EP4100174A1 - Method and system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for machining a workpiece - Google Patents

Method and system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for machining a workpiece

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Publication number
EP4100174A1
EP4100174A1 EP21703020.4A EP21703020A EP4100174A1 EP 4100174 A1 EP4100174 A1 EP 4100174A1 EP 21703020 A EP21703020 A EP 21703020A EP 4100174 A1 EP4100174 A1 EP 4100174A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
phase offset
phase
ultrasound
machining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21703020.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heiko MARX
Viktor DOLINGER
Fabian Franzmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DMG Mori Ultrasonic Lasertec GmbH
Original Assignee
DMG Mori Ultrasonic Lasertec GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DMG Mori Ultrasonic Lasertec GmbH filed Critical DMG Mori Ultrasonic Lasertec GmbH
Publication of EP4100174A1 publication Critical patent/EP4100174A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • 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
    • B06B1/0269—Driving circuits for generating signals continuous in time for generating multiple frequencies
    • 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
    • B06B1/0246—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal
    • B06B1/0253—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal taken directly from the generator circuit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/0009—Energy-transferring means or control lines for movable machine parts; Control panels or boxes; Control parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
    • B06B1/0269—Driving circuits for generating signals continuous in time for generating multiple frequencies
    • B06B1/0284—Driving circuits for generating signals continuous in time for generating multiple frequencies with consecutive, i.e. sequential generation, e.g. with frequency sweep

Definitions

  • Machine tools enable flexible, mostly machining, processing of workpieces.
  • a machine tool comprises a large number of different tools that are used depending on the component dimensions and the material to be processed.
  • metal materials are machined by milling or turning with a geometrically defined cutting edge. Due to their material-specific properties, brittle workpieces such as B. ceramics, but are inadequately processed by means of a geometrically defined cutting edge. In such applications, processing by means of ultrasound is often a cost-effective and efficient processing of a workpiece
  • machine tools are known from the prior art in which the tool kinematics of the conventional machining process, such as grinding or cutting, is supported by additionally superimposing a high-frequency vibration. This oscillation generates movement amplitudes in the range of a few micrometers at a contact between the tool and the workpiece, which results in a reduction in the process forces.
  • Machine tools of this type with an ultrasonic function have an ultrasonic generator which generates an ultrasonic vibration which is usually transmitted via a piezo system to a tool holder that can be exchanged, for example, in the milling spindle.
  • the object of the invention is to provide a method and a system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece, which method enables optimized ultrasonic machining by the machine tool
  • a method for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece comprises the step: generating electrical signals with different frequencies, the frequencies being in the frequency range of ultrasound.
  • electrical signals can be generated sequentially at different frequencies.
  • a generated electrical signal may include multiple superimposed electrical signals at different frequencies.
  • all frequency points of the different frequencies are part of a predetermined frequency band which specifies a possible working range with regard to the frequency. This can have the advantage that it is ensured that the regulation of the frequency also meets the requirements of the workpiece machining with regard to the frequency.
  • the generation of electrical signals with different frequencies can include a sweep (frequency sweep) of a predetermined frequency spectrum.
  • the frequency spectrum of the various frequencies in particular a sweep (frequency run) can depend on a tool (mass, temperature), machining parameters (feed, speed, infeed) and / or one or more workpiece properties such as material, geometry, size, mass.
  • Another step of the method is the application of ultrasonic waves to a tool by means of the electrical signals.
  • a generated electrical signal can be converted into a mechanical signal (ultrasound), in particular by means of a motor such as a piezoelectric motor.
  • the method further comprises the steps of: determining a phase offset (phase shift angle) of the ultrasound as a function of the frequency, analyzing the phase offset as a function of the frequency and determining a control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound generated by the ultrasound generator as a function of the analysis of the phase offset.
  • the determination of a phase offset of the ultrasound can for example comprise a determination of a phase shift angle (phase offset) between an electrical voltage of the generated electrical signal and an electrical current of the generated electrical signal.
  • an energy input in the form of ultrasound
  • controllers control algorithms
  • controllers can be designed to be particularly efficient and stable.
  • errors in the determination of the phase shift as a controlled variable, for example due to noise, can be neglected.
  • the method comprises the steps of specifying a phase offset control target, controlling the frequency generated by the ultrasonic generator to achieve the phase offset control target, and processing a workpiece while the frequency of the ultrasonic waves is controlled.
  • a phase offset control target controlling the frequency generated by the ultrasonic generator to achieve the phase offset control target
  • processing a workpiece while the frequency of the ultrasonic waves is controlled.
  • the phase offset control target can be, for example, a phase offset of 0 ° or in the range close to 0 °, which means that the body to which the ultrasound is applied is in resonance at a corresponding frequency.
  • This has the advantage that superimposed ultrasonic waves are amplified and the energy input to achieve a predetermined amplitude of the ultrasonic wave can be reduced as a result.
  • the first phase reference value can advantageously have a value in particular 3 ° above the phase control target. This can have the advantage that an overshoot during the regulation / control, for example in the case of a phase regulation target to regulate to a phase value of 0 °, does not lead to a change in the regulation algorithm.
  • the frequency generated by the ultrasonic generator can be controlled to a higher frequency of the two different frequencies in order to achieve the phase offset control target.
  • Phase offset control target can be achieved by means of two or more different frequencies, the frequency generated by the ultrasonic generator to achieve the
  • Phase offset control target to a frequency at which an impedance (resistance) to the
  • the method can include the steps of regulating the frequency generated by the ultrasonic generator so that the phase offset is minimum, and machining a workpiece while controlling the frequency of the ultrasonic waves.
  • the control of the ultrasonic generator and thus the machine tool can be optimized to improve the machining of the workpiece with regard to energy savings and a machining speed of a workpiece.
  • the method can include the steps of determining a frequency of the various frequencies, the determined phase offset being minimal at this frequency, machining a workpiece during the Frequency of the ultrasonic waves is regulated, and include varying the frequency in a predetermined machining frequency band around the specific frequency during workpiece machining.
  • the processing frequency band can be a band of ⁇ 600 Hz around a center frequency.
  • varying the frequency can include a frequency sweep, in particular a frequency sweep. This can be done, for example, linearly by means of a voltage-controlled oscillator (VCO).
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • the step size can be larger at the edges of the frequency band than in the middle of the processing frequency band.
  • the method can include the steps of determining the phase offset between the generated ultrasound and the reflected ultrasound wave as a function of the frequency, while the frequency is varied; Analyzing the phase offset as a function of the frequency; Determining a new frequency from the processing frequency band around the determined frequency with a minimum phase offset; and varying the frequency in the processing frequency band around the newly determined frequency.
  • the method can include the steps of determining the phase offset between the generated ultrasound and the reflected ultrasonic wave as a function of the frequency during workpiece machining, analyzing the phase offset as a function of the frequency during workpiece machining, and changing the control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound generated by the ultrasonic generator depending on the analysis of the phase shift include.
  • Machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece comprises an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves for processing a workpiece, a phase offset determination unit for determining a phase offset of the ultrasound, an evaluation unit for analyzing the phase offset as a function of the frequency and for determining a control algorithm as a function of the analysis of the phase offset and a control unit for regulating the frequency in Dependency of a phase offset between the generated and reflected ultrasonic waves and depending on the specific control algorithm.
  • An ultrasonic generator can for example comprise a piezomotor for converting an electrical current into a mechanical movement and / or a frequency generator for generating an electrical current or an electrical voltage with a predetermined frequency.
  • the ultrasonic generator can generate electrical signals at different frequencies.
  • electrical signals can be generated sequentially at different frequencies.
  • a generated electrical signal may include multiple superimposed electrical signals at different frequencies.
  • An electrical signal can be converted into ultrasound by means of one or more piezomotors, for example.
  • phase shift in ultrasound is a phase shift between the current and voltage of an electrical signal that is converted into ultrasound.
  • the phase offset determination unit can comprise an analog and / or a digital circuit for determining a phase offset.
  • the phase offset determination unit can comprise one or more analog-to-digital converters (ADC) for this purpose.
  • ADC analog-to-digital converters
  • the evaluation unit can comprise an analog and / or a digital circuit for analyzing the phase offset.
  • the evaluation unit can comprise one or more analog-digital converters for this purpose.
  • control unit can comprise an analog control circuit and / or a digital control.
  • a Control take place time-discrete or time-continuous.
  • a control parameter of the regulation can be quantized or output continuously.
  • the control unit can be set up to regulate / control a frequency of the ultrasound generated by means of the ultrasound generator.
  • the ultrasonic generator, the phase offset determination unit, the evaluation unit and / or the control unit or parts of the units mentioned can be combined in one unit.
  • the evaluation unit can be set up to analyze the phase offset and to determine a control algorithm during workpiece machining.
  • the machine tool can control a machining speed as a function of the analysis of the phase offset. This can improve the service life due to less wear.
  • control unit can be set up to change the control algorithm during workpiece machining.
  • This has the advantage that the machining of a workpiece is adapted to the system parameters during machining.
  • workpiece processing can be improved in terms of energy consumption and the quality of workpiece processing.
  • the system can be set up to carry out a method according to one of Claims 1 to 7.
  • the system can be optimized to the system parameters with regard to workpiece machining, so that the energy expenditure, the machining speed and the tool wear can be optimized.
  • Machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece comprises the steps of generating electrical signals with different frequencies for machining a workpiece; Applying ultrasonic waves to a tool by means of the electrical signals, in particular by means of piezomotors; Find one Phase shift (phase shift angle) of the ultrasound as a function of the frequency; Determining a frequency at which the phase offset has a minimum; Varying the frequency in a predetermined processing frequency band around the determined frequency; and machining the workpiece.
  • the tool can be excited with ultrasound in such a way that an amplitude of the ultrasound can be generated with a low energy input.
  • the method can include the further steps of determining the phase offset of the ultrasound as a function of the frequency during workpiece machining; Determining a new frequency at which the phase offset has a minimum after the frequency in the predetermined processing frequency band has been varied by the determined frequency; and varying the frequency in a predetermined processing frequency band around the newly determined frequency.
  • a system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece comprises an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves for machining a workpiece, a phase offset determination unit for determining a phase offset of the ultrasound, an evaluation unit for analyzing a phase offset of the ultrasound and for determining a Frequency at which the phase offset has a minimum, depending on the analysis of the phase offset; and a control unit for varying the frequency in a predetermined processing frequency band around the determined frequency.
  • the ultrasonic generator can generate electrical signals at different frequencies. In some embodiments, electrical
  • a generated electrical signal can include multiple superimposed electrical signals with different frequencies.
  • An electrical signal can be converted into ultrasound by means of one or more piezomotors, for example.
  • phase shift in ultrasound is a phase shift between the current and voltage of an electrical signal that is converted into ultrasound.
  • FIGS. 1 to 6 of the drawing Further details and advantages and individual exemplary embodiments of the invention will become clear from the following description of FIGS. 1 to 6 of the drawing.
  • FIG. 1 shows schematically a method for controlling an ultrasonic generator of a machine tool according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a phase profile of a phase offset of ultrasound determined according to the invention as a function of the frequency.
  • FIG. 3 shows a phase profile of a phase offset of ultrasound determined according to the invention as a function of the frequency.
  • phase 4 shows a phase profile of a phase offset determined according to the invention as a function of the frequency.
  • FIG. 5 shows a phase profile 21 of a phase offset determined according to the invention as a function of the frequency.
  • FIG. 6 schematically shows a system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 schematically shows an ultrasonic generator according to an embodiment of the invention.
  • 8 schematically shows an evaluation unit according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a method for controlling an ultrasonic generator of a machine tool according to an embodiment of the invention.
  • steps can be added, divided, merged and / or carried out in parallel without departing from the invention.
  • the order of the steps can be changed without affecting the invention.
  • a first step electrical signals with different frequencies are generated.
  • an electrical signal with a large number of frequencies can be generated for this purpose.
  • electrical signals with different frequencies can be generated one after the other for this purpose.
  • ultrasonic waves are applied to a tool by means of the electrical signals.
  • the ultrasonic waves can be applied, for example, by converting the electrical signals into ultrasound, in particular by means of one or more piezomotors.
  • the ultrasound can be generated directly on / on the tool by a corresponding motor on / on the tool.
  • Step S13 includes determining a phase offset of the ultrasound as a function of the frequency. This can be done, for example, by means of an algorithm, in particular for determining the phase offset between electrical current and electrical voltage of the electrical signal that is converted into ultrasound. In some embodiments, the phase offset can also be determined analogously.
  • a predetermined frequency band can not be specified, but can be determined by means of the analysis of the phase offset.
  • a control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound is determined in step S15.
  • Preferred examples of control algorithms that are used within the scope of the invention are varying the frequency in a predetermined frequency band (frequency sweep), in particular sweeping, the frequency band being redefined after a sweep as a function of a minimum in the phase offset; Minimum algorithms that are designed to minimize a controlled variable by means of a control parameter (manipulated variable), in particular by means of convex optimization, and control algorithms that are designed to regulate a controlled variable to a predetermined value, for example a zero crossing, by means of a manipulated variable (control parameter) .
  • a minimum algorithm may, for example, include the steps of detecting a minimum at a first frequency, increasing the first frequency to a second frequency; Comparing the phase offset of the first frequency with the phase offset of the second frequency; Adopting the second frequency as the first frequency if the phase offset of the second frequency is smaller than the phase offset of the first frequency; Reducing the first frequency to a second frequency if the phase offset of the second frequency is greater than the phase offset of the first frequency, comparing a phase offset of the second frequency with the phase offset of the first frequency; Adopting the second frequency as the first frequency if the phase offset of the second frequency is smaller than the phase offset of the first frequency.
