DE4400210A1 - Verfahren und Einrichtung zum Betrieb eines Generators zur HF-Energieversorgung eines Ultraschallwandlers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betrieb eines Generators zur HF-Energieversorgung eines Ultraschallwandlers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 24.

Den Stand der Technik findet man in zahlreichen Patent­ schriften, u. a. in US 4.973.876. Dabei wird die HF-Frequenz für den Ultraschallwandler in einem impulsbreitenmodulierten Konverter erzeugt und wird die Frequenz des Konverters abhängig vom Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung am Ausgang des HF-Generators eingeregelt. Die Regelschaltung arbeitet analog und bedarf eines entsprechenden Aufwandes, um insbesondere das Stromsignal zu filtern und in einer Phasenschaltung so zu verarbeiten, daß die Generatorfrequenz auf einen Wert eingeregelt wird, bei dem der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung einen Nulldurchgang aufweist, der kennzeichnend für den Resonanzzustand ist.

Die Nachteile der bekannten selbsterregenden Generatoren sind offensichtlich:

Die Regelung geschieht blind, d. h. ohne Kenntnis der Eigen­ schaften des akustischen Systems. Dadurch können auch nicht erwünschte Nebenresonanzen angeregt werden.

Die Regelung ist starr, d. h. kann sich nicht den physikali­ schen Eigenschaften des Wandlersystems anpassen, um optimale Regelungseigenschaften zu bekommen. Dadurch können Probleme bei Wandlern mit hoher Güte und solchen mit niedriger Güte oder Wandlern mit sehr steilem Übergang zwischen Serien- und Parallelresonanz auftreten.

Der Tune-Bereich ist nicht veränderbar, was bei störenden Nebenresonanzen ein Problem ist, da diese nicht ausgeblendet werden können.

Der Tune-Bereich muß voreingesetllt werden, um möglichst nahe bei der Betriebsfrequenz zu liegen, weil sonst der hohe Blindstromanteil in der Ausgangsstufe zur Überlastung führt.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung anzugeben, mit dem Ziel, auch bei komplexen Systemen die Frequenz des Generators für den gewünschen Resonanzzustand schneller und zuverlässiger aufzufinden und einzuregeln, die Regelung zu verbessern, zu stabilisieren und eine optimale Anpassung an das Ultraschallsystem zu erzielen.

Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 24 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und weitere Einzelheiten von erfindungswesentlicher Bedeutung finden sich in den Unteran­ sprüchen.

Erfindungsgemäß werden für die Frequenzregelung des Generators nicht nur der Phasenwinkel, sondern zusätzliche Regelgrößen wie Strom, Spannung, Schein- und Wirkleistung verwendet. Die Verarbeitung und Verknüpfung dieser Werte erfolgt digital in einem Microcontroller, der durch seine Leistungsfähigkeit in der Lage ist, mehrere Parameter zusätzlich zum Phasenwinkel zu registrieren, auszuwerten und hieraus die richtige Regelgröße zur Ansteuerung des Generators zu bilden. So ist die Wahl der geeigneten Parameter und der zulässigen Parameterbereiche, sowie die Anpassung der Meßauflösung an die akustischen Gegebenheiten des Systems von zentraler Bedeutung für die optimale Frequenzregelung und -nachführung. Allein die Verknüpfung mehrerer Meßwert versetzt die Regelung in die Lage, den gewünschten Resonanzzustand optimal aufzufinden und einzuregeln, und damit das Anregen von nicht erwünschten Nebenresonanzen zu vermeiden.

Eine Frequenznachführung, die nicht in der Lage ist, während des Schweißprozesses der sich ändernden Resonanzfrequenz zu folgen, wird zwangsläufig zu hohen Blindströmen in der Endstufe des Generators und damit zur Zerstörung der Ausgangstransistoren führen.

Ebenso wird eine Regelung, die dem Resonanzpunkt zwar folgt, das aber nur mit einem großen Phasenwinkel vermag, mehr Schein- als Wirkleistung produzieren, was wiederum zu erhöhtem Streß in der Ausgangsstufe führt.

Die physikalisch richtige Regelung ist deshalb eine Regelung, die die Phase als Regelgröße oder Kombinationen der Phase mit anderen Regelgrößen wie Scheinleistung, Strom etc. nutzt.

Die digitale Phasenregelung ist auch in der Lage, Systeme auszuregeln, die keinen Phasennulldurchgang besitzen, wodurch sich ein weiteres Anwendungsgebiet als bei der analogen Phasenregelung ergibt. In diesem Fall wird auf das Phasenminimum geregelt oder durch einen Phasenoffset ein Phasennulldurchgang simuliert.

Die Messung des Stromverlaufes über die Frequenz im Leerlauf liefert dem Microcontroller die Information über die Lage des Resonanzpunktes und eventuell vorhandene Nebenresonan­ zen. Er kann dann den Tune-Bereich so gestalten und legen, daß eine manuelle Einstellung entfällt.

