DE2823361A1 - Ueberwachung von ultraschall- und schallgeraeten - Google Patents

Ueberwachung von ultraschall- und schallgeraeten

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DE2823361A1 DE19782823361 DE2823361A DE2823361A1 DE 2823361 A1 DE2823361 A1 DE 2823361A1 DE 19782823361 DE19782823361 DE 19782823361 DE 2823361 A DE2823361 A DE 2823361A DE 2823361 A1 DE2823361 A1 DE 2823361A1
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Description

!1
"K'"'i · i \.'^:l!AF7 TTnser Ze i en·-·· ii::nr':^t VFA 78 P 7 5 13 BRD
Überwachung von Ultraschall- und Schallgeräten
Die Erfindung betrifft ein Uberwachungsverfahren für Ultraschall- und Schallgeräte sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Zum Schweißen und Nieten von thermoplastischen Kunststoffen, beim Metalleinbetten, Metallschweißen und -bohren, beim Löten in Lötbädern und zum Vernebeln von Flüssigkeiten werden Ultraschallverfahren in zu nehmendem HaBe eingesetzt. Um ein einwandfreies Arbeite· ergebnis zu erhalten, ist eine gleichbleibende Schwingungsamplitude an der Sonotrode erforderlich, die durch Fehler in der elektrischen Schwingungserregung und im Schwingkopf (Sonotrode) und durch Veränderungen von Verfahrensparametern (z.B. dem Auflagedruck der Sonotrode auf zu bearbeitenden Werkstücken und der dadurch bedingten Dämpfung und Rückkopplung der Schwingung) beeinträchtigt wird. An automatisch arbeitenden Anlagen oder bei der Bedienung durch ungelernte Arbeite- kraft· besteht daher die Gefahr, daß die Qualität des
KbI 2 Hag / 8. 5. 1978
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τϊ 2
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Arbeitsergebnisses durch derartige Fehler beeinträchtigt wird, ohne daß die Fehler rechtzeitig erkannt werden, wodurch hoher Ausschuß entstehen kann.
Bisher wurde die Funktion von Ultraschall- und Schallgeräten dadurch kontrolliert, daß die Arbeitsergebnisse stichprobenweise oder gegebenenfalls vollständig überprüft wurden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Schall oder Ultraschall anzufertigende Arbeiten so zu überwachen, daß das Auftreten von Fehlern automatisch rechtzeitig erkannt und abgestellt werden kann.
Dies geschieht dadurch, daß die von der Sonotrode erzeugte Schwingungsamplitude berührungsfrei abgenommen, nach dem Anlaufen des Schwingungserregers eine der Amplitude entsprechende elektrische Überwachungsgröße erzeugt, die Überwachungsgröße mit einstellbaren Werten, die den Grenzwerten des optimalen Bereichs der Schallamplitude entsprechen, verglichen und bei Überschreitung bzw. Unterschreitung der Grenzwerte eine Fehlermeldung abgegeben wird.
Vorteilhaft wird der Schwingungserzeuger, vorzugsweise dessen Frequenzgenerator mit der Fehlermeldung selbsttätig abgeschaltet. Die Fehlermeldung kann dabei in optische und/oder akkustische Dauersignale umgesetzt werden, die bei Abschalten der Schweißmaschine be stehen bleiben und von Hand abgeschaltet werden. Vom Be dienungspersonal kann dann noch nach Abschalten der Anlage erkannt werden, ob der optimale Bereich Überoder unterschritten wurde, woraus auf die Ursache des Fehlers geschlossen werden kann. Dabei werden Vorzugs weise verschiedene Dauersignale für Überschreitung bzw.
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> y - VPA /8 P 7 5 t 3 8RD
UnterschreLtung des optimalen üereichs verwendet. Ferner kann <?.& vorteilhaft sein, wenn bei Einhaltung de3 optime'.an Bereichs ein Signal für störungsfreien Betrieb abgegeben wird, das nach Abschaltung des Schweißgerätes von selbst erlischt. Weitere vorteilhafte Merkmale des Verfahrene und einer Vorrichtung zu seiner Durchführung ergeben sich aus den Unteransprtichen.
Anhand von vier Figuren und einem AusfUhrungsbeispiel für eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird das Wesen der Erfindung näher erläutert. In den Figuren 1 und 4 ist der zeitliche Verlauf der Sonotrodenamplitude, in Fig. 2 ein Flußdiagramm des Verfahrens und in Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt.