  • the step size can be increased or decreased when increasing or decreasing the frequency.
  • step S16 the workpiece is machined.
  • workpiece machining S16 can return to step S14 become. This allows the frequency of the ultrasound to be adapted to changes in the system (changes that affect the resonance frequency of the tool).
  • step S11 can be preceded by a step S10 in which a frequency band is defined.
  • the different frequencies generated in step S 1 are advantageously contained in the frequency band established in step S10. This ensures that the frequency of the ultrasound is regulated to a predetermined resonance and not to higher-order or lower-order resonances.
  • FIG. 2 shows a phase profile of a phase offset of an ultrasound determined according to the invention as a function of the frequency.
  • the frequency in kilohertz is plotted along the X axis.
  • the phase offset Phi is plotted in degrees on the Y axis.
  • the phase profile 21 shown in FIG. 2 falls below the first phase reference value 23 in its minimum 30.
  • the first phase reference value can, for example, have the value 3 °. Due to the fact that the minimum of the phase profile falls below the first phase reference value 23, the frequency of the ultrasonic waves is to be regulated to a phase offset regulation target 31. In the example shown in FIG. 2, the control target is 0 °.
  • the frequency of the ultrasound is to be regulated to a frequency with the minimum phase offset 30.
  • the minimum 30 of the phase curve 21 does not fall below the phase reference value 24, or if the minimum 30 of the phase curve 21 exceeds the phase reference value 24, it is advantageous according to the invention to use a sweep algorithm (running through a predetermined frequency band). This has the advantage that, particularly in the case of a phase curve overlaid by noise, optimal results can nonetheless be achieved.
  • the second phase reference value 24 is approximately 58 ° and the first phase reference value 23 is approximately 5 °.
  • the control target 31 is set to 0 °.
  • the values of the first and second phase reference values and the control target can be varied. It makes sense, however, to maintain the qualitative relationship between these variables.
  • the first phase reference value 23 can match the second phase reference value 24, there can only be a first or second phase reference value, or there can be further phase reference values, so that only two or a large number of control algorithms for controlling the ultrasonic generator with regard to the frequency in Depending on the analysis of the phase offset, a control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound generated by the ultrasound generator is determined.
  • FIG. 3 shows, by way of example, a phase profile determined according to the invention as a function of the frequency.
  • a phase profile 21 which has a minimum 30 is shown.
  • the scaling of the phase is plotted on the right-hand side and an impedance scaling along the Y-axis is plotted on the left-hand side.
  • the frequency in heart is plotted on the X-axis.
  • an impedance curve 22 can be seen in FIG. 3. It can be established here that at a first zero crossing 28 of the phase curve the impedance curve 22 has a maximum as a function of the frequency and at a second zero crossing 29 of the phase curve the impedance 22 has an approximately minimum. Because of this, it is advantageous, in the case of an ultrasonic generator that is controlled as a function of a current, to regulate the frequency to a frequency with a low impedance value.
  • phase profile can have several minima 30, 30a. It can therefore make sense to limit the working range with regard to the frequency spectrum, for example by means of a lower limit 25 and an upper limit 26, to a predetermined frequency band. This ensures that the frequency generated by the ultrasonic generator is regulated to a predetermined resonance of the tool.
  • FIG. 4 also shows the on the right-hand side
  • Axis is the impedance.
  • the frequency in Hertz is plotted along the X axis.
  • Phase reference value falls below 24, but above a first phase reference value 23 lies.
  • the first phase reference value in this exemplary embodiment is 3 ° and the second phase reference value in this exemplary embodiment is 67 °.
  • these values are not binding, they are only exemplary.
  • FIG. 4 Analogous to FIG. 2, it can also be seen in FIG. 4 that it can be useful to specify a working range with regard to the frequency (predetermined frequency band), for example by means of the barriers 25 and 26, so that the frequency generated by the ultrasonic generator clearly points to a predetermined resonance point of the Tool is regulated. In some exemplary embodiments, it can additionally be helpful to restrict the working range (predetermined frequency band) with regard to the frequency to a smaller frequency range 27 after a first frequency sweep, so that a frequency sweep can be accelerated and the accuracy improved.
  • the working range predetermined frequency band
  • a minimum algorithm is to be used according to the invention to regulate the frequency of the ultrasound generated by the ultrasonic generator so that the phase offset is minimal.
  • FIG. 5 shows a phase profile 21 of a phase offset determined according to the invention as a function of the frequency.
  • the phase is plotted along the Y axis and the frequency is plotted along the X axis.
  • the phase curve 21 has a minimum 30 as a function of the frequency, which is below neither the first phase reference value 23 nor the second phase reference value 24.
  • a controller is therefore advantageously used to regulate the frequency of the generated ultrasonic waves, which controller varies the frequency of the generated ultrasonic waves in a processing frequency band 35 with the minimum phase offset 30 as the center frequency.
  • varying the frequency and the minimum phase offset at the edge of the processing frequency band 35 can take place faster or with a greater distance between the frequency points than in the middle of the processing frequency band 35. This has the advantage that abrupt regulation due to signal noise can be prevented when determining the phase shift.
  • the minimum of the phase offset can be determined anew and the frequency band in which the frequency is varied can be adapted accordingly.
  • FIG. 6 schematically shows a system 50 for controlling an ultrasonic generator of a machine tool according to an embodiment of the invention.
  • functional units can be added, separated, merged and / or their division can be changed.
  • the system 50 comprises an ultrasonic generator 51, a phase determination unit 52, an evaluation unit 53 and a control unit 54.
  • the ultrasonic generator 51 is set up to vibrate a tool 55 or part of a tool 55, in particular vibrations with a frequency between 20 and 40 kHz (Ultrasound) for machining a workpiece.
  • the ultrasonic generator 51 is set up to vary the frequency.
  • the ultrasonic generator 51 can be set up to generate ultrasonic waves in succession with different frequencies.
  • the ultrasonic generator 51 can be configured to generate an ultrasonic wave comprising a plurality of superimposed ultrasonic waves with different frequencies.
  • all frequency points of the different frequencies generated by the ultrasonic generator 51 are part of a predetermined frequency band which specifies a possible working range with regard to the frequency. This can have the advantage that it is ensured that the regulation of the frequency also meets the requirements of the workpiece machining with regard to the frequency.
  • the ultrasonic generator 51 can be set up to generate ultrasonic waves at different frequencies by means of a sweep
  • Embodiments can include the frequency spectrum of the various frequencies, in particular a sweep (frequency sweep) of a tool (mass,
  • Temperature, geometry machining properties (feed, infeed, speed), and / or one or more workpiece properties, such as material, geometry, size,
  • the ultrasonic generator 51 can comprise a voltage-controlled oscillator (VCO) for this purpose.
  • the ultrasonic generator 51 can comprise piezomotors for applying ultrasonic waves to the tool 55.
  • the ultrasonic generator can include a digital-to-analog converter (digital-to-analog converter / DAC) for generating an electrical signal with a predetermined frequency, which can be converted into ultrasound with the predetermined frequency, for example by means of a piezo motor.
  • a digital-to-analog converter digital-to-analog converter / DAC
  • the phase determination unit for determining a phase offset of the ultrasound can for example be set up to include a phase offset between electrical current and electrical voltage of an electrical signal with a frequency for generating an ultrasound, in particular by means of a piezo motor.
  • phase determination unit 52 can comprise one or more analog-to-digital converters (ADC) for this purpose.
  • ADC analog-to-digital converters
  • the phase determination unit 52 can advantageously be connected to the ultrasonic generator 51 by means of an analog or digital signal transmission.
  • the phase determination unit 52 can be set up to determine a phase offset for executing an algorithm or a program code.
  • the phase determination unit can comprise, for example, a unit for subtracting two phase values and / or for executing an algorithm for determining the phase offset of two signals.
  • the phase determination unit for determining a phase offset can comprise an analog circuit for determining the phase offset.
  • the phase determination unit can be connected to the tool 55.
  • the evaluation unit 53 can be set up to analyze the determined phase offset and to determine a control algorithm as a function of the analysis of the phase offset.
  • the analysis can include the quantitative comparison of the in
  • Phase offsets determined depending on the frequency with one or more Include phase reference values can include a qualitative analysis of the ascertained phase offsets as a function of the frequency, in particular comparing the ascertained phase offsets with reference phase profiles as a function of the frequency.
  • control algorithms that can be used within the scope of the invention are varying the frequency in a predetermined frequency band by a minimum (frequency sweep), in particular sweeping, the frequency band being redefined after a sweep as a function of a minimum in the phase offset; Minimum algorithms which are set up to minimize a controlled variable by means of a control parameter (manipulated variable), in particular by means of convex optimization; and control algorithms which are set up to control a controlled variable to a predetermined value, for example a zero crossing, by means of a manipulated variable (control parameter).
  • a minimum frequency sweep
  • sweeping the frequency band being redefined after a sweep as a function of a minimum in the phase offset
  • Minimum algorithms which are set up to minimize a controlled variable by means of a control parameter (manipulated variable), in particular by means of convex optimization
  • control algorithms which are set up to control a controlled variable to a predetermined value, for example a zero crossing, by means of a manipulated variable (control parameter).
  • a minimum algorithm may, for example, include the steps of detecting a minimum at a first frequency, increasing the first frequency to a second frequency; Comparing the phase offset of the first frequency with the phase offset of the second frequency; Adopting the second frequency as the first frequency if the phase offset of the second frequency is smaller than the phase offset of the first frequency; Reducing the first frequency to a second frequency if the phase offset of the second frequency is greater than the phase offset of the first frequency, comparing a phase offset of the second frequency with the phase offset of the first frequency; Adopting the second frequency as the first frequency if the phase offset of the second frequency is smaller than the phase offset of the first frequency.
  • the step size can be increased or decreased when increasing or decreasing the frequency.
  • the control unit 54 is set up to control the frequency of the ultrasonic wave generated by the ultrasonic generator 51 as a function of the specific control algorithm and the determined phase offset. To this end, the control unit 54 can be connected to the ultrasonic generator 51 by means of an analog or digital signal transmission. This has the advantage that the
  • Machine tool by means of ultrasound the frequency of the ultrasound can be regulated in a simple and efficient way so that the tool set in vibration is as resonant as possible to the ultrasonic wave.
  • an energy input in the form of ultrasound
  • Control algorithms can be designed to be particularly efficient and stable. Furthermore, errors in the determination of the phase shift as a controlled variable, for example due to noise, can be neglected.
  • the evaluation unit 53 can be set up to analyze the phase offset during workpiece machining and to determine a control algorithm based on the analysis.
  • control unit can change the
  • Control algorithm be set up during workpiece machining.
  • the ultrasonic frequency can be adapted instantaneously, particularly when the system parameters change, for example due to a change in the workpiece properties (e.g. size, mass), the machining properties and / or a change in the tool properties (mass, temperature). This can protect the tool and improve the workpiece quality.
  • the workpiece properties e.g. size, mass
  • the machining properties and / or a change in the tool properties mass, temperature
  • FIG. 7 schematically shows an ultrasonic generator according to an embodiment of the invention.
  • the ultrasonic generator 51 can comprise an ultrasonic generating unit 71, in particular in the form of a piezo motor.
  • the ultrasonic generator 51 can comprise a unit 72 for varying the frequency, in particular in the form of a voltage-controlled oscillator (VCO).
  • the ultrasonic generator 51 can comprise a unit 73 for performing a frequency sweep, in particular a frequency sweep.
  • the unit 73 for performing a frequency sweep can comprise a unit 72 for varying the frequency of the ultrasound and / or an ultrasound generating unit.
  • FIG. 8 schematically shows an evaluation unit 53 according to an embodiment of the invention.
  • the evaluation unit 53 can include a digital-to-analog converter (DAC) 92 for converting a digital signal into an analog signal, in particular for controlling a voltage-controlled oscillator or for controlling piezomotors.
  • the evaluation unit 53 can include an analog-to-digital converter (ADC) 93 for converting an analog signal into a digital signal, in particular an analog signal that includes a phase offset as information.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the evaluation unit 53 can comprise a unit 94 for analyzing a phase offset as a function of the frequency. Furthermore, the evaluation unit can comprise a unit 95 for determining a control algorithm, in particular as a function of an analysis of a phase offset.
  • FIG. 9 schematically shows a control unit 54 according to an embodiment of the invention.
  • the control unit can comprise a unit 96 for performing a control algorithm, in particular for controlling a frequency as a function of a phase offset and / or an impedance.
  • control unit 54 can comprise a unit 97 for changing the control algorithm, in particular during workpiece machining.
  • control unit 54 can be digitally or analogously connected directly to the phase determination unit

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Abstract

The invention relates to a system and a method for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasonic waves for machining a workpiece. According to the invention, a determined phase offset of the ultrasonic waves is analysed on the basis of the frequency, and, on the basis of the analysis, a control algorithm for controlling the frequency of the ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator is determined.

Description

Verfahren und System zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks Method and system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for machining a workpiece
Technisches Feld Technical field
Verfahren und System zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine zum Erzeugen von Ultraschall zur Bearbeitung eines Werkstücks. Method and system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece.
