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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Betriebsfrequenz einer
Sonotrode.
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Elektroakustische Vibratoren oder Sonotroden sind Werkzeuge, die insbesondere in
chemischen Produktionsprozessen, bei der Bearbeitung mit aggressiven
Flüssigkeiten oder beim Schweißen verwendet werden. Je nach Anwendung kann die
Arbeitsfrequenz, die im allgemeinen nahe bei der Eigenresonanzfrequenz der Sonotrode
liegt, zwischen etwa 16 und 100 kHz variieren. Für alle Anwendungen ist es wichtig,
die Betriebsparameter und insbesondere die Vibrationsfrequenz der Sonotrode von
Betriebsbeginn an zu bestimmen und bei Werten zu halten, die den bestmöglichen
Wirkungsgrad der Sonotrode garantieren.
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Es ist bekannt, freischwingende RLC-Kreise in Ultraschallgeneratoren zu
verwenden. Zwischen dem Bereich von Betriebsfrequenzen und dem Wirkungsgrad der
Sonotrode muß dann ein Kompromiß gefunden werden, der an den mechanischen
Gütefaktor Q der Baugruppe gebunden ist. So erlaubt es ein mäßiger Q-Faktor,
über einen verhältnismäßig weiten Frequenzbereich mit schwachen Wirkungsgraden
zu arbeiten, während ein hoher Q-Faktor gute Wirkungsgrade ermöglicht, wobei
aber der Frequenzbereich begrenzt ist.
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In diesen bekannten Vorrichtungen muß, wenn sich das System aus
Betriebsgründen von der mittleren Frequenz entfernt, der Generator den Wirkungsgradabfall
durch erhöhte Ausgangsleistung ausgleichen, was nur bis zu einem Höchstwert der
Leistung möglich ist, oberhalb dessen der Generator eine Abweichung von der
Betriebsfrequenz nicht mehr ausgleichen kann.
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Wenn sich aus irgendwelchen Gründen die Eigenfrequenz der Sonotrode ändert,
sollte der Generator kontinuierlich auf diese Frequenzänderungen abgestimmt
werden, um einen guten Wirkungsgrad (hohen Q-Faktor) des Systems
aufrechtzuerhalten.
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Außer einer mechanischen Vorrichtung, die die Halterung des Schwinggliedes in
der seinem tatsächlichen Schwingungsknoten entsprechenden Stellung garantiert,
muß auch die den Ultraschallgenerator steuernde Elektronik kontinuierlich der
Eigenfrequenz des Schallgebers folgen, um einen Mindestanteil von stationären
Wellen zu erhalten.
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Neben den oben erwähnten freischwingenden Kreisen mit ihren Nachteilen werden
auch Phasensperrvorrichtungen oder Systeme herangezogen, in denen die
Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung im Kreis auf einem Mindestwert gehalten
wird. Diese Systeme befriedigen jedoch nicht völlig, weil sie keine große
Flexibilität im Gebrauch der Sonotroden zulassen.
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Die Schrift EP-A-0 217 694 beschreibt ein Frequenzsteuerverfahren, das auf der
Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom am Umformereingang beruht, wobei
eine Kontroll- und Steuerschleife mit einem mit Meßdaten versorgten
Mikroprozessor benutzt wird. Diese Daten werden dem Mikroprozessor von Analyseorganen für
die Phasendifferenz (D) zwischen Strom und Spannung am Umformer und für die
Richtung R dieser Phasendifferenz geliefert. Auf der Basis dieser Daten werden die
Steuersignale gebildet, die eine fortschreitende Frequenzänderung in dem durch
die Richtung der Phasendifferenz geforderten Sinne bewirken. Dieses System sucht
also die Resonanzfrequenz gemäß dem Nichtvorhandensein oder Verschwinden der
Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung.
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Das in der Schrift US-A-4 525 790 beschriebene Steuerverfahren beruht allein auf
dem Tracking und der Erkennung von Änderungen der Resonanzfrequenz des
Schwinggliedes, was nicht auf die vorliegende Erfindung zutrifft. Das Verfahren
benutzt effektiv die Bedingungen für einen maximalen Wirkungsgrad der Sonotrode.