Bereits eine kurze Zeit tQ nach Einschalten eines Frequenzgenerators zur Erzeugung elektrischer Schwin- gungen und des Wandlers zur Umwandlung in mechanische Schwingungen ist der mit dem Wandler verbundene Schwingkopf (Sonotrode) bereits auf den Betriebszustand eingeschwungen, wie im Aplitudenverlauf (Kurve 100 nach Flg. 1) dargestellt ist. Während desArbeitsvorgangs verändert sich die Amplitude, z.B. kann sie durch Plastifizierung und Verschmelzen der Werkstoffe und Andrücken der Sonotrode gedämpft werden. Ultraschallgeräte, deren Erregungssystem und Sonotrode sorg fältig auf Resonanz eingestimmt sind, werden durch eine derartige Dämpfung zwar verstimmt, jedoch enthalten die meisten der handelsüblichen Ultraschallgerät· eine automatische Nachstellung auf Resonanz und konstante Leistung, so daß die Amplitude sich nicht wesentlich verändert. Durch Risse in der Sonotrode, Defekte im
Erzeugungssystem und andere Fehler kann sich die
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·■■'■ <\ev ν - .-i- ;>' -ii'hrf^ »ηητκ Ol'Vfhj. A)-|j£iitserg«ibr2.'r n<: nicht nur- auf Deiekt« jus nchallgerät selbst r · rür.kzufUhren sein müssen, lsi trotulen dei Amplituder-erlauf der Sonotrode in den meisten Fällen eine z\r erlässige Uberwachungsgröße t:ur Erzielung eines <einwandfreien Arbeitsergebnisses. Beim Abschalten kli?igt die Schwingung ebenfalls in einer unter t liegenden Zeitspanne ab.
In Fig. 3 ist mit 1 ein elektrischer Frequenzgenerator und mit 2 ein Wandler des Schwingungserregers, mit 3 die Sonotrode, mit 4 der Amboß und mit 5 ein Werkstück, z.B. zwei miteinander punktweise zu ver- schweißende thermoplastische Flächen, dargestellt. In Nähe der Sonotrode und des Werkstoffes ist ein elektrodynamischer Schwingungsaufnehmer 6 (Meßwandler) angeordnet, in dem die Schwingungen der Sonotrode in ein elektrisches Signal, z.B. eine Wechselspannung, um gesetzt werden.
Ein derartiger Meßwandler, der berührungslos die Amplitude eines in seiner Nähe mechanisch schwingenden Körpers aufnimmt und in eine Wechselspannung umsetzt, ist z.B. in der DE-PS 14 97 777 beschrieben und wird
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BAD ORIGINAL
- 9 - VPA78P7513BRD
von der Firma Siemens mit den Typenbezeichnungen SBV 752 und SBV 753 angeboten. Bei gegebenem Abstand ist die Amplitude der vom Meßwandler abgegebenen Wechselspannung weitgehend linear zur Amplitude der aufgenommenen Schwingung. In Figur 1 ist daher die vom Schwingungsaufnehmer abgegebene Schwingungsamplitude U während des Arbeitsvorganges als direktes Maß für die Schwingung der Sonotrode aufgetragen. Der Schwingungsaufnehmer kann dabei durchaus in einigen Zentimetern Abstand von der Sonotrode angebracht sein. Selbst wenn der Schwingungsaufnehmer nahe dem anderen, der auf dem Werkstück aufsitzenden Sonotrodenstirnfläche entgegengesetzten Ende der Sonotrode angeordnet ist, kann durch eine Überwachung der vom Schwingungsaufnehmer aufgenommenen Schwingung das einwandfreie Arbeiten der Anlage überwacht werden.
Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst ein Probeversuch gefahren. Hierzu wird zunächst die Sonotrode 3 in Arbeitsstellung zum zu bearbeitenden Werkstück 5 gefahren und der Frequenzgenerator 1 eingeschaltet. Dies geschieht durch einen Hauptschalter 7, der die Spannungsversorgung Uß für die Anlage (Schwingungserregung und Überwachungseinrichtung) einschaltet.