Technischer Hintergrund Technical background
Werkzeugmaschinen ermöglichen eine flexible, zumeist spanabhebende Bearbeitung von Werkstücken. Eine Werkzeugmaschine umfasst dazu eine Vielzahl an unterschiedlichen Werkzeugen, die je nach Bauteildimensionen und zu bearbeitendem Werkstoff Verwendung finden. In der Regel erfolgt die spanabhebende Bearbeitung von metallischen Werkstoffen durch Fräs- oder Drehbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide. Aufgrund ihrer werkstoffspezifischen Eigenschaften können sprödharte Werkstücke, wie z. B. Keramik, jedoch nur unzureichend mittels geometrisch bestimmter Schneide bearbeitet werden. Bei solchen Anwendungen bietet sich häufig als kostengünstige und effiziente Bearbeitung eines Werkstücks eine Bearbeitung mittels Ultraschalls an Machine tools enable flexible, mostly machining, processing of workpieces. For this purpose, a machine tool comprises a large number of different tools that are used depending on the component dimensions and the material to be processed. As a rule, metal materials are machined by milling or turning with a geometrically defined cutting edge. Due to their material-specific properties, brittle workpieces such as B. ceramics, but are inadequately processed by means of a geometrically defined cutting edge. In such applications, processing by means of ultrasound is often a cost-effective and efficient processing of a workpiece
Aus dem Stand der Technik sind zu diesem Zweck Werkzeugmaschinen bekannt, bei denen die Werkzeugkinematik des herkömmlichen, etwa schleifenden oder spanabhebenden, Bearbeitungsprozesses unterstützt wird, indem zusätzliche eine hochfrequente Schwingung überlagert wird. Diese Oszillation erzeugt an einem Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück Bewegungsamplituden im Bereich von wenigen Mikrometern, aus denen eine Verringerung der Prozesskräfte resultiert. For this purpose, machine tools are known from the prior art in which the tool kinematics of the conventional machining process, such as grinding or cutting, is supported by additionally superimposing a high-frequency vibration. This oscillation generates movement amplitudes in the range of a few micrometers at a contact between the tool and the workpiece, which results in a reduction in the process forces.
Derartige Werkzeugmaschinen mit Ultraschallfunktion weisen einen Ultraschallgenerator auf, der eine Ultraschallschwingung erzeugt, die zumeist über ein Piezosystem auf einen beispielsweise in die Frässpindel einwechselbaren Werkzeughalter übertragen wird. Machine tools of this type with an ultrasonic function have an ultrasonic generator which generates an ultrasonic vibration which is usually transmitted via a piezo system to a tool holder that can be exchanged, for example, in the milling spindle.
Die Effizienz der Werkstückbearbeitung durch Ultraschallbearbeitung hängt dabei unter anderem von der Geometrie des verwendeten Werkzeugs und dessen Einspannlänge ab. Beschreibung der Erfindung The efficiency of workpiece machining by ultrasonic machining depends, among other things, on the geometry of the tool used and its clamping length. Description of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. ein System zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine zum Erzeugen von Ultraschall zur Bearbeitung eines Werkstücks bereitzustellen, die eine optimierte Ultraschallbearbeitung durch die Werkzeugmaschine ermöglichen The object of the invention is to provide a method and a system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece, which method enables optimized ultrasonic machining by the machine tool
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich dabei auf besondere Ausführungsformen der Erfindung. This object is achieved with the features of the independent claims 1 and 8. The dependent claims relate to particular embodiments of the invention.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine zum Erzeugen von Ultraschall zur Bearbeitung eines Werkstücks umfasst den Schritt: Erzeugen von elektrischen Signalen mit verschiedenen Frequenzen, wobei die Frequenzen im Frequenzbereich von Ultraschall liegen. Dadurch kann eine optimale Nutzung der Eigenfrequenz eines Schwingsystems zur Bearbeitung eines Werkstücks erreicht werden. In manchen Ausführungsformen können elektrische Signale hintereinander mit verschiedenen Frequenzen erzeugt werden. In manchen Ausführungsformen kann ein erzeugtes elektrisches Signal mehrere überlagerte elektrische Signale mit verschiedenen Frequenzen umfassen. A method according to the invention for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece comprises the step: generating electrical signals with different frequencies, the frequencies being in the frequency range of ultrasound. As a result, an optimal use of the natural frequency of an oscillating system for machining a workpiece can be achieved. In some embodiments, electrical signals can be generated sequentially at different frequencies. In some embodiments, a generated electrical signal may include multiple superimposed electrical signals at different frequencies.
Vorzugsweise sind alle Frequenzpunkte der verschiedenen Frequenzen Teil eines vorbestimmten Frequenzbandes, das einen möglichen Arbeitsbereich hinsichtlich der Frequenz vorgibt. Dies kann den Vorteil haben, dass sichergestellt ist, dass das Regeln der Frequenz auch den Anforderungen der Werkstückbearbeitung hinsichtlich der Frequenz genügt. Preferably, all frequency points of the different frequencies are part of a predetermined frequency band which specifies a possible working range with regard to the frequency. This can have the advantage that it is ensured that the regulation of the frequency also meets the requirements of the workpiece machining with regard to the frequency.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann das Erzeugen von elektrischen Signalen mit verschiedenen Frequenzen einen Sweep (Frequenzdurchlauf) eines vorgegebenen Frequenzspektrums umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das Frequenzspektrum der verschiedenen Frequenzen, insbesondere eines Sweeps (Frequenzdurchlaufs) von einem Werkzeug (Masse, Temperatur), Bearbeitungsparametern (Vorschub, Drehzahl, Zustellung) und/oder einer oder mehreren Werkstückeigenschaften wie Material, Geometrie, Größe, Masse abhängen. Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist das Aufbringen von Ultraschallwellen auf ein Werkzeug mittels der elektrischen Signale. Beim Aufbringen der Ultraschallwellen kann beispielsweise ein erzeugtes elektrisches Signal in ein mechanisches Signal (Ultraschall), insbesondere mittels eines Motors, wie einem piezoelektrischen Motor, umgewandelt werden. In particularly advantageous embodiments, the generation of electrical signals with different frequencies can include a sweep (frequency sweep) of a predetermined frequency spectrum. In some embodiments, the frequency spectrum of the various frequencies, in particular a sweep (frequency run), can depend on a tool (mass, temperature), machining parameters (feed, speed, infeed) and / or one or more workpiece properties such as material, geometry, size, mass. Another step of the method is the application of ultrasonic waves to a tool by means of the electrical signals. When applying the ultrasonic waves, for example, a generated electrical signal can be converted into a mechanical signal (ultrasound), in particular by means of a motor such as a piezoelectric motor.
Das Verfahren umfasst des Weiteren die Schritte: Ermitteln eines Phasenversatzes (Phasenverschiebungswinkel) des Ultraschalls in Abhängigkeit der Frequenz, Analysieren des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz und Bestimmen eines Regelalgorithmus zum Steuern der Frequenz des vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschalls in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes. The method further comprises the steps of: determining a phase offset (phase shift angle) of the ultrasound as a function of the frequency, analyzing the phase offset as a function of the frequency and determining a control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound generated by the ultrasound generator as a function of the analysis of the phase offset.
Das Ermitteln eines Phasenversatzes des Ultraschalls kann beispielsweise ein Ermitteln eines Phasenverschiebungswinkels (Phasenversatzes) zwischen einer elektrischen Spannung des erzeugten elektrischen Signals und eines elektrischen Stroms des erzeugten elektrischen Signals umfassen. The determination of a phase offset of the ultrasound can for example comprise a determination of a phase shift angle (phase offset) between an electrical voltage of the generated electrical signal and an electrical current of the generated electrical signal.
Eine Analyse des Phasenversatzes kann einen quantitativen Vergleich des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz mit Phasenreferenzwerten umfassen. An analysis of the phase offset can include a quantitative comparison of the phase offset as a function of the frequency with phase reference values.
Dies hat den Vorteil, dass für verschieden Werkstückbearbeitungen der Werkzeugmaschine mittels Ultraschalls auf einfache und effiziente Art die Frequenz des Ultraschalls so geregelt werden kann, dass das in Schwingung versetzte Werkzeug möglichst resonant zu der Ultraschallwelle ist. Dadurch kann ein Energieeintrag (in Form von Ultraschall) reduziert werden, um einen Arbeitsbereich eines Werkzeugs mit einer vorgegebenen Amplitude auszulenken. This has the advantage that the frequency of the ultrasound can be regulated in a simple and efficient manner for different workpiece machining operations of the machine tool by means of ultrasound so that the tool set in vibration is as resonant as possible to the ultrasound wave. In this way, an energy input (in the form of ultrasound) can be reduced in order to deflect a working area of a tool with a predetermined amplitude.
Das Verwenden verschiedener Regelalgorithmen basierend auf der Analyse des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz hat den Vorteil, dass Regler (Regelalgorithmen) besonders effizient und stabil ausgelegt werden können. Des Weiteren können Fehler in der Ermittlung des Phasenversatzes als Regelgröße, beispielsweise aufgrund von Rauschen, vernachlässigt werden. The use of different control algorithms based on the analysis of the phase offset as a function of the frequency has the advantage that controllers (control algorithms) can be designed to be particularly efficient and stable. Furthermore, errors in the determination of the phase shift as a controlled variable, for example due to noise, can be neglected.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann, wenn beispielsweise die Analyse des Phasenversatzes ergibt, dass an einem Frequenzpunkt ein erster Phasenreferenzwert unterschritten wird, das Verfahren die Schritte umfassen Vorgeben eines Phasenversatz-Regelziels, Regeln der vom Ultraschallgenerator erzeugten Frequenz zum Erreichen des Phasenversatz-Regelziels, und Bearbeiten eines Werkstücks während die Frequenz der Ultraschallwellen geregelt wird. Mit der Bedingung, dass an einem Frequenzpunkt ein erster Phasenreferenzwert unterschritten wird, kann festgestellt werden, ob das vorgegebene Regelziel (näherungsweise) erreicht werden kann. Basierend darauf kann ein Regelalgorithmus optimiert werden. Dies hat den Vorteil, dass der Regler besonders effizient und robust gestaltet werden kann. In a particularly advantageous embodiment of the method, if, for example, the analysis of the phase offset shows that a frequency point the first phase reference value is undershot, the method comprises the steps of specifying a phase offset control target, controlling the frequency generated by the ultrasonic generator to achieve the phase offset control target, and processing a workpiece while the frequency of the ultrasonic waves is controlled. With the condition that a first phase reference value is undershot at a frequency point, it can be determined whether the specified control target can (approximately) be achieved. A control algorithm can be optimized based on this. This has the advantage that the controller can be designed to be particularly efficient and robust.
Das Phasenversatz-Regelziel kann beispielsweise ein Phasenversatz von 0° sein oder im Bereich nahe 0° liegen, was besagt, dass bei einer entsprechenden Frequenz der mit Ultraschall beaufschlagte Körper in Resonanz ist. Dies hat den Vorteil, dass überlagernde Ultraschallwellen sich verstärken und dadurch der Energieeintrag zum Erreichen einer vorgegebenen Amplitude der Ultraschallwelle verringert werden kann. The phase offset control target can be, for example, a phase offset of 0 ° or in the range close to 0 °, which means that the body to which the ultrasound is applied is in resonance at a corresponding frequency. This has the advantage that superimposed ultrasonic waves are amplified and the energy input to achieve a predetermined amplitude of the ultrasonic wave can be reduced as a result.
Der erste Phasenreferenzwert kann vorteilhafterweise einen Wert insbesondere 3° über dem Phasen-Regelziel haben. Dies kann den Vorteil haben, dass ein Überschwingen während der Regelung/Steuerung, beispielsweise bei einem Phasen-Regelziel, auf einen Phasenwert von 0° zu regeln, nicht zu einer Änderung des Regelalgorithmus führt. The first phase reference value can advantageously have a value in particular 3 ° above the phase control target. This can have the advantage that an overshoot during the regulation / control, for example in the case of a phase regulation target to regulate to a phase value of 0 °, does not lead to a change in the regulation algorithm.
In einer besonders effizienten Ausführungsform kann, wenn das Phasenversatz-Regelziel mittels zweier unterschiedlicher Frequenzen erreicht werden kann, die vom Ultraschallgenerator erzeugte Frequenz zum Erreichen des Phasenversatz-Regelziels auf eine höhere Frequenz der zwei unterschiedlichen Frequenzen geregelt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein erforderlicher Energieeintrag zum Erzeugen einer vorgegebenen Auslenkung verringert werden kann. In a particularly efficient embodiment, if the phase offset control target can be achieved by means of two different frequencies, the frequency generated by the ultrasonic generator can be controlled to a higher frequency of the two different frequencies in order to achieve the phase offset control target. This has the advantage that the energy input required to generate a predetermined deflection can be reduced.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann, wenn beispielsweise dasIn a particularly advantageous embodiment, if, for example, the
Phasenversatz-Regelziel mittels zweier oder mehrerer unterschiedlicher Frequenzen erreicht werden kann, die vom Ultraschallgenerator erzeugte Frequenz zum Erreichen desPhase offset control target can be achieved by means of two or more different frequencies, the frequency generated by the ultrasonic generator to achieve the
Phasenversatz-Regelziels auf eine Frequenz, bei der eine Impedanz (Widerstand) zumPhase offset control target to a frequency at which an impedance (resistance) to the
Erzeugen der Ultraschallwellen niedriger ist im Vergleich zu Impedanzwerten der zweier oder mehrerer unterschiedlicher Frequenzen, geregelt wird. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Ultraschallerzeugung beispielsweise mittels Piezomotoren eine niedrigere Spannung zur Erzeugung einer vorgegebenen Ultraschallanregung erforderlich ist. In einer besonders optimierten Ausführungsform kann, wenn beispielsweise die Analyse des Phasenversatzes ergibt, dass an allen Frequenzpunkten ein erster Phasenreferenzwert überschritten und/oder an mindestens einem Frequenzpunkt ein zweiter Phasenreferenzwert unterschritten wird, das Verfahren die Schritte Regeln der vom Ultraschallgenerator erzeugten Frequenz, sodass der Phasenversatz minimal ist, und Bearbeiten eines Werkstücks, während die Frequenz der Ultraschallwellen geregelt wird, umfassen. Generating the ultrasonic waves is lower compared to impedance values of two or more different frequencies that are regulated. This has the advantage that when ultrasound is generated, for example by means of piezomotors, a lower voltage is required to generate a predetermined ultrasound excitation. In a particularly optimized embodiment, if, for example, the analysis of the phase offset shows that a first phase reference value is exceeded at all frequency points and / or a second phase reference value is undershot at at least one frequency point, the method can include the steps of regulating the frequency generated by the ultrasonic generator so that the phase offset is minimum, and machining a workpiece while controlling the frequency of the ultrasonic waves.
