WO2005116593A1 - Verfahren zum messen und/oder regeln der schwingungsamplitude eines ultraschallschwingers sowie ultraschallschweissvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum messen und/oder regeln der schwingungsamplitude eines ultraschallschwingers sowie ultraschallschweissvorrichtung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for measuring and / or regulating the oscillation amplitude of an ultrasonic vibrator of an ultrasonic welding device comprising oscillating or transmitting components in the form of at least a converter and a sonotrode and optionally arranged between the converter and the so -notrode booster, said Ultrasonic vibrations are generated by applying the converter with a high-frequency voltage coming from a control circuit.
  • the invention relates to an ultrasonic welding device comprising oscillating or transmitting components in the form of at least one converter and a sonotrode and optionally arranged between these booster, one of the sonotrode associated counter electrode (anvil), between the and the sonotrode to be compressed or welding parts such as strands are preferably arranged in a compression space, wherein the converter for vibrational excitation with an amplitude via a controller with high frequency voltage can be acted upon.
  • DE-A-43 21 874 provides that for monitoring the energy input into a joint between parts to be welded, the joining force is measured during the welding process.
  • the amplitude of oscillation of a plastic parts-welding sonotrode is reduced after a predetermined time interval, in order then to operate at reduced oscillation amplitude during the remaining time of the welding.
  • a related control signal to reduce the amplitude can be triggered directly or indirectly, depending on the transmitted power to be welded to the workpieces, as z. See, for example, WO-A-1998/49009, US-A-5,855,706, US-A-5,658,408 or US-A-5,435,863.
  • DE-A-101 10 048 provides on-line monitoring based on predetermined or stored master values, which allow conclusions to be drawn about the strength of the connection.
  • An ultrasonic welding method for coated electrical wires and an apparatus for carrying out the method is known from DE-A-102 1 1 264.
  • a resistance measurement takes place via the current flowing between the sonotrode and the counterelectrode.
  • the present invention is based on the problem to provide a method of the type mentioned, with which the oscillation amplitude of the ultrasonic vibrator can be measured or controlled in a simple manner.
  • the invention essentially provides that at least one component of the ultrasound transducer is assigned a sensor which detects the oscillation amplitude and monitors signals corresponding to the oscillation amplitudes determined by the sensor and / or compares them with desired signals in the control circuit or measuring and monitoring device and Depending on occurring deviations between actual and desired signals, the converter acting on the high frequency voltage or impinging high frequency current is changed. There is a rule process.
  • a so-called amplitude feedback takes place in order to regulate the amplitude of the ultrasound oscillator such that reproducible and optimal welding results can be achieved.
  • the amplitude feedback also serves to tune different oscillators to each other in order to compensate for any amplitude deviations between the individual oscillators can.
  • the amplitude feedback offers the possibility to compensate for age-related amplitude changes of an ultrasonic transducer.
  • a piezoceramic sensor can be used. Such can be integrated in the converter, wherein in addition to the active piezoceramic discs, By means of which the ultrasonic vibrations are generated, a piezoceramic disk is used, from which signals for determining the amplitude are generated and tapped on the basis of the pressurization actions generated via the other piezoceramic disks. But also an optical detection of the amplitudes z. B. by means of a laser is possible. Other sensors such as ohmic sensor such as strain gauge sensor, acceleration sensors or acoustic sensors can also be used.
  • the senor is preferably integrated on or in the converter, it is also possible to arrange a corresponding sensor on or in the booster, on or in the sonotrode, on the converter housing or a bearing or recording of the ultrasonic vibrator in order to generate the desired signals and thus to enable monitoring or control of the amplitude.
  • the senor is arranged in the oscillation maximum of the component, in particular of the converter.
  • the mass of the sensor should be designed such that a noticeable mass corruption of the component itself does not occur.
  • the sensor should be connected to the device such that the sensor resonates with the device.
  • the signals of the sensor can be evaluated by comparing the alternating signals generated by the sensor with those of the high-frequency current or the high-frequency voltage source. It is also possible to rectify the AC signals picked up by the sensor and to make them available to the controller as DC signals for control purposes.
  • the actual value of the DC voltage signals should be between 0 and 10 V.