Am Frequenzgenerator befindet sich ein weiterer Schalter 9, der die Einspeisung der Hochfrequenz in den Schwingungswandler 2 einschaltet und zunächst geschlossen wird, bei Dauerbetrieb jedoch durch ein Relais 10, das während des Probeversuchs ausgeschaltet ist, geöffnet werden kann. Das Schließen bzw. öffnen der Schalter 7 und 9 ist in Fig. 2 mit 7+ und 9+ bzw. 7- und 9- angedeutet.
Der Schwingungsaufnehmer 6 erzeugt nun eine Wechselspannung, deren Spannungsamplitude der zu Überwachenden
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Schwingungsamplitude entspricht. Diese Wechselspannung wird gleichgerichtet und verstärkt (Verstärkerstufe 11), wobei die Verstärkung durch ein Potentiometer 12 verändert werden kann. Durch dieses Potentiometer wird sichergestellt, daß die in die nachfolgenden Teile der Überwachungseinrichtung eingespeisten Spannungen in der Nähe eines optimalen Spannungswert Uy liegen, so daß die Empfindlichkeit der Überwachungseinrichtung ausgenutzt und eine Übersteuerung einzelner elektronischer Bauteile vermieden wird. Die von der Verstärkerstufe 11 erzeugte Überwachungsgröße U, also ein Gleichspannungssignal, wird an einem Digitalvoltmeter 13 angezeigt. Bei nennenswerten Abweichungen dieses Signals vom optimalen Meßbereich Uy (Uy fß U) wird der Schalter 9 geöffnet und das Potentiometer 12 derart verstellt (in Fig. 2 mit Uy^ bezeichnet), daß die Meßspannung U sich der angestrebten Spannung Uy annähert. Sodann wird der Schalter 9 wieder geschlossen und der Probeversuch fortgesetzt.
Hierzu wird die Spannung U in eine Warneinrichtung 14 eingegeben. Diese Warneinrichtung enthält eine Vergleichsstufe 15, der Über ein Potentiometer 16 eine Spannung UQ als obere Grenze für den optimalen Bereich des Signals U und somit der Schwingungsamplitude der Sonotrode 3 eingeprägt wird, übersteigt die Überwachungsgröße U die obere Grenze UQ, se wird eine Fehlermeldung abgegeben, die einen Schalter 17 betätigt, der einen optischen und/oder akkustischen Signalgeber 18, z.B.
eine rote Lampe, in Betrieb setzt. Diese Vergleichsstufe ist vorzugsweise so ausgelegt, daß bei Betriebspausen, d.h. wenn der Meßwandler kein oder ein unter einem niedrigen Schwellwert liegendes Signal abgibt, keine Fehlermeldung abgegeben wird.
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In ähnlicher Weise wird über ein Potentiometer ein unterer Grenzwert Uy für die Überwachungsgröße U in eine andere Vergleichsstufe 21 eingegeben, die (wiederum nur bei Erregung des Meßwandlers 6) für Uy y U eine entsprechende Fehlermeldung abgibt. Mit dieser Fehlermeldung wird ein Schalter 22 geschlossen, der einen anderen optischen und/oder akkustischen Warngeber 23, z.B. eine blaue Warnlampe, in Betrieb setzt. Beim Schließen eines der Schalter oder 22 wird gleichzeitig auch das Relais 10 angesteuert (z.B. über ein OR-Glied 24). Während des Probeversuchs kann die vom Relais 10 vermittelte Kopplung des OR-Gliedes 24 mit Schalter 9 unterbrochen sein, so daß bei schwingender Sonotrode die Werte für Uy, Uy und Uq entsprechend den vorliegenden Verhältnissen eingestellt werden können, ohne daß das Relais bei Unterschreiten der unteren Schranke Uy oder Überschreiten der oberen Schranke Uq den Ultraschallerzeuger selbsttätig ausschaltet. Während des Dauerbetriebes jedoch führt jede Abweichung der Überwachungsgröße U von dem vorgegebenen optimalen Bereich zum Ansprechen des Relais 10 und damit zur Ausschaltung der Schwingungserzeugung.
