EP1738836A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Einschalten eines Ultraschall-Schwingsystems - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Einschalten eines Ultraschall-Schwingsystems Download PDF

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EP1738836A2
EP1738836A2 EP06013098A EP06013098A EP1738836A2 EP 1738836 A2 EP1738836 A2 EP 1738836A2 EP 06013098 A EP06013098 A EP 06013098A EP 06013098 A EP06013098 A EP 06013098A EP 1738836 A2 EP1738836 A2 EP 1738836A2
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EP
European Patent Office
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frequency
output
ultrasonic vibration
input
vibration system
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EP06013098A
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EP1738836B1 (de
Inventor
Dieter Dipl.-Ing. Schief
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Martin Walter Ultraschalltechnik AG
Original Assignee
Martin Walter Ultraschalltechnik AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0238—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1, for operating a consisting of an ultrasonic oscillator and this to a resonant circuit components existing ultrasonic vibration system in which an excitation voltage is applied to the ultrasonic vibration system for generating an excitation current whose frequency for operating the ultrasonic vibration system in a predetermined operating point is adjustable, wherein when switching on the ultrasonic vibration system, the frequency is changed starting from a start frequency until the operating point is reached.
  • the invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 5, for operating an ultrasonic vibration system according to the aforementioned method.
  • the oscillation amplitude of the ultrasonic oscillation system depends on the excitation current of the ultrasound oscillator consisting of an ultrasound oscillator and a resonant circuit component thereof, the Oscillation amplitude of the ultrasonic vibration system kept constant by that the excitation current of the ultrasonic vibration system is kept constant.
  • the ultrasonic vibration system In order to control the excitation current, the ultrasonic vibration system is not operated in its series resonance but regularly with a frequency that is between the series resonance and the parallel resonance of the ultrasonic vibration system. Since the impedance of the ultrasonic vibration system changes by changing the frequency with which the ultrasonic vibration system is operated, the current through the ultrasonic vibration system can be changed by changing the operating frequency of the ultrasonic vibration system.
  • the frequency of the exciter voltage applied to the ultrasound oscillation system is changed until the exciter current of the ultrasound oscillation system has again reached its previous value.
  • the frequency of the excitation voltage is changed starting from a starting value until the excitation current has reached its predetermined value.
  • the starting frequency is regularly about 2 to 5 percent above the operating frequency of the ultrasonic vibration system and thus regularly above its parallel resonance frequency.
  • the relatively large distance of the start frequency from the operating point of the ultrasonic vibration system is required to ensure that the starting frequency is above the operating point frequency of the ultrasonic vibration system, even if the operating point has changed, for example, due to a temperature gradient of the ultrasonic vibration system ,
  • the impedance of the ultrasonic vibration system increases until reaching the parallel resonance frequency, whereby the excitation current decreases. After exceeding the parallel resonance frequency, the impedance of the ultrasonic vibration system decreases, so that the excitation current increases.
  • the excitation current reaches its predetermined value, the ultrasound vibration system is at its operating point, whereupon the control begins by means of which the exciter current is kept constant.
  • a method for operating an ultrasonic vibration system in which an excitation voltage is applied to a consisting of an ultrasonic vibrator and this to a resonant circuit components complementary ultrasonic vibration system for generating an excitation current whose frequency for operating the ultrasound -Swinging system in a predetermined operating point is adjustable, wherein when switching on the ultrasonic vibration system, the frequency is changed starting from a start frequency until the operating point is reached, characterized in that when switching off the ultrasonic vibration system, the frequency of the excitation voltage is detected and the detected value at next turn on the ultrasonic vibration system is used to determine the starting frequency.
  • a circuit arrangement for operating an ultrasonic vibration system with an amplifier having an input and an output, which output provides the excitation voltage and the excitation current for the ultrasonic vibration system, and with an oscillator whose Frequency is adjustable at a control input and whose output is connected to the input of the amplifier, and a ramp generator, which at its output, which is connected to the control input of the oscillator, a ramp-shaped output voltage, characterized in that a memory is provided for Storage of the last operating frequency of the ultrasonic vibration system before switching off.
  • the circuit arrangement according to the invention comprises a memory for storing the respective last operating frequency of the ultrasonic vibration system before switching off, there is advantageously the possibility of the respective value of the frequency at which the ultrasonic vibration system immediately before switching off, that is was operated at the end of an operating cycle, to be considered the next time you turn on the ultrasonic vibration system. That is, the starting frequency at the next operating cycle of the ultrasonic vibration system can be chosen to be in the immediate vicinity of the operating point. This considerably shortens the time until the operating point of the ultrasonic vibration system is reached. It is no longer necessary, the starting frequency for reasons of reliability so to choose to be well above the operating frequency of the ultrasonic vibration system.
  • a starting frequency that is relatively far above the operating frequency of the ultrasonic vibration system only has to be selected if the ultrasonic vibration system has not been in operation for a long time. That is, if the ultrasonic vibration system is not operated so long that the operating point could have changed significantly, for example, due to a temperature change, the starting frequency is not formed from the last detected value of the operating frequency of the ultrasonic vibration system but it is taken a starting frequency, the one corresponds to predetermined initialization value. An initialization operation is thus carried out not only during the very first start-up of the ultrasonic vibration system but at each start-up after a long break.