Dies kann den Vorteil haben, dass ein Minimums-Regler, der besonders effizient zum Finden des Minimums ist, verwendet wird, wenn beispielsweise davon auszugehen ist, dass ein Phasen-Regelziel von 0 ° nicht erreicht werden kann. Dadurch kann die Steuerung des Ultraschallgenerators und somit die Werkzeugmaschine zur Verbesserung der Werkstückbearbeitung hinsichtlich einer Energieeinsparung und einer Bearbeitungsgeschwindigkeit eines Werkstücks optimiert werden. This can have the advantage that a minimum controller, which is particularly efficient for finding the minimum, is used if, for example, it is to be assumed that a phase control target of 0 ° cannot be achieved. As a result, the control of the ultrasonic generator and thus the machine tool can be optimized to improve the machining of the workpiece with regard to energy savings and a machining speed of a workpiece.
In besonders vielseitigen Ausführungsformen kann, wenn beispielsweise die Analyse des Phasenversatzes ergibt, dass an allen Frequenzpunkten ein zweiter Phasenreferenzwert überschritten wird, das Verfahren die Schritte Bestimmen einer Frequenz der verschiedenen Frequenzen, wobei der ermittelte Phasenversatz bei dieser Frequenz minimal ist, Bearbeiten eines Werkstücks während die Frequenz der Ultraschallwellen geregelt wird, und Variieren der Frequenz in einem vorgegebenen Bearbeitungs- Frequenzband um die bestimmte Frequenz während der Werkstückbearbeitung umfassen. In particularly versatile embodiments, if, for example, the analysis of the phase offset shows that a second phase reference value is exceeded at all frequency points, the method can include the steps of determining a frequency of the various frequencies, the determined phase offset being minimal at this frequency, machining a workpiece during the Frequency of the ultrasonic waves is regulated, and include varying the frequency in a predetermined machining frequency band around the specific frequency during workpiece machining.
Dies kann den Vorteil haben, dass, insbesondere bei Phasenrauschen und einer geringen Ausprägung eines Minimums im Phasenversatz, das Werkzeug bestmöglich so angeregt wird, dass das Werkzeug resonant zur Anregung ist. Dadurch kann ein Energieeintrag, der erforderlich ist, um das Werkzeug in einem vorgegebenen Maße zum Schwingen zu bringen, verringert werden. This can have the advantage that, particularly in the case of phase noise and a low expression of a minimum in the phase offset, the tool is excited as best as possible in such a way that the tool is resonant to the excitation. In this way, an energy input that is required to make the tool vibrate to a predetermined extent can be reduced.
In bevorzugten Ausführungsformen kann das Bearbeitungs-Frequenzband ein Band von ±600Hz um eine Mittenfrequenz sein. In manchen Ausführungsformen kann das Variieren der Frequenz einen Frequenzdurchlauf, insbesondere einen Frequenz-Sweep umfassen. Dies kann beispielsweise linear mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) erfolgen. In besonders vorteilhaften Ausführungsformen, insbesondere bei einem Variieren der Frequenz mit diskreten Werten, kann die Schrittweite an den Rändern des Frequenzbandes größer sein als in der Mitte des Bearbeitungs-Frequenzbandes. In preferred embodiments, the processing frequency band can be a band of ± 600 Hz around a center frequency. In some embodiments, varying the frequency can include a frequency sweep, in particular a frequency sweep. This can be done, for example, linearly by means of a voltage-controlled oscillator (VCO). In particularly advantageous embodiments, in particular when the frequency is varied with discrete values, the step size can be larger at the edges of the frequency band than in the middle of the processing frequency band.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann das Verfahren die Schritte Ermitteln des Phasenversatzes zwischen erzeugtem Ultraschall und reflektierter Ultraschallwelle in Abhängigkeit der Frequenz, während die Frequenz variiert wird; Analysieren des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz; Bestimmen einer neuen Frequenz, aus dem Bearbeitungs-Frequenzband um die bestimmte Frequenz mit einem minimalen Phasenversatz; und Variieren der Frequenz in dem Bearbeitungs-Frequenzband um die neu bestimmte Frequenz umfassen. In particularly advantageous embodiments, the method can include the steps of determining the phase offset between the generated ultrasound and the reflected ultrasound wave as a function of the frequency, while the frequency is varied; Analyzing the phase offset as a function of the frequency; Determining a new frequency from the processing frequency band around the determined frequency with a minimum phase offset; and varying the frequency in the processing frequency band around the newly determined frequency.
Dies hat den Vorteil, dass, insbesondere wenn ein Minimum im Phasenversatz schwierig erkennbar ist, die Steuerung der Frequenz in einen resonanteren Frequenzbereich des Werkzeugs durch iteratives Anpassen verbessert werden kann. Dadurch kann der Energieaufwand zur Werkstückbearbeitung minimiert werden. This has the advantage that, especially if a minimum in the phase offset is difficult to detect, the control of the frequency in a more resonant frequency range of the tool can be improved by iterative adaptation. As a result, the energy consumption for machining the workpiece can be minimized.
In besonders flexiblen Ausführungsformen kann das Verfahren die Schritte Ermitteln des Phasenversatzes zwischen erzeugtem Ultraschall und reflektierter Ultraschallwelle in Abhängigkeit der Frequenz während der Werkstückbearbeitung, Analysieren des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz während der Werkstückbearbeitung, und Ändern des Regelalgorithmus zum Steuern der Frequenz des vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschalls in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes umfassen. In particularly flexible embodiments, the method can include the steps of determining the phase offset between the generated ultrasound and the reflected ultrasonic wave as a function of the frequency during workpiece machining, analyzing the phase offset as a function of the frequency during workpiece machining, and changing the control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound generated by the ultrasonic generator depending on the analysis of the phase shift include.
Dies hat den Vorteil, dass sich die Steuerung des Ultraschallgenerators, insbesondere hinsichtlich des Regelalgorithmus an Änderungen der Systemparameter, die beispielsweise aufgrund von Wärmequellen, Werkzeugeigenschaften, Werkstückeigenschaften, Bearbeitungseigenschaften etc. auftreten, optimal und je nach Ausführungsform instantan (insbesondere während einer Werkstückbearbeitung) anpasst. Dadurch kann die Werkstückbearbeitung hinsichtlich der Qualität, der Geschwindigkeit und des Energieaufwands verbessert werden. This has the advantage that the control of the ultrasonic generator, in particular with regard to the control algorithm, adapts itself optimally and instantaneously (especially during workpiece processing) to changes in the system parameters that occur, for example, due to heat sources, tool properties, workpiece properties, machining properties, etc. As a result, workpiece processing can be improved in terms of quality, speed and energy consumption.
Ein erfindungsgemäßes System zum Steuern eines Ultraschallgenerators einerA system according to the invention for controlling an ultrasonic generator of a
Werkzeugmaschine zum Erzeugen von Ultraschall zur Bearbeitung eines Werkstücks umfasst einen Ultraschallgenerator zum Erzeugen von Ultraschallwellen zur Bearbeitung eines Werkstücks, eine Phasenversatzermittlungseinheit zum Ermitteln eines Phasenversatzes des Ultraschalls, eine Auswerteeinheit zum Analysieren des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz und zum Bestimmen eines Regelalgorithmus in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes und eine Steuereinheit zum Regeln der Frequenz in Abhängigkeit eines Phasenversatzes zwischen erzeugter und reflektierter Ultraschallwelle und in Abhängigkeit des bestimmten Regelalgorithmus. Machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece comprises an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves for processing a workpiece, a phase offset determination unit for determining a phase offset of the ultrasound, an evaluation unit for analyzing the phase offset as a function of the frequency and for determining a control algorithm as a function of the analysis of the phase offset and a control unit for regulating the frequency in Dependency of a phase offset between the generated and reflected ultrasonic waves and depending on the specific control algorithm.
Ein Ultraschallgenerator kann beispielsweise einen Piezomotor zum Wandeln eines elektrischen Stroms in eine mechanische Bewegung und/oder einen Frequenzgenerator zur Erzeugung eines elektrischen Stroms bzw. einer elektrischen Spannung mit einer vorgegebenen Frequenz umfassen. An ultrasonic generator can for example comprise a piezomotor for converting an electrical current into a mechanical movement and / or a frequency generator for generating an electrical current or an electrical voltage with a predetermined frequency.
In manchen Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator elektrische Signale mit verschiedenen Frequenzen erzeugen. In manchen Ausführungsformen können elektrische Signale hintereinander mit verschiedenen Frequenzen erzeugt werden. In manchen Ausführungsformen kann ein erzeugtes elektrisches Signal mehrere überlagerte elektrische Signale mit verschiedenen Frequenzen umfassen. Ein elektrisches Signal kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Piezomotoren in Ultraschall umgewandelt werden. In some embodiments, the ultrasonic generator can generate electrical signals at different frequencies. In some embodiments, electrical signals can be generated sequentially at different frequencies. In some embodiments, a generated electrical signal may include multiple superimposed electrical signals at different frequencies. An electrical signal can be converted into ultrasound by means of one or more piezomotors, for example.
Ein Beispiel für einen Phasenversatz des Ultraschalls ist ein Phasenversatz zwischen Strom und Spannung eines elektrischen Signals, das in Ultraschall umgewandelt wird. An example of a phase shift in ultrasound is a phase shift between the current and voltage of an electrical signal that is converted into ultrasound.
Die Phasenversatzermittlungseinheit kann eine analoge und/oder eine digitale Schaltung zur Ermittlung eines Phasenversatzes umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Phasenversatzermittlungseinheit dazu einen oder mehrere Analog-Digital-Umwandler (ADC) umfassen. The phase offset determination unit can comprise an analog and / or a digital circuit for determining a phase offset. In some embodiments, the phase offset determination unit can comprise one or more analog-to-digital converters (ADC) for this purpose.
Die Auswerteeinheit kann zur Analyse des Phasenversatzes eine analoge und/oder eine digitale Schaltung umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Auswerteeinheit dazu einen oder mehrere Analog-Digital-Umwandler umfassen. The evaluation unit can comprise an analog and / or a digital circuit for analyzing the phase offset. In some embodiments, the evaluation unit can comprise one or more analog-digital converters for this purpose.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit eine analoge Regelschaltung und/oder eine digitale Regelung umfassen. In manchen Ausführungsformen kann eine Steuerung zeitdiskret oder zeitkontinuierlich erfolgen. In manchen Ausführungsformen kann ein Steuerparameter der Regelung quantisiert oder wertkontinuierlich ausgegeben werden. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, eine Frequenz des Ultraschalls, erzeugt mittels des Ultraschallgenerators, zu regeln/steuern. In some embodiments, the control unit can comprise an analog control circuit and / or a digital control. In some embodiments, a Control take place time-discrete or time-continuous. In some embodiments, a control parameter of the regulation can be quantized or output continuously. The control unit can be set up to regulate / control a frequency of the ultrasound generated by means of the ultrasound generator.
In manchen Ausführungsformen können der Ultraschallgenerator, die Phasenversatzermittlungseinheit, die Auswerteeinheit und/oder die Steuereinheit bzw. Teile der genannten Einheiten in einer Einheit zusammengefasst sein. In some embodiments, the ultrasonic generator, the phase offset determination unit, the evaluation unit and / or the control unit or parts of the units mentioned can be combined in one unit.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann die Auswerteeinheit zum Analysieren des Phasenversatzes und zum Bestimmen eines Regelalgorithmus während der Werkstückbearbeitung eingerichtet sein. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the evaluation unit can be set up to analyze the phase offset and to determine a control algorithm during workpiece machining.
Dadurch kann eine Werkstückbearbeitung hinsichtlich der Qualität überwacht werden. In manchen Ausführungsformen kann die Werkzeugmaschine in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes eine Bearbeitungsgeschwindigkeit steuern. Dadurch kann die Lebensdauer aufgrund geringerer Abnutzung verbessert werden. As a result, workpiece processing can be monitored with regard to quality. In some embodiments, the machine tool can control a machining speed as a function of the analysis of the phase offset. This can improve the service life due to less wear.
In besonders flexiblen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuereinheit zum Ändern des Regelalgorithmus während der Werkstückbearbeitung eingerichtet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Bearbeitung eines Werkstücks während der Bearbeitung an den Systemparametern angepasst wird. Dadurch kann die Werkstückbearbeitung hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Qualität der Werkstückbearbeitung verbessert werden. In particularly flexible embodiments of the invention, the control unit can be set up to change the control algorithm during workpiece machining. This has the advantage that the machining of a workpiece is adapted to the system parameters during machining. As a result, workpiece processing can be improved in terms of energy consumption and the quality of workpiece processing.