Darüber hinaus wird das Spannungssignal umgeformt und in einen
Aufbereitungsblock geschickt, während das Stromsignal gleichgerichtet und in eine
Mikroprozessoreinheit geschickt wird, wobei die beiden Signale unabhängig und ohne
Wechselbeziehung verarbeitet werden, während in der vorliegenden Erfindung die Signale
für Spannung und Strom (V, I) beide gleichgerichtet und zusammen in den gleichen
Wandler geschickt werden.
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Die Schrift US-A-4 687 962 beschreibt ein Verfahren zur Suche (Tracking) der
Frequenz unter Betriebsbedingungen, was an sich nicht neu ist. Darüber hinaus
wird in diesem Patent als Erkennungsmittel ein Fremdsignal höchster Amplitude
benutzt, das von einem Fremdfühlersystem herrührt, das auf dem Schwingglied
oder in seiner Nähe angebracht ist.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Steuerverfahren für die
Betriebsfrequenz einer Sonotrode zu schaffen, das die oben angeführten Nachteile umgeht
und dessen Ziel es ist, zahlreiche Einflußparameter für den Betrieb der Sonotrode
einführen und abändern zu können. Dieses Verfahren ist durch die nachfolgend
beschriebenen und beanspruchten Merkmale gekennzeichnet.
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Die beigefügte Zeichnung veranschaulicht schematisch und beispielhaft ein
Prinzipschaltbild einer Sonotroden-Steuervorrichtung, mit der das erfindungsgemäße
Verfahren ausgeführt werden kann (Fig. 1); ein volles Schwingungsspektrum der
Sonotrode (Fig. 2); und ein höher aufgelöstes Resonanzspektrum derselben
Sonotrode (in einem engeren Frequenzbereich) (Fig. 3).
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Das vorliegende Steuerverfahren der Betriebsfrequenz einer Sonotrode umfaßt die
folgenden Arbeitsschritte:
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1. In einem ersten Schritt wird bei geringer Leistung der Frequenzbereich
des die Sonotrode speisen den Ultraschallgenerators zwischen vorbestimmten,
einstellbaren Grenzen fmin und fmax abgetastet, um das Schwingungsspektrum
der Sonotrode zwischen den genannten Frequenzgrenzen zu ermitteln. Dann
wird die Resonanzfrequenz als die Frequenz bestimmt, die der niedrigsten
Verlustleistung entspricht, indem das Produkt V-I des Stromes und der
Spannung, die die Sonotrode speisen, ermittelt wird. Die Resonanzfrequenz
kann gleichermaßen als der kleinste Wert des Quotienten V/I, also der
Impedanz des Ersatzschaltbildes der Sonotrode, oder mit beliebigen anderen
Mitteln bestimmt werden, die geeignet sind, Resonanz zu erkennen.
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Allgemein wird der Bereich zwischen den Frequenzen fmin und fmax abgetastet, um
das volle Schwingungsspektrum der Sonotrode sowie die Resonanzfrequenz zu
ermitteln,
bevor die Sonotrode mit Last betrieben wird. Dieses volle Spektrum
(Fig. 2) weist mehrere Eigenfrequenzen auf, bei denen das Ersatzschaltbild einen
Höchstwert der Admittanz hat und von denen bestimmte Frequenzen
Oberschwingungen einer Grundschwingung sein können. Das Bedienungspersonal kann so
bestimmen, welche Eigenfrequenz in anbetracht der spezifischen
Betriebsbedingungen und in Abhängigkeit von der Frequenz, für die die Sonotrode ausgelegt ist, für
ihren Betrieb benutzt werden muß. Das Personal kann sodann die
Frequenzabtastungen, die vom Verfahren im folgenden vorgesehen werden, auf einen engeren
Frequenzbereich f&sub1;-f&sub2; beschränken, der nur eine der verschiedenen
Eigenfrequenzen einschließt. Dieses Vorgehen wird auch dann benutzt, wenn das Spektrum der
Sonotrode komplex ist (Fig. 3), und zwar immer mit dem Ziel, die
Frequenzabweichungen innerhalb genügend nahe beieinanderliegender Grenzen zu halten, um
nur einen Amplitudenhöchstwert (eine Resonanz) einzuschließen.