  • the starting frequency is formed from the respectively last detected value of the operating frequency of the ultrasonic vibration system.
  • the starting frequency is formed from the detected value of the operating frequency and an offset frequency value, as provided in a particular embodiment of the invention. This can be ensured in an advantageous manner that minor changes in the operating point during the downtime of an operating cycle can be considered.
  • the offset frequency value is about 0.2 percent to 5 percent, in particular 0.5 percent to 2.6 percent, preferably 1.0 percent of the operating point frequency. It has been found that interference-free operation can be ensured with such an offset frequency value without the starting frequency being too far away from the operating point.
  • an ultrasonic vibration system 1 of an ultrasonic welding device consisting of an ultrasonic oscillator and components which supplement it to form a resonant circuit is connected to the output 2b of an amplifier 2.
  • the input 2a of the amplifier 2 is connected to the output 3b of an oscillator 3.
  • the frequency of the oscillator 3 can be adjusted at a control input 3a.
  • the adjustable frequency range extends from about 15 kilohertz to 70 kilohertz.
  • the control input 3 a of the oscillator 3 is connected to the output 5 c of a changeover switch 5.
  • the changeover switch 5 can be actuated by means of a control input 5d, wherein the changeover switch 5 connects the output 5c to a first input 5a of the changeover switch 5 in a first position. In a second position of the changeover switch 5, the output 5c of the changeover switch 5 is connected to a second input 5b of the changeover switch 5.
  • the first input 5a of the changeover switch 5 is connected to the output 4b of a ramp generator 4.
  • the ramp generator 4 supplies at its output 4b ramp-shaped output voltage whose initial value can be set at a level input 4a of the ramp generator 4.
  • a start input 4c is provided.
  • the level input 4 a of the ramp generator 4 is connected to the output 8 c of a summation element 8.
  • a first input 8a of the summing element 8 is connected to the output 14b of a memory 14.
  • a second input 8b of the summing element 8 is connected to the output 7b of an offset transmitter 7.
  • the sum formed from the output signals of the memory 5 and the offset transmitter 7 is applied.
  • the input 14a of the memory 14 is connected to the output 6b of a frequency / voltage converter 6.
  • the input 6a of the frequency / voltage converter 6 is connected to the output 9b of a switch 9.
  • the input 9a of the switch 9 is connected to the input 2a of the amplifier 2.
  • the switch 9 can be actuated by means of a control input 9c. In the actuated state, the input 9a of the switch 9 is connected to the output 9b of the switch 9. That is, in the actuated state of the switch 9 is located at the input 6a of the frequency / voltage converter 6, a voltage at the frequency at which the ultrasonic vibration system 1 is operated.
  • the signal applied to the output 6b of the frequency / voltage converter 6 is proportional to the frequency of the voltage applied to the input 6a of the frequency / voltage converter.
  • the second input 5b of the changeover switch 5 is connected to the output 10c of a subtractor 10.
  • a first input 10a of the subtractor 10 is connected to the output 11a of a setpoint generator 11.
  • a second input 10b of the subtracter 10 is connected to the output 12a of a current sensor 12.
  • the current sensor 12 detects the output current I of the amplifier 2 and thus the excitation current I of the ultrasonic vibration system. 1
  • the signal applied to the output 10c of the subtracter 10 corresponds to the difference between the output signal of the setpoint generator 11 applied to the first input 10a of the subtractor 10 and the output signal of the current sensor 12 present at the second input 10b of the subtractor 10.
  • the output 11a of the setpoint generator 11 is connected to a first input 13a of a comparator 13.
  • a second input 13b of the comparator 13 is connected to the output 12a of the current sensor 12.
  • the comparator 13 provides at its output 13c a signal for actuating the switch 5 and the switch. 9
  • the signal present at the second input 13b of the comparator 13 is smaller than the signal applied to the first input 13a of the comparator 13, the signal present at the output 13c of the comparator 13 is zero, so that the switch 9 is not actuated, ie is open, and Switch 5 is in its first position, that is, the output 5c of the switch 5 is connected to the first input 5a of the switch 5.
  • an initialization value which is stored in a first memory area of the memory 5, is present at the output 5b of the memory 5.
  • the initialization value is chosen such that the initial value of the ramp-shaped output voltage of the ramp generator 4 sets the oscillator 3 so that it outputs a voltage, whose frequency is about five percent above the nominal series resonance frequency f sr of the ultrasonic vibration system 1 and thus also above the parallel resonance frequency f pr of the ultrasonic vibration system 1. This frequency is designated f start in FIG.
  • the resistance Z of the ultrasonic vibration system 1, the course of which is represented by the curve K in FIG. 2, is greater at this frequency f start than at the operating point frequency f AP .