Ferner ist ein weiterer opti scher und/oder akkustischer Signalgeber 25 vorgesehen, z.B. eine grüne Signallampe, die während des .störungsfreien Betriebes der Ultraschalle inrichtung ein entsprechendes Signal abgibt. Dieser Signalgeber 25 wird z.B. über im NOR-Glied von den Fehlermeldungen der beiden Vergleichsstufen angesteuert. Da mit den Fehlermeldungen praktisch keine Leistung geschaltet werden muß, können die Schalter 17 und 22 vorteilhaft durch elektronische Bauelemente verwirklicht werden. Vorteilhaft ist für die dazugehörigen Vergleichsstufen 15 und 21 wenigstens
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ein Zeitglied 26 vorgesehen, das eine kurzfristige Abweichung vom optimalen Bereich ermöglicht. Insbesondere soll nämlich das Warnsignal für Unter.^ehreitung der unteren Grenze während der Zeit tQ nicht ansprechen, in der beim Einschalten des Schwingungserregers die Sonotrode sich auf den Betriebszustand einschwingt oder bei Beendigung eines störungsfreien Betriebes die Sonotrodenschwingung abgeklungen ist. Dies kann z.B. durch einen Speicher erreicht werden, der die Abweichung der Überwachungsgröße U vom optimalen Bereich speichert und erst nach der Zeit tQ den Befehl zum Abschalten der entsprechenden Schalter gibt, wenn bis dahin die Schallamplitude nicht in den optimalen Bereich eingeschwungen oder der Arbeitsvorgang von außen, z.B. über den Schalter 9, abgeschaltet wurde. Durch öffnen des Schalters 9 wird der Porbelauf beendet und die Anlage ist, nachdem die geeigneten Werte für Uy, Uy und UQ eingestellt wurden, für den Fertigungsbetrieb bereit.
Der Dauerbetrieb beginnt, indem der Schalter 7 geschlossen gehalten wird und somit Schwingungserreger und Überwachungeeinrichtung betriebsbereit sind. Werkstück und Sonotrode werden in Arbeitsstellung gebracht und der Schalter 9 geschlossen. Gleichzeitig werden die Schalter 17 und 22 sowie das Relais 10 in Ruhestellung gebracht, was automatisch durch Betätigung des Schalters 9 oder durch einen eigenen Lösch-Befehl geschehen kann. Während des Arbeitsvorgangs leuchtet dann die grün· Lampe 2£ auf, bis entweder von den Vergleichsstufen 15 und 21 eine Abweichung vom optimalen Bereich gemeldet, die entsprechenden Warnlampen 18 und 23 eingeschaltet und der Schalter 9 selbsttätig geöffnet werden oder der Schalter 9 bei Beendigung eines störungsfreien Arbeitsganges wieder von Hand
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geöffnet wird. Ein Arbeitsgang endet also mit öffnen des Schalters 9 (bei geschlossenem Hauptschalter 7), wobei im Falle einer Störung eine der Warnlampen (Signalgeber) arbeitet. Nun kann entweder der Schalter 9 für den nächsten Arbeitsgang unter Rücksetzen (öffnen) der Schalter 17 und 22 geschlossen oder am Ende der Arbeitsserie der Hauptschalter 7 geöffnet werden.
Das öffnen und Schließen des Schalters 9 am Anfang und. Ende eines störungsfreien Arbeitsgangs kann dabei auch durch eine Automatik vorgenommen werden, die auf eine optimale Searbeitungszeit abgestimmt ist. Bei Beendigung eines gestörten Arbeitsganges bleiben auch nach Abschalten der Sonotrode die Warnlampen 18 und 23 in Betrieb, so daß im Falle einer Störung festgestellt werden kann, ob der optimale Bereich unter- oder überschritten wurde. Sofern eine Automatik vorgesehen ist, wird diese durch das Relais 10 abgeschaltet, so daß eine Arbeitspause zur Beseitigung der Störung entsteht. Werden die Ultraschall-Arbeiten im Rahmen einer Fertigungsstraße ausgeführt, so wird die Automatik vom Takt der Fertigungsstraße gesteuert und mit Abschalten der Automatik die FertigtxMgsstraße angehalten.