Die Auffindung des richtigen Arbeitspunktes und die optimale Nachregelung ist deshalb ein zentrales Thema der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Gesamtübersicht des digitalen Generators,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Hauptnetzteils,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Endstufe,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Anpassungsstufe,

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Microcontrollers, und

Fig. 6 den Stromverlauf, den Impendanzverlauf und den Phasenwinkelverlauf, abhängig von der Frequenz des Genera­ tors.

Fig. 1 zeigt die Gesamtübersicht des digitalen Generators. Er besteht im wesentlichen aus fünf Baugruppen:

Dem Netzfilter 10 zum Schutz des Netzes vor hochfrequenten Störungen;
dem Hauptnetzteil 20 zur Spannungsversorgung der einzelnen Komponenten;
der Endstufe 50 mit Shifter 40 zur Erzeugung einer vom Microcontroller festgelegten Ausgangsleistung und Aus­ gangsfrequenz;
der Anpaßstufe 60 zur Anpassung an die Impedanz des Ultra­ schallwandlers;
dem Microcontroller 80 zur Steuerung des Schweißprozesses und Überwachung der Generatorelektronik.

Die Netzspannung wird über das Netzfilter 10 zum Hauptnetz­ teil 20 geführt. Das Hauptnetzteil 20 liefert die Versor­ gungsspannung von 300 V an den Shifter 40 und teilt dem Microcontroller 80 seinen Einschaltzustand mit, damit die Endstufe 50 erst dann vom Microcontroller 80 aktiviert wird, wenn alle Komponenten ihre Betriebsspannung aufgebaut haben. Erst dann ist ein definierter Zustand erreicht, der dem Microcontroller die Steuerung des Generators ermöglicht.

Bei dem Shifter 40 handelt es sich um einen Zerhacker, in dem die vom Hauptnetzteil 20 her anstehenden Gleichspannung in eine Impulsfrequenzfolge umgeformt wird, in der die Im­ pulsbreite die Ausgangsamplitude bestimmt.

Der Shifter 40 bereitet die Gleichspannung und damit die Leistung vor, die von der Endstufe 50 durchgeschaltet wird. Die Leistungshöhe wird vom Microcontroller durch Modulation der vom Shifter erzeugten Pulsweite festgelegt.

Der Ausgang der Endstufe wird schließlich über die Anpas­ sungsstufe 60 dem Wandlersystem impedanzmäßig angepaßt. Bei dem Wandlersystem handelt es sich um einen nicht dargestell­ ten Ultraschallwandler in Verbindung mit einem Amplituden­ transformator bzw. einer Sonotrode. Die Ausgangsstufe 50 gibt die Information über die abgegebene Leistung und die Schwingfrequenz wieder an den Microcontroller 80 zurück. Der Microcontroller selbst hat die Aufgabe, aus der ihm zuge­ führten Information über Strom und Spannung vom Ausgang der Anpaßstufe 60 den optimalen Arbeitspunkt zu finden und die Energie in den Schweißprozeß einzuleiten. Weiterhin kontrol­ liert der Microcontroller den Einschaltzustand und die zu­ lässigen Ströme in den unterschiedlichen Komponenten.

Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau des Hauptnetzteils 20. Ein Master-Relay 21 ermöglicht das vollständige Trennen des Hauptnetzteils vom Netz. Das geschieht z. B. bei zu hoher Stromaufnahme des Netzteils. Zur Registrierung und Überwa­ chung von Schutzfunktionen ist ein Power Supply Switch Con­ troller 22 vorgesehen, der von einem DC Power Supply 23 mit 24 V Betriebsspannung versorgt wird. Das DC Power Supply wird mit einem Schlüsselschalter eingeschaltet. Der Switch Controller liefert eine Einschaltverzögerung von ca. 1 sec. Diese Zeit benötigt der Microcontroller zur Initialisierung. Die Betriebsspannung für den Shifter 40 wird also erst er­ reicht, wenn der Microcontroller einen definierten Zustand erreicht hat. Das schützt die Endstufe 50 vor extremen Bedingungen.

Nachdem nun das Master-Relay 21 durchgeschaltet hat, wird die Spannung über einen Gleichrichter 24 zu einem Relay 25 geführt, das einem Startwiderstand parallel geschaltet ist. Über den Startwiderstand werden die Filterkondensatoren 26 aufgeladen. Die Spannung der Filterkondensatoren 26 wird über einen Spannungsteiler 27 dem Relay 25 zugeführt. Das Relay 25 schaltet durch, wenn die angelegte Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat. Der Startwiderstand wird dann durch das Relay 25 überbrückt und so die gleichgerichtete Spannung direkt den Filterkondensatoren 26 zugeführt. Das gewährleistet ein langsames Aufbauen der Versorgungsspannung für den Shifter 40 beim Einschalten des Generators. Die Ein­ schaltspannung U(NT) wird dem Microcontroller 80 zurückge­ meldet, so daß eine Ansteuerung des Shifters 40 erst erfolgt, wenn U(NT) den Nennwert erreicht hat.

