Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Bearbeitungsmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs.
Die GB-PS 11 32 129 zeigt eine solche Ultraschall-Bearbeitungsma
schine, bei der jedoch nur scheinbar - entsprechend dem bloßen Wortlaut dieser
Druckschrift - auch schon die Frequenz des Ultraschall-Schwingungs
systems mit Hilfe eines geeigneten Detektors überwacht
wird, um das Ultraschall-Schwingungssystem stets in der
Frequenz seiner Eigenresonanz anzuregen. In Wahrheit han
delt es sich hierbei jedoch nicht um eine Frequenzmessung,
sondern um eine Amplitudenmessung, wobei anscheinend unter
stellt wird, daß nur bei der Schwingungsanregung in der
Eigenresonanz die Amplitude maximal ist. Der entsprechen
de, als Spule ausgebildete Detektor ist an der Stelle der
höchsten mechanischen Beanspruchung eines zwischen Ultra
schallerreger und Sonotrode zwischengeschalteten Übertra
gungsgliedes angeordnet. Das Übertragungsglied besteht aus
magnetostriktivem Material, z. B. aus Nickel. Durch die
Art der Detektor-Ausbildung und -Anordonung wird eine im
Resonanzfalle maximale Detektorspannung erzielt. Mittelbar
wird von dem Detektorsignal ein in der Frequenz veränder
barer Leistungsverstärker angesteuert, der seinerseits den
Ultraschallerreger speist. Diese Literaturstelle vermit
telt somit lediglich den Gedanken, das Ultraschall-Schwingungs
system stets in seiner Eigenresonanz anzuregen, um eine opti
male Bearbeitungswirkung zu erzielen. Eine Anregung da
hingehend, ob oder ggf. wie Sonotrodenbrüche rasch erkannt
und schädliche Folgen abgewendet werden können, worum es in vorliegedem Fall geht, geht von
dieser Schrift jedoch nicht aus.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß,
die Ultraschall-Bearbeitungs
maschine so weiterzubilden, daß sie eine selbsttätige Werkzeugüberwachung ermöglicht, so daß während des Bearbeitungsvorganges
auftretende Werkzeugschäden schnell erkannt und eine
Beschädigung des Werkstückes durch fehlerhafte Werkzeuge
verhindert werden können.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe bei der als bekannt vorausgesetzten Maschine durch die kennzeich
nenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
Durch die laufende Überwachung eines Arbeitsparameters
während des Bearbeitungsvorganges, wie es die DE
29 06 892 A1 beispielsweise unter Einsatz von piezoelek
trischen Substanzen vorschlägt, können zwar schon Änderungen, die
sich auf Werkzeugschäden zurückführen lassen, z. B. des
Drehmomentes oder der Axialkraft, erfaßt und ausgewertet
werden, wobei bei Über- oder Unterschreiten entsprechender
Grenzwerte ein Signal zum Abbruch der Bearbeitung
gegeben wird. Voraussetzung für derartige Überwachungseinrich
tungen ist allerdings, daß geeignete Parameter größenmäßig
überhaupt erfaßt werden können. Bei Ultraschall-Bearbeitungsvorgängen,
bei denen nur sehr kleine Kräfte auftreten, gestaltet sich
eine Überwachung, wie sie in der zitierten Literaturstelle
beschrieben ist, hingegen sehr schwierig oder ist überhaupt nicht
möglich, so daß auch die aus dieser Druckschrift bekannten Kontrollmöglichkeiten
zur Lösung der vorliegenden Aufgabe ungeeignet sind.
Bei der Ultraschallbearbeitung stellt sich nämlich das Problem,
daß für die Überwachung des Arbeitsvorganges weder ein
Drehmoment, da die Werkzeuge nicht drehangetrieben sind,
noch die Andrückkraft des Werkzeuges gegen das Werkstück
herangezogen werden kann, da letztere nur sehr gering ist.
Im angegebenen Lösungsvorschlag wird deshalb - abweichend vom Bekannten - die Abhängigkeit der
Schwingungsfrequenz von der schwingenden Masse für diesen
Zweck genutzt. Bei einem Werkzeugbruch oder auch nur starker Ab
nutzung des Werkzeuges verändert sich zwangsläufig die
Masse des Werkzeuges und somit auch die Masse der Sono
trode. Im Falle eines Bruches oder des Ablösens des Bear
beitungswerkzeuges von der Sonotrode ist deshalb eine sprunghafte
Änderung der Schwingungsfrequenz der Sonotrode zu beobach
ten. Durch die laufende Überwachung der Schwingungsfre
quenz mittels eines Frequenzsensors, der schwingungssteif
mit der Sonotrode verbunden ist, besteht die Möglichkeit,
eine entsprechende Änderung der Schwingungsfrequenz
schnell zu erkennen und mittelbar über eine Reihe von dem
Frequenzsensor nachgeschalteten Signalverarbeitungs- und
-verstärkungsgeräten ein Steuersignal zum Abbruch der Be
arbeitung und Abheben des Werkzeuges vom Werkstück an die
Maschine zu schicken. Eine Beschädigung der meist sehr
teuren Werkstücke kann somit vermieden werden. Wichtig
dabei ist allerdings, daß der Frequenzsensor so angebracht
ist, daß er die Schwingungsfrequenz der Sonotrode und
nicht die Eigenfrequenz des Ultraschallerregers erfaßt.
Wenn die Sonotrode stets in ihrer laufend ermittelten,
sich unter Umständen ändernden Eigenfrequenz angeregt
wird, so wirkt sich eine frequenzmäßige Verstimmung der
Sonotrode bei Werkzeugbruch besonders stark aus, so daß
auch kleine Ausbrüche am Werkzeug sicher erkannt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispieles kurz erläutert.
Dabei zeigt die einzige Figur den schematischen Aufbau
einer erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungsmaschine mit einer
Werkzeugbruchkontrolleinrichtung und einer block
schaubildartigen Darstellung einer möglichen Ausgestaltung
der Kontrolleinrichtung.
Ein Ultraschallerreger 4, an dem eine Sonotrode 2 befestigt
ist, ist auf einem Schlitten 12 festgelegt. Ein Frequenz
sensor 1 ist mit der Sonotrode 2 derart schwingungssteif gekop
pelt, daß er im hier interessierenden Frequenzbereich
keine Relativschwingungen zur Sonotrode 2 ausführen kann. Die
Frequenzsignale, die vom Frequenzsensor 1 erfaßt werden,
werden von einem Signalverstärker 5 über ein Differenzier
glied 6 und eine bistabile Kippstufe 7 auf einen Leistungs
verstärker 8 übertragen. Von hier aus geht das Signal an
einen Schalter 9. Bei einem entsprechenden Schaltsignal
wird der Schalter 9 geschlossen und zum einen ein akusti
sches Signal über einen Signalgeber 10 und zum anderen ein
Rückzug des Schlittens 12 ausgelöst. Die dazu vorgesehene, als Kolben-
Zylindereinheit ausgebildete Rückzugseinrichtung 13 wird von einem elektromagnetisch be
tätigbaren Zwei-Wegeventil 11, durch das der Kolben der Kolben-Zylindereinheit auf
die jeweilige Endlage positioniert wird, gesteuert. Durch
ein entsprechendes Steuersignal des Schalters 9 wird das
Zwei-Wegeventil 11 betätigt, welches ein Ausfahren des
Kolbens hervorruft, der den Schlitten 12 und damit die
Sonotrode 2 vom Werkstück 3 wegbewegt.