  • the control signals applied to an input of a differential amplifier with comparator that abut at the other input of the differential amplifier, the Hochfrequenzstrom- or high-frequency voltage signals of the controller and that the output signal of the comparator of the control of the high frequency voltage and the high frequency current based becomes.
  • the sensor signals are fed to a comparator and converted into voltage pulses with oscillation frequency of the signals and fed to a counter. The signals can be at a counter input z. B. a PLC control abut.
  • the invention is also characterized in particular by an ultrasonic welding device of the type mentioned above in that at least one component is associated with an amplitude-detecting sensor.
  • the sensor is a piezoceramic sensor.
  • An inductive or capacitive sensor, a resistance sensor such as a strain gauge sensor, an optical sensor or an acceleration sensor can also be used.
  • the sensor can be arranged on or in the converter, on or in the booster, on or in the sonotrode, in a housing surrounding the converter or in a bearing of the ultrasonic vibrator.
  • a sensor may be arranged on the main body of the welding module.
  • the recording for the oscillator and the compression chamber so the recording for the oscillator and the compression chamber, a sensor may be arranged.
  • the sensor for detecting the amplitude is a non-contact as optical sensor.
  • the invention is also characterized by an ultrasonic welding device in which the converter comprises a plurality of vibratable first piezoceramic disks, which are arranged between a converter nut and a pin and clamped between them by a first bolt element which projects beyond the outer surface of the resonator, wherein the first bolt element has a blind hole with an internal thread extending from the converter nut side, into which a second bolt element can be screwed, via which the piezoceramic sensor is braced relative to the first bolt.
  • the piezoceramic sensor comprises in particular two piezoceramic perforated discs, each having an outer diameter AD with in particular 15 mm ⁇ AD ⁇ 10 mm and / or an inner diameter ID with 8 mm ⁇ ID ⁇ 4 mm and / or a thickness D with 1, 5 mm ⁇ D ⁇ 0.5 mm.
  • the electrodes required for picking up the signals and extending on the respective outer surface of the piezo-ceramic perforated disks are preferably burn-in silver electrodes.
  • the outer electrodes are at ground potential.
  • 1 is a schematic diagram of an ultrasonic welding device with peripherals
  • FIG. 12 shows a signal obtained from the second switching circuit
  • FIG. Fig. 13 is a third evaluation circuit
  • Fig. 14 obtained from the third evaluation circuit signals.
  • FIG. 1 an arrangement for welding parts, in particular strands by means of ultrasound is shown purely in principle.
  • the arrangement comprises an ultrasonic welding device or machine 10, which in the usual way comprises a converter 12 and a sonotrode 14 and a counter-electrode or anvil 15 associated therewith.
  • a booster 16 is arranged for amplitude amplification between the converter 12 and the sonotrode 14, via which the ultrasonic oscillator 17, which consists of the converter 12, the sonotrode 14 and the booster 16, is mounted.
  • the counter-electrode 15 assigned to the sonotrode 14 or its sonotrode head having a welding surface can be designed in several parts, as described in US Pat. No. 4,596,352 or US Pat. No. 4,869,419, in order to provide a compression space which can be adjusted in cross-section the elements to be welded such as conductors are introduced.
  • the converter 12 is connected via a line 18 to a generator 20, which in turn is connected via a line 22 to a computer 24.
  • a generator 20 d. H. high frequency voltage is applied to the piezoceramic disks arranged therein to correspondingly expand or contract the disks, thereby producing ultrasonic vibrations of an amplitude which are transmitted to the sonotrode 14 via the booster 16.
  • a so-called amplitude feedback takes place, ie. h., That the amplitude of a device of the ultrasonic vibrator 17, d. H. the converter 12 and / or the booster 16 and / or the sonotrode 14 is measured and fed back to the controller 20 in order to compare measured actual amplitudes with setpoint amplitude values or setpoint amplitude ranges stored in the computer 24.
  • Desired amplitude ranges mean a bandwidth of properly rated desired amplitudes. However, if the actual amplitude is above or below the setpoint amplitude Located bandwidth, it can be done a readjustment of the high frequency voltage in the present in the controller 20 generator to change the actual amplitude.
  • FIGS. 2 to 6 To detect the amplitude, d. H. Assign a sensor to a component of the oscillator system 15, there are a variety of ways, some of which are exemplary FIGS. 2 to 6 refer to.