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Je nach der ausgeführten Arbeit können sich die augenblicklichen
Betriebsbedingungen langsam oder aber rasch verändern. Deshalb ist dem Bedienungspersonal
die Möglichkeit gegeben, den zeitlichen Abstand zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Frequenzabtastungen zu ändern, um diesen Parameter den
Betriebsbedingungen der Sonotrode anzupassen.
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In diesem ersten Schritt hat das Bedienungspersonal bereits die Möglichkeit, die
Betriebsbedingungen der Sonotrode durch willkürliche Veränderungen von drei
Parametern zu beeinflussen: dem zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden
Frequenzabtastungen; den Grenzwerten des Frequenzbereichs, innerhalb dessen die
Frequenzabtastung erfolgt; und/oder natürlich die Betriebs-Sollfrequenz der
Sonotrode willkürlich auf ihre Resonanzfrequenz oder, in bestimmten Sonderfällen,
auf einen Wert festzulegen, der sich von der Resonanzfrequenz schwach
unterscheidet. In diesem Falle führt die Vorrichtung keine periodischen
Frequenzabtastungen mehr aus.
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2. In einem zweiten Schritt wird während der Frequenzabtastung die
optimale Betriebsfrequenz bestimmt, für die die elektromechanische Umformung
innerhalb vorherbestimmter Grenzfrequenzen einen Höchstwert hat.
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Diese optimale Frequenz wird durch Berechnung des Höchstwertes des Produkts
V-I, des Tiefstwertes des Quotienten V/I oder anderer, Resonanz anzeigender
Parameter bestimmt. Diese Alternativen können gleichfalls vom Bedienungspersonal
frei gewählt werden.
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3. Nach jeder Frequenzabtastung wird auf beliebige, geeignete Weise, zum
Beispiel analog, digital oder durch Tendenzanalyse, die berechnete optimale
Betriebsfrequenz mit der vorher festgelegten Sollfrequenz verglichen. Die
sich ergebende Frequenzabweichung wird gespeichert
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4. Die Sollfrequenz wird um einen im voraus festgelegten Differenzbetrag
erhöht, wenn eine vorausbestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden,
gespeicherten Frequenzabweichungen alle höher als eine im voraus festgelegte
Standardabweichung sind.
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Mit diesem letzten Schritt wird die Steuerung der Sollfrequenz der Sonotrode auf
ihren optimalen Betriebswert verwirklicht, was einen optimalen Wirkungsgrad dieser
Sonotrode unter spezifischen Einsatzbedingungen garantiert, während Rauschen
und Störsignale ignoriert werden.
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Auch hier hat das Bedienungspersonal die Möglichkeit, die Verfahrensparameter zu
beeinflussen, insbesondere durch Wahl des Einheitswerts, um den die Sollfrequenz
erhöht werden kann; durch Wahl der Anzahl aufeinanderfolgender Abweichungen,
die in Betracht gezogen werden müssen, bevor eine Frequenzänderung veranlaßt
wird; und durch Wahl eines Wertes der Frequenzabweichung, unterhalb dessen die
gemessenen und gespeicherten Abweichungen nicht in Rechnung gezogen werden,
um eine Änderung der Sollfrequenz auszulösen.
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Im Vergleich zu bekannten Steuerverfahren der Betriebsfrequenz von Sonotroden
ist das vorliegende Verfahren neuartig in seiner vorgesehenen Schrittfolge, und
es ist sehr vorteilhaft, weil dem Betriebspersonal die Möglichkeit belassen wird,
zahlreiche Parameter festzulegen, die je nach spezifischen Einsatzbedingungen der
Sonotrode zur Regelung beitragen.
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Die beigefügte Fig. 1 veranschaulicht ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung, mit
der das beschriebene Verfahren zur Steuerung der Betriebsfrequenz einer
Sonotrode verwirklicht werden kann.