In einer besonders optimierten Ausführungsform der Erfindung kann das System zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet sein. Dadurch kann das System hinsichtlich der Werkstückbearbeitung an die Systemparameter optimiert werden, sodass der Energieaufwand, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Werkzeugabnutzung optimiert werden können. In a particularly optimized embodiment of the invention, the system can be set up to carry out a method according to one of Claims 1 to 7. As a result, the system can be optimized to the system parameters with regard to workpiece machining, so that the energy expenditure, the machining speed and the tool wear can be optimized.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern eines Ultraschallgenerators einerA method according to the invention for controlling an ultrasonic generator of a
Werkzeugmaschine zum Erzeugen von Ultraschall zur Bearbeitung eines Werkstücks umfasst die Schritte Erzeugen von elektrischen Signalen mit verschiedenen Frequenzen zur Bearbeitung eines Werkstücks; Aufbringen von Ultraschallwellen auf ein Werkzeug mittels der elektrischen Signale, insbesondere mittels Piezomotoren; Ermitteln eines Phasenversatzes (Phasenverschiebungswinkels) des Ultraschalls in Abhängigkeit der Frequenz; Bestimmen einer Frequenz, bei der der Phasenversatz ein Minimum aufweist; Variieren der Frequenz in einem vorbestimmten Bearbeitungs-Frequenzband um die bestimmte Frequenz; und Bearbeiten des Werkstücks. Machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece comprises the steps of generating electrical signals with different frequencies for machining a workpiece; Applying ultrasonic waves to a tool by means of the electrical signals, in particular by means of piezomotors; Find one Phase shift (phase shift angle) of the ultrasound as a function of the frequency; Determining a frequency at which the phase offset has a minimum; Varying the frequency in a predetermined processing frequency band around the determined frequency; and machining the workpiece.
Dadurch kann, insbesondere bei einer schwer detektierbaren Resonanz eines Werkzeugs oder bei einer Rauschüberlagerung des Signals, das Werkzeug mit Ultraschall so angeregt werden, dass eine Amplitude des Ultraschalls mit einem geringen Energieeintrag erzeugt werden kann. As a result, especially in the case of a resonance of a tool that is difficult to detect or in the case of a noise superimposition of the signal, the tool can be excited with ultrasound in such a way that an amplitude of the ultrasound can be generated with a low energy input.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann das Verfahren die weiteren Schritte Ermitteln des Phasenversatzes des Ultraschalls in Abhängigkeit der Frequenz während der Werkstückbearbeitung; Bestimmen einer neuen Frequenz, bei der der Phasenversatz ein Minimum aufweist, nachdem die Frequenz in dem vorbestimmten Bearbeitungs- Frequenzband um die bestimmte Frequenz variiert wurde; und Variieren der Frequenz in einem vorbestimmten Bearbeitungs-Frequenzband um die neu bestimmte Frequenz umfassen. In particularly advantageous embodiments, the method can include the further steps of determining the phase offset of the ultrasound as a function of the frequency during workpiece machining; Determining a new frequency at which the phase offset has a minimum after the frequency in the predetermined processing frequency band has been varied by the determined frequency; and varying the frequency in a predetermined processing frequency band around the newly determined frequency.
Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren besonders effizient an veränderte Systemparameter, wie Änderungen der Temperatur, der Werkstückmasse, der Form eines Werkstücks, des Werkzeugs, etc. reagiert. This has the advantage that the method reacts particularly efficiently to changed system parameters, such as changes in the temperature, the workpiece mass, the shape of a workpiece, the tool, etc.
Ein erfindungsgemäßes System zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine zum Erzeugen von Ultraschall zur Bearbeitung eines Werkstücks umfasst einen Ultraschallgenerator zum Erzeugen von Ultraschallwellen zur Bearbeitung eines Werkstücks, eine Phasenversatzermittlungseinheit zum Ermitteln eines Phasenversatzes des Ultraschalls, eine Auswerteeinheit zum Analysieren eines Phasenversatzes des Ultraschalls und zum Bestimmen einer Frequenz, bei der der Phasenversatz ein Minimum aufweist, in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes; und eine Steuereinheit zum Variieren der Frequenz in einem vorbestimmten Bearbeitungs- Frequenzband um die bestimmte Frequenz. A system according to the invention for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece comprises an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves for machining a workpiece, a phase offset determination unit for determining a phase offset of the ultrasound, an evaluation unit for analyzing a phase offset of the ultrasound and for determining a Frequency at which the phase offset has a minimum, depending on the analysis of the phase offset; and a control unit for varying the frequency in a predetermined processing frequency band around the determined frequency.
In manchen Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator elektrische Signale mit verschiedenen Frequenzen erzeugen. In manchen Ausführungsformen können elektrischeIn some embodiments, the ultrasonic generator can generate electrical signals at different frequencies. In some embodiments, electrical
Signale hintereinander mit verschiedenen Frequenzen erzeugt werden. In manchen Ausführungsformen kann ein erzeugtes elektrisches Signal mehrere überlagerte elektrische Signale mit verschiedenen Frequenzen umfassen. Ein elektrisches Signal kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Piezomotoren in Ultraschall umgewandelt werden. Signals are generated one after the other with different frequencies. In some Embodiments, a generated electrical signal can include multiple superimposed electrical signals with different frequencies. An electrical signal can be converted into ultrasound by means of one or more piezomotors, for example.
Ein Beispiel für einen Phasenversatz des Ultraschalls ist ein Phasenversatz zwischen Strom und Spannung eines elektrischen Signals, das in Ultraschall umgewandelt wird. An example of a phase shift in ultrasound is a phase shift between the current and voltage of an electrical signal that is converted into ultrasound.
Beschreibung der Zeichnung Description of the drawing
Weitere Einzelheiten und Vorteile und einzelner Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der Figuren 1 bis 6 der Zeichnung deutlich. Further details and advantages and individual exemplary embodiments of the invention will become clear from the following description of FIGS. 1 to 6 of the drawing.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1 shows schematically a method for controlling an ultrasonic generator of a machine tool according to an embodiment of the invention.
Fig. 2 zeigt einen Phasenverlauf eines erfindungsgemäßen ermittelten Phasenversatzes von Ultraschall in Abhängigkeit der Frequenz. 2 shows a phase profile of a phase offset of ultrasound determined according to the invention as a function of the frequency.
Fig. 3 zeigt einen Phasenverlauf eines erfindungsgemäß ermittelten Phasenversatzes von Ultraschall in Abhängigkeit der Frequenz. 3 shows a phase profile of a phase offset of ultrasound determined according to the invention as a function of the frequency.
Fig. 4 zeigt einen Phasenverlauf eines erfindungsgemäß ermittelten Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz. 4 shows a phase profile of a phase offset determined according to the invention as a function of the frequency.
Fig. 5 zeigt einen Phasenverlauf 21 eines erfindungsgemäß ermittelten Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz. FIG. 5 shows a phase profile 21 of a phase offset determined according to the invention as a function of the frequency.
Fig. 6 zeigt schematisch ein System zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 6 schematically shows a system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool according to an embodiment of the invention.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Ultraschallgenerator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 8 zeigt schematisch eine Auswerteeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 7 schematically shows an ultrasonic generator according to an embodiment of the invention. 8 schematically shows an evaluation unit according to an embodiment of the invention.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Steuereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 9 schematically shows a control unit according to an embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In dem Verfahren können Schritte hinzugefügt, geteilt, zusammengeführt und/oder parallel ausgeführt werden ohne von der Erfindung abzuweichen. Außerdem kann die Reihenfolge der Schritte geändert werden, ohne dass dadurch die Erfindung beeinträchtigt wird. 1 shows schematically a method for controlling an ultrasonic generator of a machine tool according to an embodiment of the invention. In the method, steps can be added, divided, merged and / or carried out in parallel without departing from the invention. In addition, the order of the steps can be changed without affecting the invention.
In einem ersten Schritt Sil werden elektrische Signale mit verschiedenen Frequenzen erzeugt. In manchen Ausführungsformen kann dazu ein elektrisches Signal mit einer Vielzahl an Frequenzen (breites Frequenzspektrum) erzeugt werden. In manchen Ausführungsformen können dazu elektrische Signale mit verschiedenen Frequenzen nacheinander erzeugt werden. In a first step Sil, electrical signals with different frequencies are generated. In some embodiments, an electrical signal with a large number of frequencies (broad frequency spectrum) can be generated for this purpose. In some embodiments, electrical signals with different frequencies can be generated one after the other for this purpose.
In einem weiteren Schritt S12 werden Ultraschallwellen auf ein Werkzeug mittels der elektrischen Signale aufgebracht. Dies bedeutet, dass das Werkzeug oder ein Teil des Werkzeugs durch das Aufbringen der Ultraschallwelle in Schwingung versetzt wird. Das Aufbringen der Ultraschallwellen kann beispielsweise durch ein Umwandeln der elektrischen Signale in Ultraschall, insbesondere mittels eines oder mehrerer Piezomotoren, erfolgen. In manchen Ausführungsformen kann der Ultraschall direkt am/auf dem Werkzeug durch einen entsprechenden Motor am/auf dem Werkzeug erzeugt werden. In a further step S12, ultrasonic waves are applied to a tool by means of the electrical signals. This means that the tool or a part of the tool is vibrated by the application of the ultrasonic wave. The ultrasonic waves can be applied, for example, by converting the electrical signals into ultrasound, in particular by means of one or more piezomotors. In some embodiments, the ultrasound can be generated directly on / on the tool by a corresponding motor on / on the tool.
Der Schritt S13 umfasst das Ermitteln eines Phasenversatzes des Ultraschalls in Abhängigkeit der Frequenz. Dies kann beispielsweise mittels eines Algorithmus, insbesondere zum Ermitteln des Phasenversatzes zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung des elektrischen Signals, das in Ultraschall umgewandelt wird, erfolgen. In manchen Ausführungsformen kann der Phasenversatz auch analog ermittelt werden. Step S13 includes determining a phase offset of the ultrasound as a function of the frequency. This can be done, for example, by means of an algorithm, in particular for determining the phase offset between electrical current and electrical voltage of the electrical signal that is converted into ultrasound. In some embodiments, the phase offset can also be determined analogously.
In einem weiteren Schritt S14 wird der Phasenversatz in Abhängigkeit der Frequenz analysiert. Dies kann ein Vergleichen des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz mit einem oder mehreren Phasenreferenzwerten umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das Analysieren des Phasenversatzes eine qualitative Auswertung des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz umfassen. In a further step S14, the phase offset is analyzed as a function of the frequency. This can be a comparison of the phase offset as a function of the frequency with one or more phase reference values. In some embodiments, the analysis of the phase offset can include a qualitative evaluation of the phase offset as a function of the frequency.
In manchen Ausführungsformen kann ein vorbestimmtes Frequenzband nicht vorgegeben sein, sondern kann mittels der Analyse des Phasenversatzes bestimmt werden. In some embodiments, a predetermined frequency band can not be specified, but can be determined by means of the analysis of the phase offset.
In Abhängigkeit der Analyse in Schritt S14 wird in Schritt S15 ein Regelalgorithmus zum Steuern der Frequenz des Ultraschalls bestimmt. Bevorzugte Beispiele für Regelalgorithmen, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden, sind das Variieren der Frequenz in einem vorgegebenen Frequenzband (Frequenzdurchlauf), insbesondere Sweepen, wobei das Frequenzband nach einem Durchlauf in Abhängigkeit eines Minimums im Phasenversatz neu bestimmt wird; Minimumsalgorithmen, die dazu eingerichtet sind, eine Regelgröße mittels eines Regel Parameters (Stellgröße) zu minimieren, insbesondere mittels konvexer Optimierung sowie Regelalgorithmen, die dazu eingerichtet sind, eine Regelgröße mittels einer Stellgröße (Regelparameter) auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise einem Nulldurchgang, zu regeln. Depending on the analysis in step S14, a control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound is determined in step S15. Preferred examples of control algorithms that are used within the scope of the invention are varying the frequency in a predetermined frequency band (frequency sweep), in particular sweeping, the frequency band being redefined after a sweep as a function of a minimum in the phase offset; Minimum algorithms that are designed to minimize a controlled variable by means of a control parameter (manipulated variable), in particular by means of convex optimization, and control algorithms that are designed to regulate a controlled variable to a predetermined value, for example a zero crossing, by means of a manipulated variable (control parameter) .
Ein Minimumsalgorithmus kann beispielsweise die Schritte Detektieren eines Minimums bei einer ersten Frequenz, Erhöhen der ersten Frequenz auf eine zweite Frequenz; Vergleichen des Phasenversatzes der ersten Frequenz mit dem Phasenversatz der zweiten Frequenz; Übernehmen der zweiten Frequenz als erste Frequenz, wenn der Phasenversatz der zweiten Frequenz kleiner ist als der Phasenversatz der ersten Frequenz; Verkleinern der ersten Frequenz zu einer zweiten Frequenz, wenn der Phasenversatz der zweiten Frequenz größer ist als der Phasenversatz der ersten Frequenz, Vergleichen eines Phasenversatzes der zweiten Frequenz mit dem Phasenversatz der ersten Frequenz; Übernehmen der zweiten Frequenz als erste Frequenz, wenn der Phasenversatz der zweiten Frequenz kleiner ist als der Phasenversatz der ersten Frequenz. A minimum algorithm may, for example, include the steps of detecting a minimum at a first frequency, increasing the first frequency to a second frequency; Comparing the phase offset of the first frequency with the phase offset of the second frequency; Adopting the second frequency as the first frequency if the phase offset of the second frequency is smaller than the phase offset of the first frequency; Reducing the first frequency to a second frequency if the phase offset of the second frequency is greater than the phase offset of the first frequency, comparing a phase offset of the second frequency with the phase offset of the first frequency; Adopting the second frequency as the first frequency if the phase offset of the second frequency is smaller than the phase offset of the first frequency.