  • a sensor 26 is integrated or arranged in or on the converter 12.
  • the sensor 26 may be a piezoceramic sensor, which together with the existing in the converter 12 further piezokerami see discs 28, 30, 32, 34 is arranged, which are acted upon in a known manner with a high-frequency voltage, by stretching or contracting the piezokerami see discs 28, 30, 32, 34 generate the ultrasonic vibrations with a desired amplitude and a desired frequency.
  • the discs 28, 30, 32, 34 are therefore active parts, whereas the sensor 26 is to be referred to as a passive part, since by the pressure transmitted to the sensor 26 from the discs 28, 30, 32, 34, a high-frequency signal is generated provides a statement about the amplitude.
  • a sensor 36 is arranged on the rear end face of the converter 12, ie on the outside of the resonator or converter nut and braced with it, in order to also receive a signal as a function of the vibration amplitudes generated by the discs 28, 30, 32, 34 produce.
  • a sensor 38 can also be arranged in the journal of the converter 12, as FIG. 4 illustrates.
  • the senor is preferably arranged in or on the converter, it is also possible to integrate a sensor 40 in the booster 16, as FIG. 5 shows.
  • a corresponding construction can also be made with respect to the sonotrode 14.
  • 6 is a preferably piezoceramic disc as a sensor 42 in the sonotrode 14, that is clamped between sections 44, 46, wherein - as in the embodiments of FIGS. 2 to 5 - the sensor 42 spans a plane which is perpendicular to the longitudinal axis of the oscillator.
  • a piezoceramic sensor is to be mentioned as an amplitude sensor
  • other sensors are likewise suitable.
  • inductive, capacitive, optical, such as laser sensors, acoustic sensors, acceleration sensors or resistance sensors, such as measuring strip sensors, may be mentioned.
  • piezoelectric sensor 48 which in the exemplary embodiment comprises two piezoceramic perforated disks 50, 52, which are bounded in a known manner by unspecified electrodes in order to be able to pick up signals which correspond to the oscillation amplitude of a converter, will be explained in principle 54 corresponds to an ultrasonic welding device, as this is basically shown in FIG. 1.
  • the converter 54 has in the exemplary embodiment four first piezoceramic perforated disks 56, 58, 60, 62, 64, on which one of the generator, d. H. the controller 20 is applied high-frequency voltage to contract or stretch the discs 56, 58, 60, 62, whereby vibrations of desired amplitude are generated.
  • the piezoceramic perforated disks 56, 58, 60, 62 are clamped between a so-called converter pin 66, which is connected to a booster or directly to a sonotrode, and a converter nut 68 - also called a resonator - via a first bolt element 70.
  • a so-called converter pin 66 which is connected to a booster or directly to a sonotrode
  • converter nut 68 - also called a resonator - via a first bolt element 70.
  • the bolt 70 protrudes beyond the converter nut 68 and has, starting from its end face 72, a blind hole 74 with an internal thread, in which a second bolt 76 is screwed in, via which the piezoceramic perforated disks 50, 52 between the end face 72 of the first bolt member 70 and a Mother 78 are strained.
  • the sensor 48 formed from the piezoceramic disks 50, 52 extends in the oscillation maximum of the converter 54 and is connected to the latter in such a force-locking manner via the second bolt 76 that oscillation takes place in resonance with the converter 54.
  • the second piezoceramic Raman perforated disks 50, 52 passive components, as these are generated as a function of the amplitude of the converter 54 signals and an evaluation circuit to control the voltage applied to the piezoceramic disks 56, 58, 60, 62 high-frequency voltage such that the converter 54th has desired amplitudes, which in turn allow defined conclusions about the amplitude of the booster or the sonotrode of the oscillator system.
  • a calibration of the output signals of the sensor 48 take place in that z. B. by means of a laser, the amplitude of the converter 54 is determined and the output signal of the sensor 48 is calibrated to a normalized signal. Corresponding values can then be stored in a chip associated with the oscillator or the converter 54 such. B. is attached to this.
  • a differential amplifier 84 can be used with comparator for signal evaluation.