Vor dem Gleichrichter 24 wird der Wechselstrom gemessen und dem Switch Controller 22 zugeführt. Bei zu großem Strom schließt der Switch Controller 22 das Master-Relay 21 und schützt dadurch den Generator vor Zerstörung. Gleichzeitig wird das Softstart-Relay 25 geschlossen, wodurch der Innen­ widerstand des Hauptnetzteils 20 hochohmig wird.

Die Wechselspannung am Eingang des Full Bridge Gleichrich­ ters 24 wird einem zweiten Gleichrichter 28 zugeführt, der eine 12-V-stabilisierte Spannung sowohl für die Treiberstufe des Zerhackers 40 als auch für die Treiber der Endstufen­ transistoren 50 liefert.

Das Master-Relay 21 wird auch vom Switch Controller 22 abge­ schaltet, wenn die Temperatur unterhalb der Platine gemessen 75°C übersteigt.

Einen weiteren Schutz des Generators gegen Überlastung liefert die Messung des Stroms zum Ultraschallwandler am Ausgang der Anpassung 60. Der Microcontroller 80 kann in diesem Fall den Switch Controller 22 potentialfrei ansteuern und zum Abschalten des Master-Relays 21 bewegen. Ebenso wird bei jedem Microcontroller-Fehler der Switch Controller 22 mit einem galvanisch getrennten Signal zum Abschalten des Master-Relays 21 aktiviert.

In jedem Fall wird der Switch Controller 22 auch den Paral­ lelwiderstand des Softstart-Relays 25 einschalten, um einen hochohmigen Innenwiderstand des Hauptnetzteils 20 zu bekommen.

Ein mit 12 V stabilisierter Spannung versorgter Gleichspan­ nungswandler 29 integriert die von der Endstufe 50 kommenden Impulse und gibt an den Microcontroller 80 eine potential­ freie Spannungsinformation weiter. Der Microcontroller erkennt anhand dieser Information, inwieweit sich die Span­ nung am Shifterausgang aufgebaut hat und kann im Bedarfsfall reagieren.

Wie in Fig. 3 dargestellt, besteht die Leistungsstufe aus drei Teilen, dem Shifter 40, der die ihm zugeleitete Span­ nung in Pulse zerhackt und in nicht dargestellten Kondensa­ toren wieder integriert, den Schalttransistoren 50 zur Erzeugung der Schwingfrequenz und der Treiberelektronik 41, 51, die sowohl die Schalttransistoren des Shifters 40 als auch die Halbbrücke des frequenzbestimmenden Teils treibt.

Der Microcontroller 80 bestimmt die Pulsbreite der Shif­ terimpulse und somit das nach dem Filter 42 abgegebene Span­ nungspotential, das wiederum die von der Halbbücke (Endstufe 50) an die Anpassung 60 abgegebene Leistung bestimmt.

Das an der Halbbrücke anliegende Spannungspotential kann über einen Drain-Widerstand 52 vom Microcontroller aus ge­ steuert auf Masse gelegt werden. Dadurch kann die Halbbrücke im Bedarfsfall sehr schnell stromlos gemacht werden.

Die Anpassungsstufe 60 ist in Fig. 4 schematisch darge­ stellt. Sie setzt sich zusammen aus dem Ausgangstransforma­ tor 61 zur Anpassung der Impedanz an den Ultraschallwandler, dem Low Pass Filter 62 zur Umwandlung der Impulse in eine sinusförmige Schwingung und der Meßvorrichtung 63, 64, 65 für Strom und Spannung am Ausgang zum Ultraschallwandler. Der Strom des Stromwandlers 63 wird gleichgerichtet und dem Microcontroller 80 zugeführt. Der gleichgerichtete Strom als Funktion der Frequenz ist ein charakteristischer Kurvenver­ lauf, der das Schwingungsverhalten des Ultraschallwandler auf zeigt. Diese Information wird zur Einstellung der Regel­ parameter benötigt. Weiterhin wird über Spannungsteiler 65 die Wechselspannung an den Controller 80 geleitet, der die Phasendifferenz der beiden Meßgrößen Strom und Spannung zur Regelung des optimalen Arbeitspunktes während des Schweiß­ prozesses benötigt.

Der Ausgangsstrom der Anpaßstufe 60 kann auch vom Stromwand­ ler 64 als Wechselspannungssignal ausgegeben werden. Ferner kann über einen Gleichrichter und Filter 66 die Sekundär­ seite des Transformators 61 überwacht werden.

Alle wesentlichen Funktionen des Generators werden von einem Microcontroller 80 gesteuert und überwacht. Die einzelnen Funktionen sind in Fig. 5 dargestellt.