  • the excitation current detected by means of the current sensor 12 is thus smaller than the setpoint value of the exciter current which flows through the ultrasound oscillation system 1 during operation of the ultrasound oscillation system 1 at the operating point AP. Accordingly, the signal applied to the second input 13b of the comparator 13 is smaller than the signal applied to the first input 13a of the comparator 13, so that the signal present at the output 13c of the comparator 13 is zero.
  • the switch 5 is thus in its first position, that is, the first input 5a of the switch 5 is connected to the output 5c of the switch 5, so that the pending at the output 4b of the ramp generator 4 signal at the input 3a of the oscillator 3 is present.
  • the frequency of the oscillator 3 is also reduced. This initially causes the impedance of the ultrasound oscillation system 1 to increase, as a result of which the excitation current is reduced further, so that initially nothing changes in the state of the circuit arrangement , After falling below the parallel resonance frequency f pr , however, the impedance Z of the ultrasonic vibration system 1 decreases sharply, whereby the excitation current increases.
  • the second input 5b of the changeover switch 5 is connected to the output 5c of the changeover switch 5.
  • This causes a closed loop is present, whereby the detected by the current sensor 12 excitation current is controlled to the value specified by the setpoint generator 11 value.
  • This regulation corresponds to a well-known current regulation and is therefore not explained in detail.
  • the input 9a of the switch 9 is connected to the output 9b of the switch 9.
  • the output voltage of the oscillator 3 is applied to the input 6a of the frequency / voltage converter 6.
  • a value corresponding to the frequency of this voltage is continuously written in a second memory area of the memory 5.
  • the value which is stored in the second storage area of the accumulator 5 is output at the output 5b of the accumulator 5.
  • the output value of the offset transmitter 7 is added to this value in the summation element 8.
  • the input 4a of the ramp generator 4 has a value which causes the initial value of the ramp-shaped output voltage of the Ramp generator 4, the oscillator 3 is set so that it outputs a voltage whose frequency f start-New by an offset value delta f is greater than the frequency at which the ultrasonic vibration system 1 was operated at the previous off.
  • the excitation current is smaller than its setpoint.
  • no signal is present at the output 13c of the comparator 13, so that the changeover switch 5 is in its first position, which means that the output 4b of the ramp generator 4 is connected to the input 3a of the oscillator 3.
  • the frequency of the oscillator 3 decreases, whereby the impedance of the ultrasonic vibration system 1 decreases, so that the exciting current increases.
  • the comparator 13 outputs a signal at its output 13c which causes the switch 5 and the switch 9 to be actuated.
  • the switching on of the ultrasonic vibration system 1 is carried out at a frequency which is based on the frequency with which the ultrasonic vibration system 1 was operated immediately before, advantageously, for example, a temperature response of the ultrasonic vibration system 1 is taken into account that special measures are required for this purpose.
  • the characteristic curve K of the ultrasound oscillation system 1 can shift, for example due to temperature influences.
  • the starting frequency F start -New is taken to be a value which is slightly above the last operating point frequency F ap . That is, the ultrasonic vibration system 1 is always switched in the immediate vicinity of its operating point, regardless of whether the operating point has shifted during the previous operation.

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines aus einem Ultraschall-Schwinger und diesen zu einem Schwingkreis ergänzenden Komponenten bestehenden Ultraschall-Schwingsystems 1, bei welchem an den Ultraschall-Schwingsystem 1 zur Erzeugung eines Erregerstroms eine Erregerspannung angelegt wird, deren Frequenz zum Betreiben des Ultraschall-Schwingsystems 1 in einem vorbestimmten Arbeitspunkt AP einstellbar ist, wobei beim Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems 1 die Frequenz ausgehend von einer Startfrequenz f start solange verändert wird, bis der Arbeitspunkt AP erreicht ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausschalten des Ultraschall-Schwingsystems 1 die Frequenz der Erregerspannung erfasst wird und der erfasste Wert beim nächsten Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems zur Bestimmung der Startfrequenz f start-Neu verwendet wird. Des weiteren ist eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Ultraschall-Schwingsystems 1 nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Verstärker 2 mit einem Eingang 2a und einem Ausgang 2b, welcher Ausgang 2b die Erregerspannung sowie den Erregerstrom für den Ultraschall-Schwingsystem 1 liefert, und mit einem Oszillator 3, dessen Frequenz an einem Steuereingang 3a einstellbar ist und dessen Ausgang 3b mit dem Eingang 2a des Verstärkers 2 verbunden ist, sowie einem Rampengenerator 4, welcher an seinem Ausgang 4b eine rampenförmige Ausgangsspannung liefert, und dessen Ausgang 4b mit dem Steuereingang 3a des Oszillators 3 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher 5 vorhanden ist, zur Speicherung der jeweils letzten Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems 1 vor dem Ausschalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Betreiben eines aus einem Ultraschall-Schwinger und diesen zu einem Schwingkreis ergänzenden Komponenten bestehenden Ultraschall-Schwingsystems, bei welchem an das Ultraschall-Schwingsystem zur Erzeugung eines Erregerstromes eine Erregerspannung angelegt wird, deren Frequenz zum Betreiben des Ultraschall-Schwingsystems in einem vorbestimmten Arbeitspunkt einstellbar ist, wobei beim Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems die Frequenz ausgehend von einer Startfrequenz solange verändert wird, bis der Arbeitspunkt erreicht ist.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5, zum Betreiben eines Ultraschall-Schwingsystems nach dem zuvor genannten Verfahren.
  • Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Schaltungsanordnung sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden beispielsweise bei von der Patentanmelderin hergestellten und vertriebenen Ultraschallschweißgeräten angewandt beziehungsweise verwendet.
  • Bei Ultraschallschweißgeräten ist es erforderlich, dass der Energieeintrag in ein betreffendes Werkstück konstant ist. Es ist somit insbesondere bei Ultraschallschweißgeräten erforderlich, dass die Schwingungsamplitude des Ultraschall-Schwingsystems konstant ist. Denn der Energieeintrag in ein betreffendes Werkstück hängt von der Schwingungsamplitude ab, die der Schweißkopf ausführt, was heißt, der Energieeintrag in ein betreffendes Werkstück hängt von der Schwingungsamplitude ab, die das Ultraschall-Schwingsystem ausführt. Da die Schwingungsamplitude des Ultraschall-Schwingsystems vom Erregerstrom des aus einem Ultraschall-Schwinger und diesen zu einem Schwingkreis ergänzenden Komponenten bestehendes Ultraschall-Schwingsystems abhängt, wird die Schwingungsamplitude des Ultraschall-Schwingsystems dadurch konstant gehalten, dass der Erregerstrom des Ultraschall-Schwingsystems konstant gehalten wird.
  • Um den Erregerstrom steuern zu können, wird das Ultraschall-Schwingsystem nicht in seiner Serienresonanz betrieben sondern regelmäßig mit einer Frequenz, die zwischen der Serienresonanz und der Parallelresonanz des Ultraschall-Schwingsystems liegt. Da sich durch Verändern der Frequenz, mit der das Ultraschall-Schwingsystem betrieben wird, die Impedanz des Ultraschall-Schwingsystems ändert, lässt sich durch Verändern der Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems der Strom durch das Ultraschall-Schwingsystem verändern.
  • Ändert sich während des Betriebs des Ultraschall-Schwingsystems beispielsweise aufgrund äußerer Einflüsse der Strom durch das Ultraschall-Schwingsystem, wird die Frequenz der an das Ultraschall-Schwingsystem angelegten Erregerspannung solange verändert, bis der Erregerstrom des Ultraschall-Schwingsystems wieder seinen vorhergehenden Wert erreicht hat.
  • Zum Erreichen des Arbeitspunktes wird die Frequenz der Erregerspannung ausgehend von einem Startwert solange verändert, bis der Erregerstrom seinen vorbestimmten Wert erreicht hat. Die Startfrequenz liegt regelmäßig etwa 2 bis 5 Prozent oberhalb der Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems und somit regelmäßig auch oberhalb seiner Parallelresonanzfrequenz. Der relativ große Abstand der Startfrequenz vom Arbeitspunkt des Ultraschall-Schwingsystems ist erforderlich, damit gewährleistet ist, dass sich die Startfrequenz auch dann oberhalb der Arbeitspunkt-Frequenz des Ultraschall-Schwingsystems befindet, wenn sich der Arbeitspunkt beispielsweise aufgrund eines Temperaturgangs des Ultraschall-Schwingsystems verändert hat.
  • Wird die Frequenz der Erregerspannung verringert, steigt die Impedanz des Ultraschall-Schwingsystems bis zum Erreichen der Parallelresonanzfrequenz an, wodurch sich der Erregerstrom verringert. Nach Überschreiten der Parallelresonanzfrequenz verringert sich die Impedanz des Ultraschall-Schwingsystems, so dass der Erregerstrom ansteigt. Erreicht der Erregerstrom seinen vorbestimmten Wert, befindet sich das Ultraschall-Schwingsystem in seinem Arbeitspunkt, woraufhin die Regelung einsetzt, mittels welcher der Erregerstrom konstant gehalten wird.
  • Durch die relativ große Frequenzänderung, die die Erregerspannung beim Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems durchlaufen muss, entsteht eine Verzögerung bis das Ultraschall-Schwingsystem seinen Betriebszustand erreicht hat. Die Zeit bis zum Erreichen des Betriebszustands des Ultraschall-Schwingsystems kann mehrere hundert Millisekunden betragen. Dies ist sehr nachteilig, da sich hierdurch der Schweißvorgang und somit die Zykluszeit eines Ultraschall-Schweißgeräts verlängert.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein eingangs genanntes Verfahren beziehungsweise eine eingangs genannte Schaltungsanordnung derart auszubilden, dass sich die Zeit bis zum Erreichen des Arbeitspunkts verringert.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschall-Schwingsystems, bei welchem an ein aus einem Ultraschall-Schwinger und diesen zu einem Schwingkreis ergänzenden Komponenten bestehenden Ultraschall-Schwing-system zur Erzeugung eines Erregerstroms eine Erregerspannung angelegt wird, deren Frequenz zum Betreiben des Ultraschall-Schwingsystems in einem vorbestimmten Arbeitspunkt einstellbar ist, wobei beim Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems die Frequenz ausgehend von einer Startfrequenz solange verändert wird, bis der Arbeitspunkt erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausschalten des Ultraschall-Schwingsystems die Frequenz der Erregerspannung erfasst wird und der erfasste Wert beim nächsten Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems zur Bestimmung der Startfrequenz verwendet wird.