In Abhängigkeit der Anzahl der Wechsel zwischen Erhöhen und Erniedrigen der ersten Frequenz kann die Schrittweite beim Erhöhen bzw. Erniedrigen der Frequenz vergrößert bzw. verkleinert werden. Depending on the number of changes between increasing and decreasing the first frequency, the step size can be increased or decreased when increasing or decreasing the frequency.
In einem weiteren Schritt S16 wird das Werkstück bearbeitet. Während derIn a further step S16, the workpiece is machined. During the
Werkstückbearbeitung S16 kann je nach Ausführungsform zu Schritt S14 zurückgekehrt werden. Dadurch kann die Frequenz des Ultraschalls an Systemveränderungen (Änderungen, die die Resonanzfrequenz des Werkzeugs beeinflussen) angepasst werden. Depending on the embodiment, workpiece machining S16 can return to step S14 become. This allows the frequency of the ultrasound to be adapted to changes in the system (changes that affect the resonance frequency of the tool).
In manchen Ausführungsformen kann dem Schritt Sil ein Schritt S10, in dem ein Frequenzband festgelegt wird, vorausgestellt sein. Vorteilhafterweise sind die im Schritt Sil erzeugten verschiedenen Frequenzen in dem in Schritt S10 festgelegten Frequenzband enthalten. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Frequenz des Ultraschalls auf eine vorgegebene Resonanz und nicht auf Resonanzen höherer Ordnung oder niedrigerer Ordnung geregelt wird. In some embodiments, step S11 can be preceded by a step S10 in which a frequency band is defined. The different frequencies generated in step S 1 are advantageously contained in the frequency band established in step S10. This ensures that the frequency of the ultrasound is regulated to a predetermined resonance and not to higher-order or lower-order resonances.
Fig. 2 zeigt einen Phasenverlauf eines erfindungsgemäßen ermittelten Phasenversatzes eines Ultraschalls in Abhängigkeit der Frequenz. Entlang der X-Achse ist die Frequenz in Kilohertz aufgetragen. Auf der Y-Achse ist der Phasenversatz Phi in Grad aufgetragen. Der in Fig. 2 gezeigte Phasenverlauf 21, in Abhängigkeit der Frequenz, unterschreitet in seinem Minimum 30 den ersten Phasenreferenzwert 23. Der erste Phasenreferenzwert kann beispielsweise den Wert 3° haben. Aufgrund dessen, dass das Minimum des Phasenverlaufs den ersten Phasenreferenzwert 23 unterschreitet, ist die Frequenz der Ultraschallwellen auf ein Phasenversatzregelziel 31 zu regeln. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel ist das Regelziel 0°. FIG. 2 shows a phase profile of a phase offset of an ultrasound determined according to the invention as a function of the frequency. The frequency in kilohertz is plotted along the X axis. The phase offset Phi is plotted in degrees on the Y axis. The phase profile 21 shown in FIG. 2, as a function of the frequency, falls below the first phase reference value 23 in its minimum 30. The first phase reference value can, for example, have the value 3 °. Due to the fact that the minimum of the phase profile falls below the first phase reference value 23, the frequency of the ultrasonic waves is to be regulated to a phase offset regulation target 31. In the example shown in FIG. 2, the control target is 0 °.
Befindet sich das Minimum 30 des Phasenverlaufs 21 in einem Bereich zwischen dem ersten Phasenreferenzwert 23 und dem zweiten Phasenreferenzwert 24 ist die Frequenz des Ultraschalls auf eine Frequenz mit dem minimalen Phasenversatz 30 zu regeln. If the minimum 30 of the phase profile 21 is in a range between the first phase reference value 23 and the second phase reference value 24, the frequency of the ultrasound is to be regulated to a frequency with the minimum phase offset 30.
Unterschreitet das Minimum 30 des Phasenverlaufs 21 den Phasenreferenzwert 24 nicht, bzw. überschreitet das Minimum 30 des Phasenverlaufs 21 den Phasenreferenzwert 24, so ist es erfindungsgemäß von Vorteil einen Sweep-Algorithmus (Durchlaufen eines vorgegebenen Frequenzbandes) zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei einem von Rauschen überlagerten Phasenverlauf dennoch optimale Ergebnisse erzielt werden können. In dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm beträgt der zweite Phasenreferenzwert 24 in etwa 58° und der erste Phasenreferenzwert 23 in etwa 5°. Das Regelziel 31 ist dabei auf 0° gesetzt. Die Werte des ersten und des zweiten Phasenreferenzwerts sowie des Regelziels können jedoch variiert werden. Sinnvollerweise sollte jedoch das qualitative Verhältnis dieser Größen beibehalten werden. In manchen Ausführungsformen kann der erste Phasenreferenzwert 23 mit dem zweiten Phasenreferenzwert 24 übereinstimmen, kann es nur einen ersten oder zweiten Phasenreferenzwert, bzw. kann es weitere Phasenreferenzwerte geben, sodass nur aus zwei oder aus einer Vielzahl von Regelalgorithmen zur Steuerung des Ultraschallgenerators hinsichtlich der Frequenz in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes ein Regelalgorithmus zur Steuerung der Frequenz des vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschalls bestimmt wird. If the minimum 30 of the phase curve 21 does not fall below the phase reference value 24, or if the minimum 30 of the phase curve 21 exceeds the phase reference value 24, it is advantageous according to the invention to use a sweep algorithm (running through a predetermined frequency band). This has the advantage that, particularly in the case of a phase curve overlaid by noise, optimal results can nonetheless be achieved. In the diagram shown in FIG. 2, the second phase reference value 24 is approximately 58 ° and the first phase reference value 23 is approximately 5 °. The control target 31 is set to 0 °. However, the values of the first and second phase reference values and the control target can be varied. It makes sense, however, to maintain the qualitative relationship between these variables. In some embodiments, the first phase reference value 23 can match the second phase reference value 24, there can only be a first or second phase reference value, or there can be further phase reference values, so that only two or a large number of control algorithms for controlling the ultrasonic generator with regard to the frequency in Depending on the analysis of the phase offset, a control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound generated by the ultrasound generator is determined.
Fig. 3 zeigt beispielhaft einen Phasenverlauf erfindungsgemäß ermittelten Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz. In Fig. 3 ist analog zu Fig. 2 ein Phasenverlauf 21, der ein Minimum 30 aufweist, gezeigt. In Fig. 3 ist die Skalierung der Phase auf der rechten Seite aufgetragen und eine Impedanzskalierung entlang der Y-Achse auf der linken Seite. Auf der X-Achse ist die Frequenz in Herz aufgetragen. 3 shows, by way of example, a phase profile determined according to the invention as a function of the frequency. In FIG. 3, analogously to FIG. 2, a phase profile 21 which has a minimum 30 is shown. In FIG. 3, the scaling of the phase is plotted on the right-hand side and an impedance scaling along the Y-axis is plotted on the left-hand side. The frequency in heart is plotted on the X-axis.
Zusätzlich zu dem in Fig. 2 gezeigten Phasenverlauf 21 ist in Fig. 3 ein Impedanzverlauf 22 zu sehen. Dabei lässt sich feststellen, dass bei einem ersten Nulldurchgang 28 des Phasenverlaufs der Impedanzverlauf 22 in Abhängigkeit der Frequenz ein Maximum aufweist und bei einem zweiten Nulldurchgang 29 des Phasenverlaufs die Impedanz 22 ein Minimum näherungsweise aufweist. Aufgrund dessen ist es vorteilhaft, bei einem Ultraschallgenerator, der in Abhängigkeit eines Stroms gesteuert wird, die Frequenz auf eine Frequenz mit einem niedrigen Impedanzwert zu regeln. In addition to the phase curve 21 shown in FIG. 2, an impedance curve 22 can be seen in FIG. 3. It can be established here that at a first zero crossing 28 of the phase curve the impedance curve 22 has a maximum as a function of the frequency and at a second zero crossing 29 of the phase curve the impedance 22 has an approximately minimum. Because of this, it is advantageous, in the case of an ultrasonic generator that is controlled as a function of a current, to regulate the frequency to a frequency with a low impedance value.
In Fig. 3 ist außerdem sichtbar, dass der Phasenverlauf mehrere Minima 30, 30a aufweisen kann. Deshalb kann es sinnvoll sein, den Arbeitsbereich hinsichtlich des Frequenzspektrums, beispielsweise mittels einer unteren Schranke 25 und einer oberen Schranke 26, auf ein vorbestimmtes Frequenzband zu beschränken. Somit kann sichergestellt werden, dass die vom Ultraschallgenerator erzeugte Frequenz auf eine vorgegebene Resonanz des Werkzeugs geregelt wird. In FIG. 3 it can also be seen that the phase profile can have several minima 30, 30a. It can therefore make sense to limit the working range with regard to the frequency spectrum, for example by means of a lower limit 25 and an upper limit 26, to a predetermined frequency band. This ensures that the frequency generated by the ultrasonic generator is regulated to a predetermined resonance of the tool.
Fig. 4 zeigt einen Phasenverlauf eines erfindungsgemäß ermittelten Phasenversatzes in4 shows a phase profile of a phase offset determined according to the invention in
Abhängigkeit der Frequenz. Analog zu Fig. 3 ist in Fig. 4 ebenfalls auf der rechten Seite derFrequency dependence. Analogous to FIG. 3, FIG. 4 also shows the on the right-hand side
Figur entlang der Y-Achse die Phase aufgetragen und auf der linken Seite entlang der Y-Figure plotted along the Y-axis and the phase on the left side along the Y-
Achse die Impedanz. Entlang der X-Achse ist die Frequenz in Hertz aufgetragen. Der inAxis is the impedance. The frequency in Hertz is plotted along the X axis. The in
Fig. 4 gezeigte Phasenverlauf umfasst ein Minimum 30, das zwar einen zweiten4 includes a minimum 30, which is a second
Phasenreferenzwert 24 unterschreitet, jedoch über einem ersten Phasenreferenzwert 23 liegt. Der erste Phasenreferenzwert beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 3° und der zweite Phasenreferenzwert beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 67° . Diese Werte sind jedoch nicht bindend, sondern nur beispielhaft. Phase reference value falls below 24, but above a first phase reference value 23 lies. The first phase reference value in this exemplary embodiment is 3 ° and the second phase reference value in this exemplary embodiment is 67 °. However, these values are not binding, they are only exemplary.
Analog zu Fig. 2 lässt sich in Fig. 4 ebenfalls erkennen, dass es sinnvoll sein kann, einen Arbeitsbereich hinsichtlich der Frequenz (vorbestimmtes Frequenzband) beispielsweise mittels der Schranken 25 und 26 vorzugeben, sodass die vom Ultraschallgenerator erzeugte Frequenz eindeutig auf eine vorgegebene Resonanzstelle des Werkzeugs geregelt wird. In manchen Ausführungsbeispielen kann es zusätzlich hilfreich sein, den Arbeitsbereich (vorbestimmtes Frequenzband) hinsichtlich der Frequenz nach einem ersten Frequenzdurchlauf auf einen kleineren Frequenzbereich 27 einzuschränken, sodass ein Frequenzdurchlauf beschleunigt und hinsichtlich der Genauigkeit verbessert werden kann. Analogous to FIG. 2, it can also be seen in FIG. 4 that it can be useful to specify a working range with regard to the frequency (predetermined frequency band), for example by means of the barriers 25 and 26, so that the frequency generated by the ultrasonic generator clearly points to a predetermined resonance point of the Tool is regulated. In some exemplary embodiments, it can additionally be helpful to restrict the working range (predetermined frequency band) with regard to the frequency to a smaller frequency range 27 after a first frequency sweep, so that a frequency sweep can be accelerated and the accuracy improved.
Aufgrund dessen, dass das Minimum 30 den zweiten Phasenreferenzwert 24 unterschreitet und den ersten Phasenreferenzwert 23 überschreitet, ist erfindungsgemäß ein Minimumsalgorithmus zum Regeln der Frequenz des vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschalls, sodass der Phasenversatz minimal wird, zu verwenden. Due to the fact that the minimum 30 falls below the second phase reference value 24 and exceeds the first phase reference value 23, a minimum algorithm is to be used according to the invention to regulate the frequency of the ultrasound generated by the ultrasonic generator so that the phase offset is minimal.