Der Microcontroller 80 besteht aus einem Netzteil 81 mit kundenspezifischen Signalausgängen, einer Controller-Platine 82, die den Microprozessor enthält, dem Display 83 und dem Keyboard 84. Das Controllernetzteil 81 liefert die Versor­ gungsspannung für die Controller-Platine 82 und das Display 84. Die Aus- und Eingangssignale zum Microprozessor werden über die Netzteilplatine 81 geschleift. Dazu zählen z. B. Überlast (Overload), Bereit (Ready), Ultraschall an (USON), Notaus (Ermergency off) und Trendsignale, die Trends einer Meßgröße in Richtung einer spezifizierten Grenze angeben. Die Signale: Wandlerstrom größer als Nennwert und Hochfre­ quenz-Indikation werden nicht vom Microcontroller überwacht, sondern direkt auf einen Ausgang gegeben. Bei Überschreitung des Nennstroms tritt die Austastung des Master-Relays 21 im Hauptnetzteil 20 in Aktion.

Die HF-Indikation kann von einer externen Steuerung als Überwachungsgröße genutzt werden. Die Controller-Platine 82 besteht aus einem 8-Bit-Controller 85, der analage Eingänge für folgende Informationen bietet:
Ein Spannungssignal U(IW), das proportional zum Wandlerstrom am HF-Ausgang ist.

Einer Spannung U(Phi), die proportional dem Betrag der Phase Phi ist und von einer Platine generiert wird, die die Phase zwischen Storm U(IW) und Spannung U(UW) am Ausgang zum Wandler mißt.

Der Phasendetektor 86 liefert auch eine Richtungsanzeige des Phasenwinkels, damit der Prozessor weiß, in welcher Richtung der Phasennulldurchgang zu suchen ist.

Einem Spannungssignal, das proportional zum alternierenden Strom am HF-Ausgang ist.

Einem Spannungssignal, das proportional zur alternierenden Spannung am HF-Ausgang ist.

Zwei Spannungssignalen, die proportional der abgegebenen Wirk- bzw. Scheinleistung sind. Diese Signale entstammen einem Wattmeter.

Hier zeigt sich nun der eigentliche Vorteil des digitalen Generators. Die oben genannten Meßgrößen können einzeln oder in Gruppen oder alle zur Regelung des Generators eingesetzt werden. Die Regelung basiert auf einem Softwareprogramm, das die verschiedenen Regelgrößen nach Auswahl einsetzt. Diese Auswahl kann automatisch erfolgen oder nach Eingabe durch den Bediener.

So ist zum Beispiel eine Regelung unter Einsatz des Stromes als Regelgröße möglich. Ultraschallwandler werden in der Regel in der Parallelresonanz der Impedanzkurve betrieben, wo der in den Wandler fließende Strom ein Minimum besitzt. Eine Regelung auf Stromminimum bietet sich demzufolge an. Allerdings hat sich gezeigt, daß diese Regelung auf das Stromminimum ungenau ist. Der Grund hierfür liegt in dem flachen Verlauf des Stromes als Funktion der Frequenz um den Resonanzpunkt herum. Fig. 6 zeigt den typischen Verlauf.

Fig. 6 zeigt zusätzlich den Verlauf der Impedanz als Funk­ tion der Frequenz. Es wird deutlich, daß die Impedanzkurve ein Minimum und ein Maximum aufweist. Das Maximum entspricht der Parallelresonanz des Wandlersystems. Das Minimum stellt die Serienresonanz dar.

Eine wesentlich genauere Regelgröße ist der in Fig. 6 eben­ falls dargestellte Phasenverlauf. Er besitzt einen steilen Übergang von -90° nach +90°. Eine geringe Frequenzänderung bedeutet also eine große Änderung der Phase. Die Phase ist im Bereich des Resonanzpunktes sehr klein bzw. gleich Null. Das bedeutet physikalisch, daß Schein- und Wirkleistungsan­ teil gleich groß werden.

Die wesentlichen Vorteile der software-gesteuerten Regelung in Verbindung mit der speziellen Ausführung der Hardware werden nun deutlich:

• 1. Es können unterschiedliche Meßgrößen oder Kombinationen dieser Meßgrößen zur Regelung eingesetzt werden. Hier bietet sich zunächst die Phase wegen der hohen Genauigkeit als Regelgröße an. Allerdings kann die Phase jederzeit mit dem Strom, der Spannung, der Schein- oder Wirkleistung gekoppelt werden. Dadurch erhält die Regelung die Intelligenz zur Unterscheidung der Grundschwingung von Nebenresonanzen, die nicht erregt werden dürfen.
• 2. Vor dem Einsatz des Generators scannt die Software den Stromverlauf des Wandlers als Funktion der Frequenz über einen wählbaren Bereich. Die Information aus diesem Scan (Fig. 8) wird zur Berechnung des Abstandes zwischen Serien- und Parallelresonanz benutzt, die den Kopplungsfaktor des Systems bestimmt. In Abhängigkeit von diesem Abstand wird dann die Schrittweite der Frequenzänderung und die Meßzeit pro Frequenzmessung bei der Suche des Phasen-Nulldurchgangs und damit die Geschwindigkeit der Regelung festgelegt. Bei sehr steilem Übergang zwischen Serien- und Parallelresonanz wird die minimal mögliche Schrittweite gewählt, um den Null­ durchgang möglichst genau zu treffen. Bei sehr flachen Über­ gängen wird die Schrittweite größer gewählt, um möglichst schnell den Phasen-Nulldurchgang zu finden. Diese dynamische Anpassung der Frequenzauflösung adaptiert die Regelzeit an die akustischen Verhältnisse des Resonanzsystems. Weiterhin entnimmt die Software aus dem Stromspektrum den Wert der Parallelresonanz und hängt daran die Startfrequenz auf, von der aus der Phasen-Nulldurchgang ermittelt wird. Diese Startfrequenz liegt vorzugsweise soweit oberhalb der Paral­ lelresonanz, daß nach Aufsetzen der Sonotrode und dadurch verursachtem Frequenzshift zu höheren Werten hin die Start­ frequenz immer noch oberhalb der Parallelresonanz liegt. Beim ersten Schweißvorgang wird von dieser Frequenz aus gestartet. Bereits beim zweiten Schweißvorgang korrigiert die Software die Lage der Startfrequenz, die danach nur noch einige 10 Hz oberhalb der Parallelresonanz liegt, die sich im Kontaktfall ergibt. Dadurch ist die Zeit bis zur Findung des Phasennulldurchgangs minimiert. Ein weiterer wesentli­ cher Vorteil dieses Verfahrens ist die automatische Festle­ gung des Tune-Bereichs, wodurch zum einen ein manuelles Ein­ stellen entfällt und zum anderen die Spezifikationsgrenzen für den zulässigen Frequenzbereich des Wandlersystems erheb­ lich aufgeweitet werden kann.
• 3. Die Regelung unterscheidet zwei Phasen, die Startphase und die Schweißphase. Die Startphase unterscheidet sich von der Schweißphase dadurch, daß die Schweißenergie stufenweise generiert wird bis zum maximalen Wert in der Schweißphase. Die Schrittweite und die Zeitdauer bis zur nächsten Stufe sind wählbar. Dadurch kann jede beliebige Anstiegsflanke erzeugt werden. Der Flankenanstieg ist von Bedeutung bei der Vermeidung von akustischem Streß in der Sonotrode. Die Regelung in der Startphase unterschiedet sich von der in der Schweißphase dadurch, daß hier ein Schwellenwert für den Phasenwinkel definiert wird, der bei Unterschreitung den Regelvorgang unterbricht und auf die nächste Energiestufe umschaltet. Dadurch wird der Regelvorgang beschleunigt, da die Phase nicht durch Null gehen muß. Diese Art der Regelung hat die höchste Stabilität im Anschwingverhalten gebracht, da hier ein schneller dynamischer Prozeß abläuft, der eine schnelle Reaktionszeit erfordert. Da die Reaktionszeit sowohl durch die Schnelligkeit des Microcontrollers als auch die Auflösung im Frequenzbereich festgelegt ist, konnte durch diese Methode den schnellen Frequenzänderungen der Resonanzfrequenz in der Anstiegsflanke des Schweißimpulses Rechnung getragen werden. Eine geringfügige Erhöhung der Scheinleistung wegen des nicht auf Null geregelten Phasen­ winkels ist nicht von Bedeutung, da die Anstiegsflanke gene­ rell weniger als 20% der Schweißzeit bedeutet.
• 4. Nach Erreichen der maximalen Schweißenergie schaltet dann die Regelung auf Phasen-Null-Durchgangsregelung um, um die geringste Scheinleistung bzw. den geringsten Blindstrom in der Ausgangsstufe zu gewährleisten. Der Phasen-Null-Durch­ gang wird durch das Richtungssignal definiert, das von der Phasenplatine zusammen mit dem Phasenbetrag geliefert wird. Diese schweißphasenabhängige Regelung ist nur mit Hilfe einer softwaregesteuerten Regelung möglich.
• 5. Es gibt auch bestimmte Ultraschallsysteme, die keinen Phasen-Null-Durchgang besitzen. Um bei solchen Systemen einen Null-Durchgang der Phase zu simulieren, ermittelt der Microcontroller 80 automatisch einen Phasen-Offset (Phasen­ verschiebung) und überprüft, ob weiterhin ein richtungsab­ hängiges Signal auftritt. Wenn sich das Vorzeichen des rich­ tungsabhängigen Signals umkehrt, so ist ein Null-Durchgang der Phase simuliert. Auch wenn das Richtungssignal aus­ bleibt, schaltet der Controller 80 automatisch einen Phasen- Offset ein. Das Verfahren erlaubt damit, auch akustische Systeme zu betreiben, die bekannte analoge Phasensteuerungen nicht mehr betreiben können.
• 6. Die Schwingungsamplitude gehört zu den signifikanten Parametern, die die Reißfestigkeit der Schweißnaht definie­ ren. Der Generator bietet deshalb die Möglichkeit, die Amplitude während des Schweißprozesses automatisch zu regeln oder aber ein Amplitudenprofil vorzugeben. Erfindungsgemäß geschieht diese Amplitudensteuerung oder Regelung durch Ansteuern des Shifters. Damit ist die Einbindung des Genera­ tors in eine kontinuierlich arbeitende Prozeßsteuerung möglich, die die Qualität der Schweißnaht mit den signifi­ kanten Parametern korriliert.