  • Des Weiteren ist gemäß der Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Ultraschall-Schwingsystems nach dem vorher genannten Verfahren, mit einem Verstärker mit einem Eingang und einem Ausgang, welcher Ausgang die Erregerspannung sowie den Erregerstrom für das Ultraschall-Schwingsystem liefert, und mit einem Oszillator, dessen Frequenz an einem Steuereingang einstellbar ist und dessen Ausgang mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist, sowie einem Rampengenerator, welcher an seinem Ausgang, der mit dem Steuereingang des Oszillators verbunden ist, eine rampenförmige Ausgangsspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorhanden ist, zur Speicherung der letzten Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems vor dem Ausschalten.
  • Dadurch, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Speicher aufweist, zur Speicherung der jeweils letzten Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems vor dem Ausschalten, besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, den jeweiligen Wert der Frequenz, bei der das Ultraschall-Schwingsystem unmittelbar vor dem Ausschalten, das heißt beim Beenden eines Betriebszyklus betrieben wurde, beim nächsten Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems zu berücksichtigen. Das heißt, die Startfrequenz beim nächsten Betriebszyklus des Ultraschall-Schwingsystems kann so gewählt werden, dass sie sich in unmittelbarer Nähe des Arbeitspunktes befindet. Hierdurch verkürzt sich die Zeit bis zum Erreichen des Arbeitspunkts des Ultraschall-Schwingsystems erheblich. Es ist nicht mehr erforderlich, die Startfrequenz aus Gründen der Betriebssicherheit so zu wählen, dass sie deutlich oberhalb der Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems liegt.
  • Eine relativ weit oberhalb der Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems liegende Startfrequenz muss lediglich dann gewählt werden, wenn das Ultraschall-Schwingsystem längere Zeit nicht in Betrieb war. Das heißt, wird das Ultraschall-Schwingsystem solange nicht betrieben, dass sich der Arbeitspunkt beispielsweise aufgrund eines Temperaturgangs wesentlich verändert haben könnte, wird die Startfrequenz nicht aus dem letzten erfassten Wert der Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems gebildet sondern es wird eine Startfrequenz genommen, die einem vorbestimmten Initialisierungswert entspricht. Ein Initialisierungsbetrieb wird somit nicht nur bei der allerersten Inbetriebnahme des Ultraschall-Schwing-systems durchgeführt sondern bei jeder Inbetriebnahme nach einer längeren Pause.
  • Beim zyklischen Betrieb des Ultraschall-Schwingsystems hingegen wird die Startfrequenz aus dem jeweils letzten erfassten Wert der Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems gebildet. In vorteilhafter Weise wird die Startfrequenz aus dem erfassten Wert der Betriebsfrequenz und einem Offset-Frequenzwert gebildet, wie dies bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass geringfügige Änderungen des Arbeitspunktes während der Stillstandzeit eines Betriebszyklus berücksichtigt werden können. In vorteilhafter Weise beträgt der Offset-Frequenzwert etwa 0,2 Prozent bis 5 Prozent, insbesondere 0,5 Prozent bis 2,6 Prozent, vorzugsweise 1,0 Prozent der Arbeitspunkt-Frequenz. Es hat sich herausgestellt, dass mit einem derartigen Offset-Frequenzwert ein störungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann, ohne dass die Startfrequenz zu weit vom Arbeitspunkt abliegt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • Es zeigt
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
    Figur 2
    den Verlauf der Impedanz eines Ultraschall-Schwingsystems über die Frequenz.
  • Wie Figur 1 entnommen werden kann, ist ein aus einem Ultraschall-Schwinger und diesen zu einem Schwingkreis ergänzenden Komponenten bestehendes Ultraschall-Schwingsystem 1 eines Ultraschall-Schweißgeräts mit dem Ausgang 2b eines Verstärkers 2 verbunden. Der Eingang 2a des Verstärkers 2 ist mit dem Ausgang 3b eines Oszillators 3 verbunden. Die Frequenz des Oszillators 3 lässt sich an einem Steuereingang 3a einstellen. Der einstellbare Frequenzbereich erstreckt sich von etwa 15 Kilohertz bis 70 Kilohertz.
  • Der Steuereingang 3a des Oszillators 3 ist mit dem Ausgang 5c eines Umschalters 5 verbunden. Der Umschalter 5 ist mittels eines Steuereingangs 5d betätigbar, wobei der Umschalter 5 in einer ersten Stellung den Ausgang 5c mit einem ersten Eingang 5a des Umschalters 5 verbindet. In einer zweiten Stellung des Umschalters 5 ist der Ausgang 5c des Umschalters 5 mit einem zweiten Eingang 5b des Umschalters 5 verbunden.