In manchen Fällen kann die Schwingungeamplitude nicht während eines Arbeitegangs konstant gehalten werden. Dies kann dadurch bedingt sein, daß die erwähnte auteaatische Nachstimmung der Frequenz und der Leistung bei sich ändernden Dämpfungsverhältnissen nicht ausreicht. Es kann aber auch erwünscht sein, mit wachsender Pl&stifizierung der zu bearbeitenden Werk stücke die Schwingungsamplitude zu verändern, z.B. um ein Einsinken der aufgedrückten Sonotrode zu kontrollieren. In diesen Fällen ändert sich der ange-
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strebte Amplitudenverlauf (Kurve 101 in Fig. 4) während des Arbeitsganges, jedoch wird für alle Arbeitsgänge ein gleichbleibender Amplitudenverlauf angestrebt. In diesen Fällen werden die vorgebbaren Werte für Uy (Kurve 102) und ÜQ (103) und gegebenenfalls auch Uy (104) nachgesteuert.
Durch die Erfindung werden Arbeiten mit Schall- oder Ultraschall-Geräten derart vereinfacht, daß sie auch von ungeschultem Personal überwacht werden können, ohne daß ein größerer Ausschuß zu befürchten ist.
17 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (17)

1 - VPA 78 P 7 5 I 3 DRD
Patentansprüche
1,1 überwachunga verfahren für ULtraschaLL- und öchall-'geräte , dadurch gekennzeichnet, daß die von der Sonotrode (3) des Gerätoa erzeugte Schwingungsamplitude berührungsfrei abgenommen, nach dem Anlaufen de3 Schwingungserregers (1, 2) des Gerätes in eine der Amplitude entsprechende elektrische Überwachungsgröße umgesetzt, die Überwachungsgröße (U) mit einstellbaren Werten (Uy, UQ) die den Grenzwerten des optimalen Bereichs der Schallamplitude entsprechen, verglichen und bei Überschreitung bzw. Unterschreitung der Grenzwerte eine Fehlermeldung abgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mit der Fehlermeldung der Schwingungserreger selbsttätig abgeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Fehlermeldung in optische und/oder akkustische Dauersignale umgesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e -kennzeichnet , daß verschiedene Dauer signale für Überschreitung des oberen Grenzwertes und Unterschreitung des unteren Grenzwertes erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei nur sehr kurzzeitigen Abweichungen vom optimalen Bereich Bindestene die Fehlermeldung für Unterachreitung der unteren Grenze unterbleibt.
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Z82336!
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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennze Lehne t , daß dLe DauerelgnaLe be L Abschalten das SchwLngung3erregers bestehen bleLben und von Hand abgeschaltet werden.
7. Verfahren nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einhaltung des optimalen Bereichs ein Signal für störungsfreien Betrieb abgegeben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal für störungsfreien Betrieb nach Abschaltung der Schwingungserregung erlischt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Schwingungsaufnehmer (6) für die Schwingungsamplitude, der die Amplitude in eine elektrische Überwachungsgröße (U) umwandelt, einstellbare Grenzwertgeber (16, 20) für einen oberen und einen unteren Grenzwert (Uq, Uy) der Überwachungsgröße, und eine Warneinrichtung (14), die bei Überschreitung des oberen Grenzwertes und Unterschreitung des unteren Grenzwertes eine Fehlermeldung abgibt.
1Ov Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Potentiometer (16, 20) als Grenzwertgeber. 30
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein sit der Warneinrichtung (14) gekoppeltes Relais (10) zum Abschalten (9) des Schwingungserreger· (2) des Schall- oder Ultraschallgerät·».
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- 3 - VPA 78 P 7 5 1 3 BRD
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch einen ersten optischen und/oder akkustischen Signalgeber (25), der ein Signal für störungsfreien Betrieb abgibt, solange die Warneinrichtung nicht anspricht.
13« Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch einen durch die Fehlermeldung der Warneinrichtung (1A) betätigbaren ersten Schalter (17), der auf Überschreiten des oberen Grenzwertes (UQ) anspricht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13f gekennzeichnet durch einen vom ersten Schalter (7) einschaltbaren zweiten optischen und/oder akkustischen Signalgeber (18) für Überschreitung des oberen Grenzwertes (Uq).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch einen von der Fehlermeldung der Warneinrichtung betätigbaren zweiten Schalter (22), der auf Unterschreitung des unteren Grenzwertes (Uy) anspricht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen vom zweiten Schalter (22) •inechaltbaren, dritten optischen und/odtr akkustischen Signalgeber (25) für Unterβehreitun« des unteren Grenzwerte· (Uy).
17. Verrichtung naoh eint« der Ansprüche 11 bis 16, «•kennzeichnet durch »Ine ftUcksetzung Air Behälter.
eomo/ooi·
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