallkontakt-Detektion beruhen. Bei diesen Verfahren ergeben sich minimal erreichbare Reaktionszeiten von 2 ms auf der Basis der dabei erreichbaren Erfassungszeiten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird Schritt C) erst nach einer vordefinierten Nachlaufzeit tN nach erfolgter Detektion eines In-Kontakt-Tretens durchgeführt, wobei vorzugsweise unmittelbar nach dem Erkennen des In-Kontakt-Tretens eine Reduzierung der Schwingungsamplitude bewirkt wird.
  • Eine solche vordefinierte Nachlaufzeit tN ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mit dem In-Kontakt-Treten von Gegenwerkzeug und Sonotrode der Prozess der Ultraschallanwendung, beispielsweise ein Ultraschallschweißvorgang oder ein Ultraschallschneidvorgang, nicht vollständig abgeschlossen ist. So können Sonotrode und Gegenwerkzeug abschnittsweise bei einem Schneidvorgang in Kontakt treten, obwohl das zu zerschneidende Material noch nicht 100%ig durchtrennt ist. Daher ist es für Ultraschallschwingvorrichtungen vorteilhaft, dass eine solche vordefinierte Nachlaufzeit vorgesehen und einstellbar ist.
  • Zudem kann es auch vorkommen, dass ein In-Kontakt-Treten bestimmt wird kurz bevor es zu einem tatsächlichen In-Kontakt-Treten kommt. In einem solchen Fall wäre die Erfassungszeit folglich negativ. Für diese Fälle ist eine Nachlaufzeit daher ebenfalls sinnvoll, um sicherzustellen, dass die gewünschte Anwendung, zum Beispiel ein Ultraschallschneidvorgang, erfolgreich abgeschlossen wird.
  • Bevorzugt wird die Schwingungsamplitude innerhalb der Nachlaufzeit stetig verkleinert, sodass es nicht zu einem abrupten Beenden der Schwingung sondern zu einem „fading out“ der Schwingung kommt. Dadurch werden beim Ultraschall-Schweißen die Schneidränder und beim UltraschallSchneiden die Schweißnähte besonders sauber ausgearbeitet.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der Beginn des Messzeitraumes ΔT vom Zeitpunkt eines Beginns (Einschaltens) der Schwingung der Sonotrode ausgesehen erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit td, sodass ein Einschwingen der Schwingung der Sonotrode außerhalb des Messzeitraumes ΔT erfolgt.
  • Dadurch wird der bereits erwähnte Einschwingvorgang der Sonotrode, innerhalb dessen die Schwingung in der Regel auch außerhalb eines gegebenenfalls definierten Toleranzbereiches liegt, vom Messzeitraum ausgeschlossen, sodass es nicht zu einem falsch-positiven Bestimmen eines In-Kontakt-Tretens auf der Basis des zeitlichen Verlaufs der Amplitude der Schwingung der Sonotrode kommen kann. Eine derartige Festlegung des Messzeitraumes ist hinsichtlich der Gefahr, ein außerhalb des Messzeitraums stattfindendes In-Kontakt-Treten nicht zu bestimmen, in den allermeisten Fällen unkritisch, da während des Einschwingvorganges ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug bei Ultraschallschwingvorrichtungen bzw. Ultraschallschall-Anwendungen in der Regel nicht zu erwarten ist.
  • Alle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren sind bevorzugt als computerimplementierte Verfahren ausgebildet.
  • Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Ultraschallschwingvorrichtung mit einer Sonotrode, einem Gegenwerkzeug, wobei ein von der Sonotrode zu bearbeitendes Material zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug anordbar ist und umfassend Mittel zur Ausführung eines computerimplementierten Verfahrens gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Bevorzugt weist die Ultraschallschwingvorrichtung dabei einen Generator zum Bereitstellen einer hochfrequenten elektrischen Spannung, einen Konverter mit mindestens einem piezo-elektrischen Element zur Umwandlung der hochfrequenten elektrischen Spannung in eine mechanische Schwingung auf, wobei der Konverter mit der Sonotrode derart verbunden ist, dass sich eine mechanische Schwingung des Konverters auf die Sonotrode überträgt.
  • Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Ultraschallschwingvorrichtung eine Ultraschallschneidvorrichtung. Bei solchen Ultraschallschneidvorrichtungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Reaktionszeit zum Steuern der Ultraschallschwingvorrichtung in Folge eines bestimmten In-Kontakt-Tretens von Sonotrode und Gegenwerkzeug besonders kurz ist, da ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug gleichbedeutend mit einem Abschluss des Schneidvorgangs ist. Schneidprozesse können dadurch effizienter und werkzeugschonender durchgeführt werden.
  • Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programmes durch einen Computer oder Prozessor diesen veranlassen, ein Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
  • Die Erfindung umfasst zudem ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figur.
  • Es zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung einer Sonotrode und einem Amboss vor dem In-Kontakt-Treten (links) und beim In-Kontakt-Treten und
    • 2: ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude einer Sonotrode bei Verwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 ist eine schematische Darstellung einer Sonotrode 4 und eines Gegenwerkzeuges 5 dargestellt. Zwischen der Sonotrode 4 und dem Gegenwerkzeug 5 ist ein zu durchtrennendes Material 7 angeordnet. Das Gegenwerkzeug 5 weist eine Erhöhung 6 auf.
  • Auf der linken Seite von 1 ist die Situation unmittelbar vor der Bearbeitung dargestellt. Zum Durchtrennen des Materials 7 wird die Sonotrode 4 in Richtung des Gegenwerkzeuges 5 bewegt. Das Material 7 wird zwischen Sonotrode 4 und der Erhöhung 6 zusammengedrückt bis sich Sonotrode 4 und Erhöhung 6 berühren, wie in 1 rechts dargestellt. Beim In-Kontakt-treten der Erhöhung 6 mit der Sonotrode 4 ist das Material 7 durchtrennt und der Bearbeitungsschritt abgeschlossen. In dem in 1 rechts gezeigten Zustand führt das In-Kontakt-treten der Erhöhung 6mit der Sonotrode 4 zu einer Veränderung der Schwingungsamplitude der Sonotrode 4, welche erfindungsgemäß detektiert wird.
  • 2 zeigt ein zweiachsiges Diagramm, bei dem auf der horizontalen Achse die Zeit t und auf der vertikalen Achse die Schwingungsamplitude A0 angegeben wird. Die mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnete Linie stellt folglich den zeitlichen Verlauf 1 der Schwingungsamplitude A0 dar.
  • Bei dem dargestellten zeitlichen Verlauf 1 der Schwingungsamplitude A0 handelt es sich um den zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude einer Sonotrode einer Ultraschallschneidvorrichtung, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug angewendet wurde. Bei dem zu Grunde liegenden Schneidprozess wurde zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug ein Material angeordnet, das anschließend von der Sonotrode durch Ultraschallbearbeitung zerschnitten wurde. Der in 2 gezeigte zeitliche Verlauf 1 zeigt dabei die Schwingungsamplitude A0 der Sonotrode von dem Zeitpunkt des Beginns bzw. Einschaltens der dabei verwendeten Schwingung der Sonotrode ausgehend bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Schwingung der Sonotrode endet.
  • Im zeitlichen Verlauf 1 der Schwingungsamplitude A0 ist im linken Bereich der Einschwingvorgang zu erkennen, bei dem die Schwingungsamplitude A0 der Sonotrode von einer Nullstellung zunächst stetig ansteigt bevor sie dann im mittleren Bereich des Diagramms einen um einen festen Wert leicht oszillierenden Verlauf annimmt, der anzeigt, dass der Einschwingvorgang abgeschlossen ist.
  • Bei dem in der 2 gezeigten zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude A0 wurde eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angewandt, bei der eine derart ausgebildete Verzögerungszeit td vorgesehen ist, dass der Messzeitraum ΔT erst nach dem Beenden des Einschwingvorgangs startet. Die zeitliche Ausdehnung der Verzögerungszeit td ist in dem in 2 dargestellten Diagramm mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet.