  • Der erste Eingang 5a des Umschalters 5 ist mit Ausgang 4b eines Rampengenerators 4 verbunden. Der Rampengenerator 4 liefert an seinem Ausgang 4b eine rampenförmige Ausgangsspannung, deren Anfangswert an einem Pegeleingang 4a des Rampengenerators 4 eingestellt werden kann. Zum Starten des Rampengenerators 4 ist ein Starteingang 4c vorgesehen.
  • Der Pegeleingang 4a des Rampengenerators 4 ist mit dem Ausgang 8c eines Summationsglieds 8 verbunden. Ein erster Eingang 8a des Summationsglieds 8 ist mit dem Ausgang14b eines Speichers 14 verbunden. Ein zweiter Eingang 8b des Summationsglieds 8 ist mit dem Ausgang 7b eines Offset-Gebers 7 verbunden. Am Ausgang 8c des Summationsglieds 8 steht die aus den Ausgangssignalen des Speichers 5 und des Offset-Gebers 7 gebildete Summe an.
  • Der Eingang 14a des Speichers 14 ist mit dem Ausgang 6b eines Frequenz-/Spannungswandlers 6 verbunden. Der Eingang 6a des Frequenz-/Spannungswandlers 6 ist mit dem Ausgang 9b eines Schalters 9 verbunden. Der Eingang 9a des Schalters 9 ist mit dem Eingang 2a des Verstärkers 2 verbunden. Der Schalter 9 ist mittels eines Steuereingangs 9c betätigbar. Im betätigten Zustand ist der Eingang 9a des Schalters 9 mit dem Ausgang 9b des Schalters 9 verbunden. Das heißt, im betätigten Zustand des Schalters 9 liegt am Eingang 6a des Frequenz-/Spannungswandlers 6 eine Spannung mit der Frequenz an, mit der das Ultraschall-Schwingsystem 1 betrieben wird. Das am Ausgang 6b des Frequenz-/Spannungswandlers 6 anliegende Signal ist proportional der Frequenz der am Eingang 6a des Frequenz-/Spannungswandlers anliegenden Spannung.
  • Der zweite Eingang 5b des Umschalters 5 ist mit dem Ausgang 10c eines Subtrahierglieds 10 verbunden. Ein erster Eingang 10a des Subtrahierglieds 10 ist mit dem Ausgang 11a eines Sollwertgebers 11 verbunden. Ein zweiter Eingang 10b des Subtrahierglieds 10 ist mit dem Ausgang 12a eines Stromsensors 12 verbunden. Der Stromsensor 12 erfasst den Ausgangsstrom I des Verstärkers 2 und somit den Erregerstrom I des Ultraschall-Schwingsystems 1.
  • Das am Ausgang 10c des Subtrahierglieds 10 anliegende Signal entspricht der Differenz zwischen dem am ersten Eingang 10a des Subtrahierglieds 10 anliegenden Ausgangssignal des Sollwertgebers 11 und dem am zweiten Eingang 10b des Subtrahierglieds 10 anliegenden Ausgangssignal des Stromsensors 12.
  • Der Ausgang 11a des Sollwertgebers 11 ist mit einem ersten Eingang 13a eines Vergleichers 13 verbunden. Ein zweiter Eingang 13b des Vergleichers 13 ist mit dem Ausgang 12a des Stromsensors 12 verbunden. Der Vergleicher 13 liefert an seinem Ausgang 13c ein Signal zur Betätigung des Umschalters 5 sowie des Schalters 9.
  • Ist das am zweiten Eingang 13b des Vergleichers 13 anliegende Signal kleiner als das am ersten Eingang 13a des Vergleichers 13 anliegende Signal ist das am Ausgang 13c des Vergleichers 13 anstehende Signal null, so dass der Schalter 9 nicht betätigt, das heißt geöffnet ist, und der Umschalter 5 in seiner ersten Stellung steht, das heißt der Ausgang 5c des Umschalters 5 mit dem ersten Eingang 5a des Umschalters 5 verbunden ist. Ist das am zweiten Eingang 13b des Vergleichers 13 anstehende Signal gleich oder größer als das am ersten Eingang 13a des Vergleichers 13 anstehende Signal, steht am Ausgang 13c des Vergleichers 13 ein Signal an, so dass der Schalter 9 betätigt ist, das heißt der Eingang 9a des Schalter 9 mit dem Ausgang 9b des Schalters 9 verbunden ist, sowie der Umschalter 5 in seiner zweiten Stellung steht, das heißt, der Ausgang 5c des Umschalters 5 mit dem zweiten Eingang 5b des Umschalters 5 verbunden ist.
  • Beim erstmaligen Einschalten der Schaltungsanordnung beziehungsweise beim Einschalten der Schaltungsanordnung nach einer längeren Pause liegt am Ausgang 5b des Speichers 5 ein Initialisierungswert an, welcher in einem ersten Speicherbereich des Speichers 5 gespeichert ist. Der Initialisierungswert ist so gewählt, dass der Anfangswert der rampenförmigen Ausgangsspannung des Rampengenerators 4 den Oszillator 3 so einstellt, dass er eine Spannung abgibt, deren Frequenz etwa fünf Prozent oberhalb der Nenn-Serienresonanzfrequenz f sr des Ultraschall-Schwingsystems 1 liegt und damit auch oberhalb der Parallelresonanzfrequenz f pr des Ultraschall-Schwingsystems 1 liegt. Diese Frequenz ist in Figur 2 mit f start bezeichnet.