Fig. 5 zeigt einen Phasenverlauf 21 eines erfindungsgemäß ermittelten Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz. In Fig. 5 ist entlang der Y-Achse die Phase aufgetragen und entlang der X-Achse die Frequenz aufgetragen. In Fig. 5 ist ersichtlich, dass der Phasenverlauf 21 in Abhängigkeit der Frequenz ein Minimum 30 aufweist, das weder den ersten Phasenreferenzwert 23 noch den zweiten Phasenreferenzwert 24 unterschreitet. Vorteilhafterweise wird deshalb ein Regler zum Regeln der Frequenz der erzeugten Ultraschallwellen verwendet, der die Frequenz der erzeugten Ultraschallwellen in einem Bearbeitungs-Frequenzband 35 mit dem minimalen Phasenversatz 30 als Mittenfrequenz variiert. Vorteilhafterweise kann das Variieren der Frequenz und das Minimum des Phasenversatzes am Rand des Bearbeitungs-Frequenzbandes 35 schneller bzw. mit einem größeren Abstand der Frequenzpunkte erfolgen als in der Mitte des Bearbeitungs- Frequenzbandes 35. Dies hat den Vorteil, dass ein sprunghaftes Regeln aufgrund von Signalrauschen bei der Ermittlung des Phasenversatzes verhindert werden kann. Vorteilhafterweise kann nach jedem Durchlauf des Frequenzbandes das Minimum des Phasenversatzes neu bestimmt und das Frequenzband, in dem die Frequenz variiert wird, entsprechend angepasst werden. FIG. 5 shows a phase profile 21 of a phase offset determined according to the invention as a function of the frequency. In FIG. 5, the phase is plotted along the Y axis and the frequency is plotted along the X axis. In FIG. 5 it can be seen that the phase curve 21 has a minimum 30 as a function of the frequency, which is below neither the first phase reference value 23 nor the second phase reference value 24. A controller is therefore advantageously used to regulate the frequency of the generated ultrasonic waves, which controller varies the frequency of the generated ultrasonic waves in a processing frequency band 35 with the minimum phase offset 30 as the center frequency. Advantageously, varying the frequency and the minimum phase offset at the edge of the processing frequency band 35 can take place faster or with a greater distance between the frequency points than in the middle of the processing frequency band 35. This has the advantage that abrupt regulation due to signal noise can be prevented when determining the phase shift. Advantageously, after each pass through the frequency band, the minimum of the phase offset can be determined anew and the frequency band in which the frequency is varied can be adapted accordingly.
Fig. 6 zeigt schematisch ein System 50 zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Innerhalb des erfindungsgemäßen Systems können Funktionseinheiten hinzugefügt, getrennt, zusammengeführt und/oder hinsichtlich ihrer Aufteilung geändert werden. 6 schematically shows a system 50 for controlling an ultrasonic generator of a machine tool according to an embodiment of the invention. Within the system according to the invention, functional units can be added, separated, merged and / or their division can be changed.
Das System 50 umfasst einen Ultraschallgenerator 51, eine Phasenermittlungseinheit 52, eine Auswerteeinheit 53 und eine Steuereinheit 54. Der Ultraschallgenerator 51 ist dazu eingerichtet, ein Werkzeug 55 oder einen Teil eines Werkzeugs 55 in Schwingung, insbesondere in Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 und 40 kHz (Ultraschall) zur Bearbeitung eines Werkstücks, zu versetzen. Der Ultraschallgenerator 51 ist dabei dazu eingerichtet, die Frequenz zu variieren. In manchen Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator 51 dazu eingerichtet sein, Ultraschallwellen hintereinander mit verschiedenen Frequenzen zu erzeugen. In manchen Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator 51 dazu eingerichtet sein, eine Ultraschallwelle, umfassend mehrere überlagerte Ultraschallwellen mit verschiedenen Frequenzen, zu erzeugen. The system 50 comprises an ultrasonic generator 51, a phase determination unit 52, an evaluation unit 53 and a control unit 54. The ultrasonic generator 51 is set up to vibrate a tool 55 or part of a tool 55, in particular vibrations with a frequency between 20 and 40 kHz (Ultrasound) for machining a workpiece. The ultrasonic generator 51 is set up to vary the frequency. In some embodiments, the ultrasonic generator 51 can be set up to generate ultrasonic waves in succession with different frequencies. In some embodiments, the ultrasonic generator 51 can be configured to generate an ultrasonic wave comprising a plurality of superimposed ultrasonic waves with different frequencies.
Vorzugsweise sind alle Frequenzpunkte der vom Ultraschallgenerator 51 erzeugten verschiedenen Frequenzen Teil eines vorbestimmten Frequenzbandes, das einen möglichen Arbeitsbereich hinsichtlich der Frequenz vorgibt. Dies kann den Vorteil haben, dass sichergestellt ist, dass das Regeln der Frequenz auch den Anforderungen der Werkstückbearbeitung hinsichtlich der Frequenz genügt. Preferably, all frequency points of the different frequencies generated by the ultrasonic generator 51 are part of a predetermined frequency band which specifies a possible working range with regard to the frequency. This can have the advantage that it is ensured that the regulation of the frequency also meets the requirements of the workpiece machining with regard to the frequency.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator 51 dazu eingerichtet sein, Ultraschallwellen mit verschiedenen Frequenzen mittels eines SweepsIn particularly advantageous embodiments, the ultrasonic generator 51 can be set up to generate ultrasonic waves at different frequencies by means of a sweep
(Frequenzdurchlaufs) eines vorgegebenen Frequenzspektrums zu erzeugen. In manchen(Frequency sweep) to generate a given frequency spectrum. In some
Ausführungsformen kann das Frequenzspektrum der verschiedenen Frequenzen, insbesondere eines Sweeps (Frequenzdurchlaufs) von einem Werkzeug (Masse,Embodiments can include the frequency spectrum of the various frequencies, in particular a sweep (frequency sweep) of a tool (mass,
Temperatur, Geometrie), Bearbeitungseigenschaften (Vorschub, Zustellung, Drehzahl), und/oder einer oder mehreren Werkstückeigenschaften, wie Material, Geometrie, Größe,Temperature, geometry), machining properties (feed, infeed, speed), and / or one or more workpiece properties, such as material, geometry, size,
Masse abhängen. In manchen Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator 51 dazu einen Spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) umfassen. In vorteilhaften Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator 51 Piezomotoren zum Aufbringen von Ultraschallwellen auf das Werkzeug 55 umfassen. Depend on mass. In some embodiments, the ultrasonic generator 51 can comprise a voltage-controlled oscillator (VCO) for this purpose. In advantageous embodiments, the ultrasonic generator 51 can comprise piezomotors for applying ultrasonic waves to the tool 55.
In manchen Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator zur Erzeugung eines elektrischen Signals mit einer vorgegebenen Frequenz, das beispielsweise mittels eines Piezomotors in einen Ultraschall mit der vorgegebenen Frequenz umgewandelt werden kann, einen Digital-Analog-Wandler (Digital-Analog-Converter/DAC) umfassen. In some embodiments, the ultrasonic generator can include a digital-to-analog converter (digital-to-analog converter / DAC) for generating an electrical signal with a predetermined frequency, which can be converted into ultrasound with the predetermined frequency, for example by means of a piezo motor.
Die Phasenermittlungseinheit zum Ermitteln eines Phasenversatzes des Ultraschalls kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, einen Phasenversatz zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung eines elektrischen Signals mit einer Frequenz zum Erzeugen eines Ultraschalls, insbesondere mittels eines Piezomotors umfassen. The phase determination unit for determining a phase offset of the ultrasound can for example be set up to include a phase offset between electrical current and electrical voltage of an electrical signal with a frequency for generating an ultrasound, in particular by means of a piezo motor.
Dies kann beispielsweise mittels einer analogen oder einer digitalen Schaltung erfolgen. In manchen Ausführungsformen kann die Phasenermittlungseinheit 52 dazu einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler (ADC) umfassen. Die Phasenermittlungseinheit 52 kann dabei vorteilhafterweise mit dem Ultraschallgenerator 51 mittels einer analogen oder digitalen Signalübertragung verbunden sein. In manchen Ausführungsformen kann die Phasenermittlungseinheit 52 zum Ermitteln eines Phasenversatzes zur Ausführung eines Algorithmus bzw. eines Programmcodes eingerichtet sein. This can be done, for example, by means of an analog or a digital circuit. In some embodiments, the phase determination unit 52 can comprise one or more analog-to-digital converters (ADC) for this purpose. The phase determination unit 52 can advantageously be connected to the ultrasonic generator 51 by means of an analog or digital signal transmission. In some embodiments, the phase determination unit 52 can be set up to determine a phase offset for executing an algorithm or a program code.
Die Phasenermittlungseinheit kann beispielsweise eine Einheit zum Subtrahieren zweier Phasenwerte und/oder zum Ausführen eines Algorithmus zum Ermitteln des Phasenversatzes zweier Signale umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Phasenermittlungseinheit zum Ermitteln eines Phasenversatzes eine analoge Schaltung zum Ermitteln des Phasenversatzes umfassen. The phase determination unit can comprise, for example, a unit for subtracting two phase values and / or for executing an algorithm for determining the phase offset of two signals. In some embodiments, the phase determination unit for determining a phase offset can comprise an analog circuit for determining the phase offset.
In manchen Ausführungsformen kann die Phasenermittlungseinheit mit dem Werkzeug 55 verbunden sein. In some embodiments, the phase determination unit can be connected to the tool 55.
Die Auswerteeinheit 53 kann dazu eingerichtet sein, den ermittelten Phasenversatz zu analysieren und einen Regelalgorithmus in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes zu bestimmen. Das Analysieren kann dabei das quantitative Vergleichen der inThe evaluation unit 53 can be set up to analyze the determined phase offset and to determine a control algorithm as a function of the analysis of the phase offset. The analysis can include the quantitative comparison of the in
Abhängigkeit der Frequenz ermittelten Phasenversatze mit einem oder mehreren Phasenreferenzwerten umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das Analysieren eine qualitative Analyse der ermittelten Phasenversatze in Abhängigkeit der Frequenz, insbesondere das Vergleichen der ermittelten Phasenversatze mit Referenzphasenverläufen in Abhängigkeit der Frequenz umfassen. Phase offsets determined depending on the frequency with one or more Include phase reference values. In some embodiments, the analysis can include a qualitative analysis of the ascertained phase offsets as a function of the frequency, in particular comparing the ascertained phase offsets with reference phase profiles as a function of the frequency.
Bevorzugte Beispiele für Regelalgorithmen, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können, sind das Variieren der Frequenz in einem vorgegebenen Frequenzband um ein Minimum (Frequenzdurchlauf), insbesondere Sweepen, wobei das Frequenzband nach einem Durchlauf in Abhängigkeit eines Minimums im Phasenversatz neu bestimmt wird; Minimumsalgorithmen, die dazu eingerichtet sind eine Regelgröße mittels eines Regelparameters (Stellgröße) zu minimieren, insbesondere mittels konvexer Optimierung; sowie Regelalgorithmen, die dazu eingerichtet sind, eine Regelgröße mittels einer Stellgröße (Regelparameter) auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise einen Nulldurchgang, zu regeln. Preferred examples of control algorithms that can be used within the scope of the invention are varying the frequency in a predetermined frequency band by a minimum (frequency sweep), in particular sweeping, the frequency band being redefined after a sweep as a function of a minimum in the phase offset; Minimum algorithms which are set up to minimize a controlled variable by means of a control parameter (manipulated variable), in particular by means of convex optimization; and control algorithms which are set up to control a controlled variable to a predetermined value, for example a zero crossing, by means of a manipulated variable (control parameter).
Ein Minimumsalgorithmus kann beispielsweise die Schritte Detektieren eines Minimums bei einer ersten Frequenz, Erhöhen der ersten Frequenz auf eine zweite Frequenz; Vergleichen des Phasenversatzes der ersten Frequenz mit dem Phasenversatz der zweiten Frequenz; Übernehmen der zweiten Frequenz als erste Frequenz, wenn der Phasenversatz der zweiten Frequenz kleiner ist als der Phasenversatz der ersten Frequenz; Verkleinern der ersten Frequenz zu einer zweiten Frequenz, wenn der Phasenversatz der zweiten Frequenz größer ist als der Phasenversatz der ersten Frequenz, Vergleichen eines Phasenversatzes der zweiten Frequenz mit dem Phasenversatz der ersten Frequenz; Übernehmen der zweiten Frequenz als erste Frequenz, wenn der Phasenversatz der zweiten Frequenz kleiner ist als der Phasenversatz der ersten Frequenz. A minimum algorithm may, for example, include the steps of detecting a minimum at a first frequency, increasing the first frequency to a second frequency; Comparing the phase offset of the first frequency with the phase offset of the second frequency; Adopting the second frequency as the first frequency if the phase offset of the second frequency is smaller than the phase offset of the first frequency; Reducing the first frequency to a second frequency if the phase offset of the second frequency is greater than the phase offset of the first frequency, comparing a phase offset of the second frequency with the phase offset of the first frequency; Adopting the second frequency as the first frequency if the phase offset of the second frequency is smaller than the phase offset of the first frequency.
In Abhängigkeit der Anzahl der Wechsel zwischen Erhöhen und Erniedrigen der ersten Frequenz kann die Schrittweite beim Erhöhen bzw. Erniedrigen der Frequenz vergrößert bzw. verkleinert werden. Depending on the number of changes between increasing and decreasing the first frequency, the step size can be increased or decreased when increasing or decreasing the frequency.
Die Steuereinheit 54 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des bestimmten Regelalgorithmus und des ermittelten Phasenversatzes die vom Ultraschallgenerator 51 erzeugte Ultraschallwelle hinsichtlich der Frequenz zu steuern. Die Steuereinheit 54 kann dazu mittels einer analogen oder digitalen Signalübertragung mit dem Ultraschallgenerator 51 verbunden sein. Dies hat den Vorteil, dass für verschiedene Werkstückbearbeitungen derThe control unit 54 is set up to control the frequency of the ultrasonic wave generated by the ultrasonic generator 51 as a function of the specific control algorithm and the determined phase offset. To this end, the control unit 54 can be connected to the ultrasonic generator 51 by means of an analog or digital signal transmission. This has the advantage that the
Werkzeugmaschine mittels Ultraschalls auf einfache und effiziente Art die Frequenz des Ultraschalls so geregelt werden kann, dass das in Schwingung versetzte Werkzeug möglichst resonant zu der Ultraschallwelle ist. Dadurch kann ein Energieeintrag (in Form von Ultraschall) reduziert werden, um einen Arbeitsbereich eines Werkzeugs mit einer vorgegebenen Amplitude auszulenken. Machine tool by means of ultrasound the frequency of the ultrasound can be regulated in a simple and efficient way so that the tool set in vibration is as resonant as possible to the ultrasonic wave. In this way, an energy input (in the form of ultrasound) can be reduced in order to deflect a working area of a tool with a predetermined amplitude.