• 7. Der softwaregesteuerte Generator erlaubt weiterhin die optimale Anpassung an die Anwendung. Bei Inline-Systemen wie Verpackungsmaschinen erkennt die Software automatisch den Maschinentakt und stellt die Steuerung darauf ein. Ermög­ licht wird das durch eine Erkennung des Aufsetzpunktes des Wandlers. Der Generator gibt eine feste Frequenz, die soge­ nannte Kontaktfrequenz, oberhalb der Parallelresonanz aus. Den Wert dieser Kontaktfrequenz bestimmt der Generator aus dem einmal ermittelten Stromspektrum (Fig. 8). Die Amplitude ist sehr klein gehalten, um den Wandler vor unnötigem Streß zu schützen. Im Moment des Aufsetzens verschiebt sich die Resonanzfrequenz zu höheren Werten hin und passiert diesen eingestellten Frequenzwert. Die Phasenmessung zeigt deshalb für sehr kurze Zeit einen Phasensprung von 90° nach Null. Dieser Spring wird detektiert und zeigt den Kontaktfall an. Danach setzt die Regelung wie oben beschrieben ein. Nach Beendigung der Schweißzeit wird wiederum die Festfrequenz oberhalb der Parallelresonanz bei kleiner Amplitude ausgege­ ben. Nach Beendigung der Haltezeit und Abheben der Sonotrode springt die Parallelresonanz wieder zum Ausgangspunkt zurück und passiert wiederum den festen Frequenzwert, diesmal von oben. Der Generator erkennt wiederum, daß die Sonotrode abgehoben hat und kann jetzt den Abstand zwischen den Schweißimpulsen und die Dauer der Schweißimpulse ermitteln und speichern. Um die Belastung des Generators minimal zu halten, wird die Kontaktfrequenz oberhalb der Parallelreso­ nanz nur einige 10 Millisekunden vor dem Aufsetzpunkt akti­ viert und nachgeregelt, da geringe Schwankungen der Zyklus­ rate bei nicht SPS-gesteuerten Systemen möglich sind. Durch diese Intelligenz entfällt die Einspeisung und Einstellung eines Triggersignals. Außerdem gewährleistet diese Methode, daß nur dann Ultraschall eingebracht wird, wenn der Kontakt zum zu verschweißenden Material besteht. Dadurch wird unnö­ tiger Streß in der Ausgangsstufe und der Sonotrode vermie­ den.
• 8. Der Abstand der Kontaktfrequenz zur Parallelresonanz im Leerlauf bestimmt die Kraft, bei der die Ultraschallenergie eingeleitet wird. Es ist nämlich die Aufsetzkraft von dem Abstand der Kontaktfrequenz zur Parallelresonanz im Leerlauf abhängig. Damit kann über die Wahl der Kontaktfrequenz die Aufsetzkraft und damit die Triggerkraft bestimmt werden, bei der die Leistungseinleitung erfolgen soll. Erfindungsgemäß entfällt dadurch der Einbau eines Kraftsensors zur Messung der Triggerkraft. Dies ist für solche Anwendungen von Bedeutung, die aufgrund der Bauteilegeometrie eine bestimmte Triggerkraft erfordern.
• 9. Durch Temperatureinfluß wird sich der Abstand der Kon­ taktfrequenz von der Parallelresonanz verändern. Um hier einen kostanten Abstand und damit konstante Triggerverhält­ nisse zu gewährleisten, wird die Kontaktfrequenz erfindungs­ gemäß durch Messung des Konverterstromes nachgeregelt. Der Konverterstrom ist minimal im Resonanzpunkt und ändert sich progressiv mit zunehmendem Abstand zum Resonanzpunkt.
• 10. Erheblichen akustischen Streß erfährt die Sonotrode bei Metallkontakt zum Amboß bei nicht vorhandenem bzw. bei Durchtrennung des Schweißgutes. Die analogen Generatoren besitzen hier keine Möglichkeit, den Metallkontakt zu erken­ nen und erzeugen auch in diesem Fall Ultraschallenergie. Der softwaregesteuerte Generator kann den Metallkontakt durch den damit verbundene erheblichen Frequenzshift von mehreren hundert Hz durch Setzen eines Frequenzlimits erkennen und so eine Energieeinleitung verhindern.
• 11. Die softwaregesteuerte Regelung auf Phasen-Null-Durch­ gang zeigt kleinere Regelausschläge als die konventionelle Spannungsrückgekoppelte Regelung. Fig. 7 zeigt den Ver­ gleich. Es wird deutlich, daß die geringeren Regelschwankun­ gen im Mittel mehr Energiezufuhr in die Schweißnaht bedeu­ ten, da die Gesamtfläche auch bei gleicher Höhe des Schweißimpulses größer ist.
• 12. Spannungsschwankungen des Netzes kann der Generator durch die Shifteransteuerung ausregeln. Bricht das Netz z. B. um 10% zusammen, dann erkennt das der Generator anhand der abgegebenen Wirkleistung und macht den Shifter weiter auf, d. h. liefert mehr Energie in die Ausgangsstufe.
• 13. Ein weiterer Vorteil dieser Microcontrollersteuerung liegt in der Möglichkeit, während des Schweißprozesses externe Bedingungen an der Schweißpresse wie Druck, Weg etc. online in den Schweißprozeß einzubeziehen, um die Qualität der Schweißnaht schon während des Schweißprozesses zu opti­ mieren. Verfahren, die einen externen Controller einsetzen, können diese Parameter nur von Schweißung zu Schweißung steuern oder regeln.
• 14. Eine Konstanthaltung der an den Ultraschallwandler abge­ gebenen Leistung während des Schweißprozesses ist ebenso durch Regelung der vom Shifter erzeugten Impulsbreite mög­ lich. Bei konstantem Druck entspricht das einer konstanten Schweißamplitude.
• 15. Die Software ermöglicht die automatische Auswahl der geeigneten Regelparameter. Sollte die Phasenregelung nicht in der Lage sein, trotz Phasen-Offset das vorliegende aku­ stische System anzuregen, dann kann durch Setzen eines Flags im Eingabemenü der Generator auf Stromminimum-Regelung umge­ schaltet werden. Damit werden Resonanzen angeregt, die ein Stromminimum aufweisen, unabhängig welcher Art diese Reso­ nanzen sind. Prinzipiell ist der Generator damit nicht nur als Schweißgenerator einsetzbar, sondern auch für die Ultra­ schallreinigung. Die speziellen Anforderungen beim Ultra­ schallreinigen wie 100% ED, Frequenzsweep, Auffindung des geeigneten Resonanzpunktes und Modulation der Amplitude zur Entgasung der Reinigungsflüssigkeit können durch Modifika­ tion der Software erreicht werden und sind vom Hauptmenü aus wählbar. Diese Liste der Vorteile zeigt, daß der Generator erfindungsgemäß durch seine Hardware- und Softwareauslegung universell einsetzbar ist. Unterschiedliche Anwendungen bis hin zur Reinigung werden durch entsprechende Softwarevarian­ ten erschlossen.