  • Wie Figur 2 entnommen werden kann, ist der Widerstand Z des Ultraschall-Schwingsystems 1, dessen Verlauf in Figur 2 durch die Kurve K dargestellt ist, bei dieser Frequenz f start größer als bei der Arbeitspunktfrequenz f AP.
  • Der mittels des Stromsensors 12 erfasste Erregerstrom ist somit kleiner als der Sollwert des Erregerstroms, der beim Betrieb des Ultraschall-Schwingsystems 1 im Arbeitspunkt AP durch den Ultraschall-Schwingsystem 1 fließt. Dementsprechend ist das am zweiten Eingang 13b des Vergleichers 13 anliegende Signal kleiner als das am ersten Eingang 13a des Vergleichers 13 anliegende Signal, so dass das am Ausgang 13c des Vergleichers 13 anstehende Signal null ist. Der Umschalter 5 steht somit in seiner ersten Stellung, das heißt der erste Eingang 5a des Umschalters 5 ist mit dem Ausgang 5c des Umschalters 5 verbunden, so dass das am Ausgang 4b des Rampengenerators 4 anstehende Signal am Eingang 3a des Oszillators 3 ansteht.
  • Da sich das Ausgangssignal des Rampengenerators 4 kontinuierlich verringert, verringert sich auch die Frequenz des Oszillators 3. Dies bewirkt zunächst, dass die Impedanz des Ultraschall-Schwingsystems 1 zunimmt, wodurch sich der Erregerstrom weiter verringert, so dass sich am Zustand der Schaltungsanordnung zunächst nichts ändert. Nach Unterschreiten der Parallel-Resonanzfrequenz f pr nimmt die Impedanz Z des Ultraschall-Schwingsystems 1 jedoch stark ab, wodurch der Erregerstrom ansteigt. Erreicht der Erregerstrom seinen Sollwert, das heißt, entspricht das am zweiten Eingang 13b des Vergleichers 13 anstehende Signal dem am ersten Eingang 13a des Vergleichers 13 anstehenden Signal, das heißt dem Ausgangssignal des Sollwertgebers 11, wird am Ausgang 13c des Vergleichers 13 ein Signal ausgegeben, welches verursacht, dass der Umschalter 5 sowie der Schalter 9 betätigt werden.
  • Durch die Betätigung des Umschalters 5 ist der zweite Eingang 5b des Umschalters 5 mit dem Ausgang 5c des Umschalters 5 verbunden. Dies bewirkt, dass ein geschlossener Regelkreis vorhanden ist, wodurch der vom Stromsensor 12 erfasste Erregerstrom auf den vom Sollwertgeber 11 vorgegebenen Wert geregelt wird. Diese Regelung entspricht einer allgemein bekannten Stromregelung und wird daher nicht näher erläutert.
  • Durch die Betätigung des Schalters 9 wird der Eingang 9a des Schalters 9 mit dem Ausgang 9b des Schalters 9 verbunden. Hierdurch steht am Eingang 6a des Frequenz-/Spannungswandlers 6 die Ausgangsspannung des Oszillators 3 an. Ein der Frequenz dieser Spannung entsprechender Wert wird kontinuierlich in einen zweiten Speicherbereich des Speichers 5 geschrieben. Hierdurch wird erreicht, dass beim Öffnen des Schalters 9 im zweiten Speicherbereich des Speichers 5 ein Wert vorhanden ist, der der Frequenz entspricht, die die Ausgangsspannung des Oszillators 3 beim Öffnen des Schalters 9 gehabt hat. Das heißt, wird das Ultraschall-Schwingsystem 1 ausgeschaltet, wodurch der Schalter 9 geöffnet wird, ist im zweiten Speicherbereich des Speichers 5 ein Signal gespeichert, welches der Frequenz entspricht, mit der das Ultraschall-Schwingsystem 1 beim Ausschalten betrieben wurde.
  • Bei einem zyklischen Betrieb des Ultraschall-Schwingsystems 1 beziehungsweise sofern keine größere zeitliche Verzögerung auftritt wird beim nächsten Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems 1 am Ausgang 5b des Speichers 5 der Wert ausgegeben, der in dem zweiten Speicherbereich des Speichers 5 gespeichert ist. Zu diesem Wert wird im Summationsglied 8 der Ausgangswert des Offset-Gebers 7 addiert. Hierdurch liegt am Eingang 4a des Rampengenerators 4 ein Wert an, der bewirkt, dass der Anfangswert der rampenförmigen Ausgangsspannung des Rampengenerators 4 den Oszillator 3 so einstellt, dass dieser eine Spannung abgibt, deren Frequenz f start-Neu um einen Offset-Wert deltaf größer ist als die Frequenz, mit der das Ultraschall-Schwingsystem 1 beim vorangegangenen Ausschalten betrieben wurde.