  • Zudem ist in dem in 2 gezeigten Diagramm ein Toleranzbereich 3 eingezeichnet, der durch eine Referenzamplitude R und eine Toleranzwert α definiert wird. Der Toleranzbereich 3 reicht von einer unteren Grenze der Schwingungsamplitude R-α bis zu einer oberen Grenze der Schwingungsamplitude R+α. Das zugrundeliegende erdfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein In-Kontakt-Treten von Gegenwerkzeug und Sonotrode dann bestimmt ist, wenn die Schwingungsamplitude innerhalb des Messzeitraums ΔT, hier also nach der Verzögerungszeit td, den Toleranzbereich 3 verlässt und damit Werte größer als R+α oder kleiner als R-α annimmt.
  • Es ist ersichtlich, dass an der mit der Bezugszahl 2 gekennzeichneten Stelle des zeitlichen Verlaufs 1 der Schwingungsamplitude A0 die Schwingungsamplitude A0 innerhalb des Messzeitraums ΔT, der nach der Verzögerungszeit td begonnen hat, einen Wert außerhalb des Toleranzbereichs 3 einnimmt, nachdem sie zuvor noch einen Wert innerhalb des Toleranzbereichs 3 eingenommen hatte. Der dazugehörige Zeitpunkt to ist folglich durch den Zeitpunkt bestimmt, bei dem die Schwingungsamplitude A0 erstmals außerhalb des Toleranzbereichs 3 liegt. Der Zeitpunkt to wird nun als der Zeitpunkt bestimmt, bei dem ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug erfolgt ist.
  • Bei der dem in 2 gezeigten Diagramm zu Grunde liegenden Ausführungsform der Erfindung wird als Reaktion auf das bestimmte In-Kontakt-Treten von Gegenwerkzeug und Sonotrode die Ultraschallschwingvorrichtung nach einer Nachlaufzeit tN abgeschaltet, sodass die Schwingung der Sonotrode endet. Die Nachlaufzeit tN ist ausgehend vom Zeitpunkt to des In-Kontakt-Tretens ebenfalls in der 2 mit einem Doppelpfeil eingezeichnet. Das dem gezeigten Verlauf 1 der Schwingungsamplitude A0 zu Grunde liegende Verfahren sieht dabei vor, dass innerhalb der Nachlaufzeit tN die Schwingungsamplitude stetig verkleinert wird. Mit dem Ablauf der Nachlaufzeit tN endet die Schwingung der Sonotrode innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums, innerhalb dessen die Schwingungsamplitude auf die Nullstellung der Schwingungsamplitude abfällt.
  • Zusammenfassend lässt sich sagen: Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode (4), welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude A0 versetzt ist, mit einem Gegenelement (5). Um ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten einer Sonotrode mit einem Gegenelement besonders schnell und kostengünstig detektiert werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude A0 (1) während eines ersten Messzeitraumes ΔT, und (b) Bestimmen aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude A0 (1), ob ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten innerhalb des Messzeitraums ΔT erfolgt ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zeitlicher Verlauf der Schwingungsamplitude
    2
    Stelle im Wertebereich der Schwingungsamplitude
    3
    Toleranzbereich
    4
    Sonotrode
    5
    Gegenwerkzeug
    6
    Erhöhung
    7
    Material
    R
    Referenzamplitude
    α
    Toleranzwert
    td
    Verzögerungszeit
    tN
    Nachlaufzeit
    t0
    Zeitpunkt
    t
    Zeit
    A0
    Schwingungsamplitude (Amplitude der Schwingung der Sonotrode)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/017452 A2 [0033]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode (4), welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude A0 versetzt ist, mit einem Gegenelement (5) mit den Schritten: a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude A0 (1) während eines ersten Messzeitraumes ΔT, b) Bestimmen aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude A0 (1), ob ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten innerhalb des Messzeitraums ΔT erfolgt ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein In-oder Außer-Kontakt-Treten der Sonotrode (4) mit dem Gegenelement (5) festgestellt wird, wenn die erfasste Schwingungsamplitude A0 von einer vorbestimmten Referenzamplitude R um mehr als einen vorbestimmten Toleranzwert α abweicht oder wenn die erfasste Schwingungsamplitude A0 außerhalb eines vorbestimmten Toleranzintervalls [Tmin, Tmax] liegt.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) während eines zweiten Messzeitraumes Δt ein zeitlicher Verlauf der Schwingungsamplitude A0 erfasst wird und aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Δt die Referenzamplitude und/oder das Toleranzintervall berechnet werden.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass i) aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Δt eine mittlere Schwingungsamplitude berechnet wird und die berechnete mittlere Schwingungsamplitude in Schritt b) als vorbestimmte Referenzamplitude verwendet wird und/oder dass ii) aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Δt eine minimale Schwingungsamplitude Amin und eine maximale Schwingungsamplitude Amax bestimmt wird und aus der minimalen Schwingungsamplitude Amin und der maximalen Schwingungsamplitude Amax das Toleranzintervall mit Tmin ≤ Amin und Tmax ≥ Amax berechnet wird.