Claims (28)

1. Verfahren zum Betrieb eines Generators zur HF- Energieversorgung eines Ultraschallwandlers für dessen Betrieb in einem bestimmten Resonanzzustand, insbesondere zum Ultraschallschweißen, wobei der Phasenwinkel zwischen dem Strom und der Spannung am Ausgang des Generators gemessen und zur Frequenzregelung des Generators verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Phasen­ winkel der Strom, die Spannung und/oder die Schein- oder Wirkleistung am HF-Ausgang des Generators als zusätzliche Regelgrößen digital verarbeitet und mit dem Phasenwinkel digital verknüpft werden, um die gewünschte Resonanzfrequenz des Generators zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Generators auf einen Wert eingestellt wird, bei dem der Phasenwinkel gegen Null verläuft oder einen Null-Durchgang aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Richtung des Phasenwinkelverlauf s in Bezug auf den Null-Durchgang des Phasenwinkels ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung proportionale Spannung erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Resonanzzu­ standes des Wandlersystems der Stromverlauf im Ultraschall­ wandler als Funktion der Frequenz in einem wählbaren Bereich ermittelt wird, daß aus dem Abstand zwischen dem Strommaxi­ mum und dem Stromminimum die Frequenz für die Serien- und Parallelresonanz des Systems festgestellt wird und abhängig von diesem Frequenzabstand die Schrittweite der Frequenzän­ derung und damit die Regelgeschwindigkeit zum Auffinden des Phasen-Null-Durchganges bzw. des gegen Null gehenden Phasen­ winkels bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Generator abhängig vom ermittelten Stromverlauf eine Startfrequenz eingestellt wird, die im Leerlauf des Ge­ nerators sowie zu Beginn der Leistungsabgabe (nach Aufsetzen der Sonotrode) oberhalb der Parallelresonanzfrequenz liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf mehrerer Generatorstarts die Startfrequenz der Parallelresonanzfrequenz soweit angenähert wird, bis die Zeit zum Auffinden des Phasen-Nullgangs minimal ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Startphase des Genera­ tors die HF-Energie stufenweise bis zum maximalen Wert in der Leistungsphase generiert wird, wobei in der Startphase ein Schwellenwert für den Phasenwinkel bestimmt wird, bei dessen Unterschreiten auf die nächsthöhere Energiestufe umgeschaltet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittweite und die Zeitdauer der einzelnen Ener­ giestufen wählbar sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach Erreichen der maximalen Leistung die Regelung auf Phasen-Null-Durchgangsregelung umgeschaltet wird, in der die Regelung vom Phasenwinkel und dem zugehöri­ gen Richtungssignal des Phasenwinkels bestimmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei fehlendem Phasen-Null-Durchgang des Systems dem Phasenwinkelsignal ein vorbestimmter Phasen-Off­ set aufgeschaltet wird, um einen Phasen-Null-Durchgang zu simulieren, und daß in Verbindung mit dem Phasenwinkel-Rich­ tungssignal festgestellt wird, ob ein Phasen-Null-Durchgang erfolgt ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die der Schwingungsamplitude der Sonotrode proportionale Spannungsamplitude am HF-Ausgang des Generators automatisch geregelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Regelung entsprechend einem vorbestimmten Amplitudenprofil erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Erkennen des Aufsetzens des Ultraschallwandlers bzw. der Sonotrode auf ein Werkstück eine Kontaktfrequenz am Generator eingestellt wird, die so hoch gewählt wird, daß beim Aufsetzen die Resonanzfrequenz die eingestellte Kontaktfrequenz übersteigt, und daß der sich hierbei ergebende Phasensprung ermittelt wird, der den Aufsetzpunkt dann anzeigt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Erkennen des Abhebens des Ultraschallwandlers bzw. der Sonotrode der Phasensprung ermittelt wird, der auf­ tritt, wenn die Resonanzfrequenz unter die Kontaktfrequenz abfällt.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß aus den beim Aufsetzen und Abheben auf­ tretenden Phasensprüngen die Dauer der Leistungsphasen ermittelt und gegebenenfalls gespeichert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft, mit der die Ultra­ schallenergie in das Werkstück eingeleitet wird, abhängig vom Abstand ist, den die Kontaktfrequenz im Leerlauf des Generators von der Parallelresonanzfrequenz aufweist, so daß dieser Abstand ein Maß für die Kraft ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum Konstanthalten des tempera­ turabhängigen Abstandes der Kontaktfrequenz von der Paral­ lelresonanzfrequenz die Kontaktfrequenz durch Messung des Konverterstroms nachgeregelt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Anstieg der Resonanz­ frequenz über einen vorbestimmten Wert hinaus (Metallkontakt der Sonotrode) die Ultraschallenergie abgeschaltet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß während der Leistungsphase des Generators weitere Regelgrößen, wie Druck, Weg für die Leistungsregelung verwendet werden und dadurch jeder Bear­ beitungsvorgang jeweils individuell optimiert wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ultraschallwandler abgegebene Leistung durch Regelung der Impulsbreite der vom Generator erzeugten Impulse konstant gehalten wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator auf Strom-Minimum­ regelung umgeschaltet wird, wenn das Ultraschallsystem von der Phasenwinkel-Regelung bzw. der Phasen-Null-Durchgangs- Regelung oder der Phasen-Offset-Regelung nicht anregbar ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung von einem Microcon­ troller durchgeführt wird.