  • At the inputs 86, 88 of the differential amplifier 84 are applied to the sensor signals or high-frequency current or voltage signals of the generator.
  • the signals are compared and in case of impermissible deviation, a signal is generated which can be evaluated by the control circuit. This results in a waveform corresponding to FIG. 10.
  • the signals obtained are then applied to the digital input of a controller in order to carry out a regulation of the high-frequency voltage or of the high-frequency current which is applied to the piezoceramic disks 56, 58, 60, 62 or to the converter.
  • It is also possible to evaluate the control signals by means of a rectifier circuit 90, as FIGS. 11 and 12 illustrate.
  • the rectifier 90 generates an analog DC voltage signal which is in the range between 0 and 10 V and can be evaluated by the controller.
  • the corresponding signal is then fed to an analog input of a control of the high-frequency voltage or of the floating-frequency current.
  • the control signal may be applied to an input 92 of a comparator 94 with hysteresis.
  • the sensor signal is converted into pulses with the oscillation frequency and supplied to a counter input of a controller such as PLC control.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen und/oder Regeln der Schwingungsamplitude eines Ultraschallschwingers (17) einer Ultraschallvorrichtung. Um auf einfache Weise die Schwingungsamplitude des Ultraschallschwingers (17) zu messen bzw. zu regeln, wird vorgeschlagen, dass zumindest einem Bauelement des Ultraschallschwingers (17) ein die Schwingungsamplitude erfassender Sensor zugeordnet wird.

Description

Verfahren zum Messen und/oder Regeln der Schwingungsamplitude eines Ultraschall Schwingers sowie Ultraschallschweißvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen und/oder Regeln der Schwingungsamplitude eines Ultraschallschwingers einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend Schwingungen erzeugende bzw. übertragende Bauelemente in Form von zumindest einem Konverter und einer Sonotrode sowie gegebenenfalls zwischen dem Konverter und der So- notrode angeordnetem Booster, wobei die Ultraschallschwingungen durch Beaufschlagen des Konverters mit einer von einer Steuerschaltung kommenden Hochfrequenzspannung erzeugt werden. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Ultraschallschweißvorrichtung umfassend Schwingungen erzeugende bzw. übertragende Bauelemente in Form von zumindest einem Konverter und einer Sonotrode sowie gegebenenfalls zwischen diesen angeordnetem Booster, eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode (Amboss), zwischen der und der Sonotrode zu verdichtende bzw. zu verschweißende Teile wie Litzen vorzugsweise in einem Verdichtungsraum anordbar sind, wobei der Konverter zur Schwingungserregung mit einer Amplitude über eine Steuerung mit Hochfrequenzspannung beaufschlagbar ist.
Um reproduzierbare Schweißergebnisse zu erzielen, ist es erforderlich, Schweißparameter zu überprüfen und dann, wenn vorgegebene Sollwerte unter- bzw. überschritten werden, zu regeln. So ist es z. B. nach der DE-A-198 10 509 bekannt, in ein Schweißgut eingekoppelte Ultraschall wellen nach Wechselwirkung mit einer Fügeschicht als Messsignal zu erfassen, um sodann mittels eines Messdatenspeichers und einer Auswerteeinheit für den Schweißprozess charakteristische Kenngrößen mit anschließender Ansteuerung der Sonotrode weiterzuverar- beiten. Um Prozessparameter beim Ultraschallschweißen von Kunststoffteilen zu steuern bzw. zu regeln, sieht die DE-A-43 21 874 vor, dass zur Überwachung des Energieeintrags in eine Fügestelle zwischen zu verschweißenden Teilen die Fügekraft während des Schweißvorgangs gemessen wird.
Nach der EP-B-0 567 426 wird die Schwingungsamplitude einer Kunststoffteile verschweißenden Sonotrode nach einem vorbestimmten Zeitintervall reduziert, um sodann während der verbleibenden Zeit des Verschweißens bei verringerter Schwingungsamplitude zu arbeiten. Ein diesbezügliches Steuersignal zur Reduzierung der Amplitude kann direkt oder indirekt auch in Abhängigkeit von der auf die zu verschweißenden Werkstücke übertragene Leistung ausgelöst werden, wie dies z. B. der WO-A- 1998/49009, der US-A-5,855,706, der US-A- 5,658,408 oder der US-A-5,435,863 zu entnehmen ist.