  5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Sonotrode (4) von einem Konverter angeregt wird, wobei der Konverter mit einem Stromerzeuger verbunden ist und der von dem Stromerzeuger bereitgestellte und durch den Konverter fließende Strom IE(t) gemessen wird, wobei die von dem Stromerzeuger an den Konverter angelegte Spannung UE(t) gemessen wird, und wobei aus der gemessenen Spannung UE(t) und aus dem gemessenen Strom IE(t) die Schwingungsamplitude oder eine mit der Schwingungsamplitude in Relation stehende Feldgröße des elektrischen Schwingsystems bestehend aus dem Stromerzeuger und dem Konverter berechnet wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden, weiteren Schritt aufweist: c) Bestimmen eines Zeitpunktes to, bei dem ein in Schritt b) erkanntes In-Kontakt-Treten erfolgt ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude (1), wobei der Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude innerhalb des Messzeitraums ΔT erstmals einen Toleranzbereich [Tmin, Tmax] oder [R-α, R+α] (3) verlässt, oder ein um eine vordefinierte Korrekturzeit von diesem Zeitpunkt versetzter Zeitpunkt als Zeitpunkt to des In-Kontakt-Tretens festgelegt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Abtastrate zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude von mindestens 2 000 Samples/s, vorzugsweise von mindestens 5000 Samples/s und besonders bevorzugt von mindestens 15 000 Samples/s verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gegenelement ein Gegenwerkzeug (5) verwendet wird, wobei zwischen Sonotrode (4) und Gegenwerkzeug (5) ein zu bearbeitendes Material (7) anordbar ist, und wobei das In-Kontakt-Treten der Sonotrode (4) mit dem Gegenwerkzeug (5) detektiert wird.
  9. Verfahren zum Steuern einer Ultraschallschwingvorrichtung, die eine Sonotrode (4) und ein Gegenwerkzeug (5) aufweist und wobei das Gegenwerkzeug (5) im Betrieb derart der Sonotrode (4) gegenüberliegend angeordnet ist, dass ein Material (7) zur Bearbeitung durch die Sonotrode (4) zwischen Sonotrode (4) und Gegenwerkzeug (5) anordbar ist, mit den Schritten: A) Anregen der Sonotrode (4) mit einer Schwingung während einer vorbestimmten Zeitdauer td, darauffolgend B) Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 8, und C) Beenden der Anregung der Sonotrode (4) oder Wegbewegen der Sonotrode (4) vom Gegenwerkzeug (5), falls in Schritt B) ein In-Kontakt-Treten zwischen Sonotrode (4) und Gegenwerkzeug (5) detektiert wurde.
  10. Verfahren gemäß Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C) erst nach Ablauf einer vordefinierten Nachlaufzeit tN nach erfolgter Detektion eines In-Kontakt-tretens durchgeführt wird, wobei vorzugsweise unmittelbar nach dem Erkennen des In-Kontakt-Tretens eine Reduzierung der Schwingungsamplitude bewirkt wird.
DE102019106694.8A 2019-03-15 2019-03-15 Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenelement Pending DE102019106694A1 (de)

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