24. Generator zur HF-Energieversorgung eines Ultra­ schallwandlers für dessen Betrieb in einem bestimmten Reso­ nanzzustand, dadurch gekennzeichnet, daß ein Shifter (40) und eine Endstufe (50) vorgesehen sind, in denen aus einer angelegten Gleichspannung ein impulsbreitenmodulierter Impulszug erzeugt wird, dessen Frequenz die Schwingfrequenz der HF-Energie und dessen Impulsbreite die Amplitude der HF- Energie bestimmt.

25. Generator nach Anspruch 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Shifter (40) vorgesehen ist, der die ihm zugeleitete Gleichspannung in Impulse zerhackt, sowie Schalttransistoren (50) in der Endstufe zum Erzeugen der Schwingfrequenz vorgesehen sind und eine Treiberelektronik (41, 51) zum Ansteuern der Schalttransistoren des Shifters und der Halbbrücke der die Schwingfrequenz bestimmenden End­ stufe.

26. Generator nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Endstufe (50) eine Anpass-Stufe (60), bestehend aus einem Ausgangstransformator (61) zur Anpassung der Impedanz an den Ultraschallwandler und einem Tiefpaßfilter (62) zur Umwandlung der Impulse in eine sinus­ förmige Schwingung, nachgeschaltet sind.

27. Generator nach Anspruch 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Ausgang des Tiefpaßfilters (62) die Meßein­ richtung (63, 64, 65) zum Messen der HF-Spannung und des HF- Stroms vorgesehen sind und in einem Phasendetektor aus diesen Werten der Phasenwinkel und das Phasenwinkelrich­ tungssignal ermittelt wird.

28. Generator nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein Microcontroller (80) vorge­ sehen ist, der alle wesentlichen Funktionen des Generators steuert und überwacht.