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In diesem Schaltbild erkennt man unter 1 eine elektrische Stromquelle, zum Beispiel
von 220 V und 50 Hz, die einen Leistungsregler 2 speist, der wiederum einen
Leistungsverstärker 3 (Booster) speist. Dieser Leistungsverstärker 3 speist die
piezoelektrische Keramik 4 des Emitters 5 der Sonotrode 6, die außerdem einen
Verstärker 7, einen Arbeitskopf 8 und eine Ausgleichsmaße 9 umfaßt
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Der Leistungsverstärker 3 wird von einem spannungsgesteuerten Wellengenerator
(VCO) 10 gesteuert, der selbst von einer Steuervorrichtung 11 gesteuert wird. Diese
Steuervorrichtung 11 ist als Mikroprozessor ausgeführt, der einen Bus 12 enthält,
an den angeschlossen sind:
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Ein Analog-Digital-Wandler 13, der mit den vom Leistungsverstärker 3 zu geführten
Signalen gespeist wird, die die augenblicklichen Werte von Spannung U und Strom I
der Speisung der Sonotrode 6 darstellen.
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Ein Frequenzzähler 14, der mit einem vom Wellengenerator 10 zu geführten Signal
gespeist wird, das dem augenblicklichen Wert der Betriebsfrequenz der Sonotrode
entspricht.
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Eine Schnittstelle mit Anzeige 15, mit der das Bedienungspersonal die Werte der
verschiedenen Verfahrenssteuerparameter eingeben kann.
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Eine Schnittstelle mit Anzeige 16, um die Verfahrensparameter und andere
ausgewählte Werte wie zum Beispiel die augenblickliche Frequenz anzuzeigen.
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Ein Speicher EPROM 17 für das das Verfahren steuernde Programm und ein
Speicher RAM 18 für die Betriebsparameter des Verfahrens.
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Ein Digital-Analog-Wandler 19, der je nach den Ergebnissen der von der
Steuervorrichtung 11 ausgeführten Operationen die Frequenz des Wellengenerators 10
bestimmt.
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Und eine Schnittstelle, die zum Beispiel mit der Rechnersteuerung CNC 21 einer
Antriebsvorrichtung verbunden ist und die die mechanischen Auslenkungen dieser
Antriebsvorrichtung definiert, die mit dem Betrieb der Sonotrode koordiniert
werden müssen, sowie eine Vorrichtung 22 zur Einstellung der Befestigung der
Sonotrode in Abhängigkeit ihrer Betriebsfrequenz.
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Schließlich umfaßt dieser Mikroprozessor natürlich wie alle Mikroprozessoren eine
Zentraleinheit CPU 23, die die Berechnungen, Vergleiche und andere logische
Operationen ausführt, die zur Verwirklichung des beschriebenen Verfahrens
notwendig sind.
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Durch die Schnittfläche 20 erlaubt es diese Vorrichtung, auf die
Antriebsvorrichtung einzuwirken, auf der sich zum Beispiel das mit Hilfe der Sonotrode zu
bearbeitende Werkstück befindet. So ist es möglich, automatisch die Bearbeitung zu
unter brechen oder in Wartestellung zurückzugehen, wenn aus irgendeinem Grund
der am Arbeitskopf fließende Strom um +20% pro Sekunde variiert. Man kann auf
diese Weise bei Bruch des Werkzeugs einen laufenden Bearbeitungsvorgang
unterbrechen.
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Natürlich ist der Mikroprozessor gleichermaßen dafür programmiert, daß das
Bedienungspersonal über die Schnittstelle 15 eine feste Betriebsfrequenz vorgibt,
ohne automatisch nach der Eigenfrequenz des Systems zu suchen oder eine
manuelle Betriebsfrequenzabtastung hervorzurufen, insbesondere für bestimmte Fälle
der Bearbeitung, wenn eine Frequenz gewählt werden soll, bei der die größte
Amplitude der Schwingungen an einer genau definierten Stelle des Werkzeugs
liegen soll.