Das Verwenden verschiedener Regelalgorithmen basierend auf der Analyse desUsing different control algorithms based on the analysis of the
Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz hat den Vorteil, dass ReglerPhase shift as a function of the frequency has the advantage that regulator
(Regelalgorithmen) besonders effizient und stabil ausgelegt werden können. Desweiteren können dadurch Fehler in der Ermittlung des Phasenversatzes als Regelgröße, beispielsweise aufgrund von Rauschen, vernachlässigt werden. (Control algorithms) can be designed to be particularly efficient and stable. Furthermore, errors in the determination of the phase shift as a controlled variable, for example due to noise, can be neglected.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Auswerteeinheit 53 dazu eingerichtet sein, während der Werkstückbearbeitung den Phasenversatz zu analysieren und einen Regelalgorithmus basierend auf der Analyse zu bestimmen. In preferred exemplary embodiments, the evaluation unit 53 can be set up to analyze the phase offset during workpiece machining and to determine a control algorithm based on the analysis.
In bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuereinheit zum Ändern desIn preferred embodiments, the control unit can change the
Regelalgorithmus während der Werkstückbearbeitung eingerichtet sein. Control algorithm be set up during workpiece machining.
Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei einer Änderung der System Parameter, beispielsweise aufgrund einer Änderung der Werkstückeigenschaften (beispielsweise Größe, Masse), der Bearbeitungseigenschaften und/oder einer Änderung der Werkzeugeigenschaften (Masse, Temperatur) die Ultraschallfrequenz instantan angepasst werden kann. Dadurch kann das Werkzeug geschützt und die Werkstückqualität verbessert werden. This has the advantage that the ultrasonic frequency can be adapted instantaneously, particularly when the system parameters change, for example due to a change in the workpiece properties (e.g. size, mass), the machining properties and / or a change in the tool properties (mass, temperature). This can protect the tool and improve the workpiece quality.
Figur 7 zeigt schematisch einen Ultraschallgenerator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Ultraschallgenerator 51 kann eine Ultraschallerzeugungseinheit 71, insbesondere in Form eines Piezomotors, umfassen. Desweiteren kann der Ultraschallgenerator 51 eine Einheit 72 zum Variieren der Frequenz, insbesondere in Form eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO), umfassen. In manchen Ausführungsformen kann der Ultraschallgenerator 51 eine Einheit 73 zum Durchführen eines Frequenzdurchlaufs, insbesondere eines Frequenzsweeps umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Einheit 73 zum Durchführen eines Frequenzdurchlaufs eine Einheit 72 zum Variieren der Frequenz des Ultraschalls und/oder eine Ultraschallerzeugungseinheit umfassen. FIG. 7 schematically shows an ultrasonic generator according to an embodiment of the invention. The ultrasonic generator 51 can comprise an ultrasonic generating unit 71, in particular in the form of a piezo motor. Furthermore, the ultrasonic generator 51 can comprise a unit 72 for varying the frequency, in particular in the form of a voltage-controlled oscillator (VCO). In some embodiments, the ultrasonic generator 51 can comprise a unit 73 for performing a frequency sweep, in particular a frequency sweep. In some embodiments, the unit 73 for performing a frequency sweep can comprise a unit 72 for varying the frequency of the ultrasound and / or an ultrasound generating unit.
Figur 8 zeigt schematisch eine Auswerteeinheit 53 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In manchen Ausführungsformen kann die Auswerteeinheit 53 einen Digital- Analog-Wandler (DAC) 92 zum Umwandeln eines digitalen Signals in ein analoges Signal, insbesondere zum Steuern eines spannungsgesteuerten Oszillators oder zum Steuern von Piezomotoren umfassen. Desweiteren kann die Auswerteeinheit 53 einen Analog-Digital- Wandler (ADC) 93 zum Umwandeln eines analogen Signals in ein digitales Signal, insbesondere eines analog vorliegenden Signals, das einen Phasenversatz als Information umfasst, umfassen. FIG. 8 schematically shows an evaluation unit 53 according to an embodiment of the invention. In some embodiments, the evaluation unit 53 can include a digital-to-analog converter (DAC) 92 for converting a digital signal into an analog signal, in particular for controlling a voltage-controlled oscillator or for controlling piezomotors. Furthermore, the evaluation unit 53 can include an analog-to-digital converter (ADC) 93 for converting an analog signal into a digital signal, in particular an analog signal that includes a phase offset as information.
Die Auswerteeinheit 53 kann eine Einheit 94 zum Analysieren eines Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz umfassen. Desweiteren kann die Auswerteeinheit eine Einheit 95 zum Bestimmen eines Regelalgorithmus, insbesondere in Abhängigkeit einer Analyse eines Phasenversatzes, umfassen. The evaluation unit 53 can comprise a unit 94 for analyzing a phase offset as a function of the frequency. Furthermore, the evaluation unit can comprise a unit 95 for determining a control algorithm, in particular as a function of an analysis of a phase offset.
Figur 9 zeigt schematisch eine Steuereinheit 54 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Steuereinheit kann eine Einheit 96 zum Durchführen eines Regelalgorithmus, insbesondere zum Regeln einer Frequenz in Abhängigkeit eines Phasenversatzes und/oder einer Impedanz umfassen. FIG. 9 schematically shows a control unit 54 according to an embodiment of the invention. The control unit can comprise a unit 96 for performing a control algorithm, in particular for controlling a frequency as a function of a phase offset and / or an impedance.
Außerdem kann die Steuereinheit 54 eine Einheit 97 zum Ändern des Regelalgorithmus, insbesondere während einer Werkstückbearbeitung, umfassen. In addition, the control unit 54 can comprise a unit 97 for changing the control algorithm, in particular during workpiece machining.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 54 direkt mit der Phasenermittlungseinheit digital oder analog verbunden sein In some embodiments, the control unit 54 can be digitally or analogously connected directly to the phase determination unit

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine zum Erzeugen von Ultraschall zur Bearbeitung eines Werkstücks umfassend die Schritte:1. A method for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasound for machining a workpiece, comprising the steps:
- Erzeugen von elektrischen Signalen mit verschiedenen Frequenzen zur Bearbeitung eines Werkstücks, wobei die Frequenzen im Frequenzbereich von Ultraschall liegen - Generation of electrical signals with different frequencies for machining a workpiece, the frequencies being in the frequency range of ultrasound
- Aufbringen von Ultraschallwellen auf ein Werkzeug mittels der elektrischen Signale - Applying ultrasonic waves to a tool by means of the electrical signals
- Ermitteln eines Phasenversatzes des Ultraschalls in Abhängigkeit der Frequenz- Determining a phase offset of the ultrasound as a function of the frequency
- Analysieren des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz; und - Analyzing the phase shift as a function of the frequency; and
- Bestimmen eines Regelalgorithmus zum Steuern der Frequenz des vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschalls in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes. - Determination of a control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound generated by the ultrasound generator as a function of the analysis of the phase offset.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn die Analyse des Phasenversatzes ergibt, dass an einem Frequenzpunkt ein erster Phasenreferenzwert unterschritten wird, das Verfahren die Schritte umfasst: - Vorgeben eines Phasenversatz-Regelziels; 2. The method according to claim 1, wherein, if the analysis of the phase offset shows that a first phase reference value is undershot at a frequency point, the method comprises the steps of: specifying a phase offset control target;
- Regeln der vom Ultraschallgenerator erzeugten Frequenz zum Erreichen des Phasenversatz-Regelziels; und - controlling the frequency generated by the ultrasonic generator to achieve the phase offset control target; and
- Bearbeiten eines Werkstücks, während die Frequenz der Ultraschallwellen geregelt wird. - Machining a workpiece while controlling the frequency of the ultrasonic waves.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei, wenn das Phasenversatz-Regelziel mittels zweier unterschiedlicher Frequenzen erreicht werden kann, die vom Ultraschallgenerator erzeugte Frequenz zum Erreichen des Phasenversatz-Regelziels auf eine höhere Frequenz der zweier unterschiedlicher Frequenzen geregelt wird. 3. The method according to claim 2, wherein, if the phase offset control target can be achieved by means of two different frequencies, the frequency generated by the ultrasonic generator to achieve the phase offset control target is controlled to a higher frequency of the two different frequencies.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn die Analyse des Phasenversatzes ergibt, dass an allen Frequenzpunkten ein erster Phasenreferenzwert überschritten und an mindestens einem Frequenzpunkt ein zweiter Phasenreferenzwert unterschritten wird, das Verfahren die Schritte umfasst: 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein, if the analysis of the phase offset shows that a first phase reference value is exceeded at all frequency points and a second phase reference value is undershot at at least one frequency point, the method comprises the steps:
- Regeln der vom Ultraschallgenerator erzeugten Frequenz, sodass der Phasenversatz minimal ist; und - Regulating the frequency generated by the ultrasonic generator so that the phase offset is minimal; and
- Bearbeiten eines Werkstücks, während die Frequenz der Ultraschallwellen geregelt wird. - Machining a workpiece while controlling the frequency of the ultrasonic waves.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn die Analyse des Phasenversatzes ergibt, dass an allen Frequenzpunkten ein zweiter Phasenreferenzwert überschritten wird, das Verfahren die Schritte umfasst: 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein, if the analysis of the phase offset shows that a second phase reference value is exceeded at all frequency points, the method comprises the steps:
Bestimmen einer Frequenz der verschiedenen Frequenzen, wobei der ermittelte Phasenversatz bei dieser Frequenz minimal ist; Determining a frequency of the various frequencies, the determined phase offset being minimal at this frequency;
- Bearbeiten eines Werkstücks, während die Frequenz der Ultraschallwellen geregelt wird; und Machining a workpiece while controlling the frequency of the ultrasonic waves; and
Variieren der Frequenz in einem vorgegebenen Frequenzband um die bestimmte Frequenz während der Werkstückbearbeitung. Varying the frequency in a specified frequency band around the specific frequency during workpiece machining.
6. Verfahren nach Anspruch 5, umfassend die Schritte 6. The method of claim 5 comprising the steps
- Ermitteln des Phasenversatzes zwischen erzeugtem Ultraschall und reflektierter Ultraschallwelle in Abhängigkeit der Frequenz, während die Frequenz variiert wird; Determining the phase offset between the generated ultrasound and the reflected ultrasound wave as a function of the frequency, while the frequency is varied;
- Analysieren des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz; - Analyzing the phase shift as a function of the frequency;
Bestimmen einer neuen Frequenz, aus dem Frequenzband um die bestimmteDetermine a new frequency from the frequency band around the specific one
Frequenz mit einem minimalen Phasenversatz; und Frequency with a minimal phase offset; and
- Variieren der Frequenz in dem vorgegebenen Frequenzband um die neu bestimmte Frequenz. - Varying the frequency in the predetermined frequency band around the newly determined frequency.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte: 7. The method according to any one of claims 1 to 6, comprising the steps:
- Ermitteln des Phasenversatzes zwischen erzeugtem Ultraschall und reflektierter Ultraschallwelle in Abhängigkeit der Frequenz während der Werkstückbearbeitung; - Determination of the phase offset between the generated ultrasound and the reflected ultrasound wave as a function of the frequency during workpiece machining;
- Analysieren des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz während der Werkstückbearbeitung; und - Analysis of the phase shift as a function of the frequency during workpiece machining; and
- Ändern des Regelalgorithmus zum Steuern der Frequenz des vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschalls in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes. - Changing the control algorithm for controlling the frequency of the ultrasound generated by the ultrasound generator as a function of the analysis of the phase offset.
8. System zum Steuern eines Ultraschallgenerators einer Werkzeugmaschine zum Erzeugen von Ultraschall zur Bearbeitung eines Werkstücks umfassend: einen Ultraschallgenerator zum Erzeugen von Ultraschallwellen zur Bearbeitung eines Werkstücks; eine Phasenermittlungseinheit zum Ermitteln eines Phasenversatzes des Ultraschalls; eine Auswerteeinheit zum Analysieren des Phasenversatzes in Abhängigkeit der Frequenz und zum Bestimmen eines Regelalgorithmus in Abhängigkeit der Analyse des Phasenversatzes; und eine Steuereinheit zum Regeln der Frequenz in Abhängigkeit des Phasenversatzes des Ultraschalls und in Abhängigkeit des bestimmten Regelalgorithmus. 8. A system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for generating ultrasonic for machining a workpiece, comprising: an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves for machining a workpiece; a phase determination unit for determining a phase offset of the ultrasound; an evaluation unit for analyzing the phase offset as a function of the frequency and for determining a control algorithm as a function of the analysis of the phase offset; and a control unit for regulating the frequency as a function of the phase offset of the ultrasound and as a function of the specific control algorithm.
9. System nach Anspruch 8, wobei die Auswerteeinheit zum Analysieren des Phasenversatzes und zum Bestimmen eines Regelalgorithmus während der Werkstückbearbeitung eingerichtet ist, und/oder die Steuereinheit zum Ändern des Regelalgorithmus während der Werkstückbearbeitung eingerichtet ist. 9. System according to claim 8, wherein the evaluation unit is set up to analyze the phase offset and to determine a control algorithm during workpiece machining, and / or the control unit is set up to change the control algorithm during workpiece machining.
10. System nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das System zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist. 10. System according to one of claims 8 or 9, wherein the system is set up to carry out a method according to one of claims 1 to 7.
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