  • Da die Impedanz des Ultraschall-Schwingsystems 1 bei dieser Frequenz f start-Neu größer ist als im Arbeitspunkt AP, ist der Erregerstrom kleiner als sein Sollwert. Somit liegt am Ausgang 13c des Vergleichers 13 kein Signal an, so dass sich der Umschalter 5 in seiner ersten Stellung befindet, was heißt, dass der Ausgang 4b des Rampengenerators 4 mit dem Eingang 3a des Oszillators 3 verbunden ist. Entsprechend dem Ausgangssignal des Rampengenerators 4 verringert sich die Frequenz des Oszillators 3, wodurch die Impedanz des Ultraschall-Schwingsystems 1 abnimmt, so dass der Erregerstrom ansteigt. Erreicht der Erregerstrom seinen Sollwert, gibt der Vergleicher 13 an seinem Ausgang 13c ein Signal aus, welches verursacht, dass der Schalter 5 sowie der Schalter 9 betätigt werden. Der weitere Verlauf entspricht dem weiter oben beschriebenen Verlauf.
  • Da die neue Startfrequenz f start-Neu lediglich geringfügig oberhalb der Arbeitspunkt-frequenz f ap liegt, wird der Arbeitspunkt erheblich früher erreicht, als bei einem Beginn mit der ursprünglichen Startfrequenz f start.
  • Dadurch, dass das Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems 1 mit einer Frequenz erfolgt, die sich an der Frequenz orientiert, mit der das Ultraschall-Schwingsystem 1 unmittelbar zuvor betrieben wurde, wird in vorteilhafter Weise beispielsweise auch ein Temperaturgang des Ultraschall-Schwingsystems 1 berücksichtigt, ohne dass hierzu besondere Maßnahmen erforderlich sind. Wie in Figur 2 dargestellt ist, kann sich die Kennlinie K des Ultraschall-Schwingsystems 1 beispielsweise aufgrund von Temperatureinflüssen verschieben. So kann sie sich so verschieben, dass die Serien-Resonanzfrequenz nach oben wandert, wie dies durch die Kurve K' dargestellt ist, oder nach unten wandert, wie dies durch die Kurve K" dargestellt ist. In jedem Fall wird als Startfrequenz F start-Neu ein Wert genommen, der geringfügig oberhalb der letzten Arbeitspunktfrequenz F ap liegt. Das heißt, das Ultraschall-Schwingsystem 1 wird stets in unmittelbarer Nähe seines Arbeitspunktes eingeschaltet, unabhängig davon, ob sich der Arbeitspunkt während des vorangegangenen Betriebs verschoben hat.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben eines aus einem Ultraschall-Schwinger und diesen zu einem Schwingkreis ergänzenden Komponenten bestehenden Ultraschall-Schwingsystems (1), bei welchem an das Ultraschall-Schwingsystem (1) zur Erzeugung eines Erregerstroms eine Erregerspannung angelegt wird, deren Frequenz zum Betreiben des Ultraschall-Schwingsystems (1) in einem vorbestimmten Arbeitspunkt (AP) einstellbar ist, wobei beim Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems (1) die Frequenz ausgehend von einer Startfrequenz (f start) solange verändert wird, bis der Arbeitspunkt (AP) erreicht ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass beim Ausschalten des Ultraschall-Schwingsystems (1) die Frequenz der Erregerspannung erfasst wird und der erfasste Wert beim nächsten Einschalten des Ultraschall-Schwingsystems zur Bestimmung der Startfrequenz (f start-Neu) verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Startfrequenz (f start-Neu) aus dem erfassten Wert und einem Offset-Frequenzwert gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei einem Initialisierungsbetrieb des Ultraschall-Schwingsystems (1) die Startfrequenz (f start)einem vorbestimmten Initialisierungswert entspricht.
  4. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Ultraschall-Schwingsystems (1) nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Verstärker (2) mit einem Eingang (2a) und einem Ausgang (2b), welcher Ausgang (2b) die Erregerspannung sowie den Erregerstrom für den Ultraschall-Schwingsystem (1) liefert, und mit einem Oszillator (3), dessen Frequenz an einem Steuereingang (3a) einstellbar ist und dessen Ausgang (3b) mit dem Eingang (2a) des Verstärkers (2) verbunden ist, sowie einem Rampengenerator (4), welcher an seinem Ausgang (4b) eine rampenförmige Ausgangsspannung liefert, und dessen Ausgang (4b) mit dem Steuereingang (3a) des Oszillators (3) verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Speicher (5) vorhanden ist, zur Speicherung der jeweils letzten Betriebsfrequenz des Ultraschall-Schwingsystems (1) vor dem Ausschalten.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Ausgangssignal des Speichers (5) den Startwert des Rampengenerators (4) bildet.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Offset-Geber (7) vorhanden ist, dessen Ausgangssignal dem Ausgangssignal des Speichers (5) zugeschlagen wird.
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