Aus der WO-A-2002/098636 ist ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen bekannt, bei dem zur Optimierung des Schweißens während einer ersten Zeitspanne die Schwingungsamplitude einem vorgegebenen Verlauf folgend reduziert wird, um anschließend mit einem charakteristischen Parameter des Werkstücks zu messen und sodann in Abhängigkeit vom Wert des gemessenen Parameters mit konstanter Amplitude einer Ultraschallenergie übertragenen Sonotrode den Schweißprozess zu beenden.
Um durch Ultraschall-Drahtbonden hergestellte Verbindungen zu prüfen, sieht die DE-A-101 10 048 eine On-line-Überwachung unter Zugrundelegung von vorgegebenen bzw. gespeicherten Master- Werten vor, die Rückschlüsse auf die Festigkeit der Verbindung ermöglichen.
Ein Ultraschallschweißverfahren für beschichtete elektrische Drähte und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist aus der DE-A-102 1 1 264 bekannt. Um die Schweißenergie nach Entfernen der Isolierung und zum Verschweißen der Leiter selbst zu verändern, erfolgt eine Widerstandsmessung über den zwischen Sonotrode und Gegenelektrode fließenden Strom. Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem auf einfache Weise die Schwingungsamplitude des Ultraschallschwingers gemessen bzw. geregelt werden kann.
Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass zumindest einem Bauelement des Ultraschallschwingers ein die Schwingungsamplitude erfassender Sensor zugeordnet wird und von dem Sensor ermittelte den Schwingungsamplituden entsprechende Signale überwacht und/oder mit Sollsignalen in der Steuerschaltung oder Mess- und Überwachungseinrichtung verglichen und in Abhängigkeit von auftretenden Abweichungen zwischen Ist- und Sollsignalen die den Konverter beaufschlagende Hochfrequenzspannung oder beaufschlagender Hochfrequenzstrom verändert wird. Es erfolgt ein Regelprozess.
Erfindungsgemäß erfolgt eine sogenannte Amplitudenrückführung, um die Amplitude des Ultraschallschwingers derart zu regeln, dass reproduzierbare und optimale Schweißergebnisse erzielbar sind. Die Amplitudenrückfϋhrung dient aber auch dazu, unterschiedliche Schwinger aufeinander abzustimmen, um etwaige Amplitυdenabweichungen zwischen den einzelnen Schwingern kompensieren zu können. Ferner bietet die Amplitudenrückführung die Möglichkeit, alterungsbedingte Amplitudenänderungen eines Ultraschallschwingers zu kompensieren.
Aber auch Grenztemperaturen am Konverter durch Frequenzverschiebung des Arbeitspunktes können erfasst und somit ausgeglichen werden. Schließlich kann bei Auftreten unzulässig hoher Amplituden die Ultraschallschwingungserzeugung unterbrochen werden, so dass Sicherheitsfunktionen Genüge getan wird.
Ferner ist aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre die Möglichkeit gegeben, Alterungen von die Schwingungen erzeugenden piezokeramischen Scheiben oder Veränderungen elektrischer Größen wie Hochfrequenzspannungssignal der Steuerung wie dem Generator zu erfassen. Auch ist durch die Amplitudenrückführung das Last-Leerlaufverhalten des Konverters erfassbar.
Als Sensor kann insbesondere ein piezokeramischer Sensor verwendet werden. Ein solcher kann in dem Konverter integriert werden, wobei neben den aktiven Piezokeramikscheiben, über die die Ultraschallschwingungen erzeugt werden, eine piezokeramische Scheibe benutzt wird, von der aufgrund der über die anderen Piezokeramikscheiben erzeugten Druckbeaufschlagungen Signale zur Bestimmung der Amplitude erzeugt und abgegriffen werden. Aber auch eine optische Erfassung der Amplituden z. B. mittels eines Lasers ist möglich. Weitere Sensoren wie ohmscher Sensor wie Dehnmessstreifensensor, Beschleunigungssensoren oder akustische Sensoren können gleichfalls verwendet werden.
Wird der Sensor vorzugsweise am bzw. im Konverter integriert, so ist auch die Möglichkeit gegeben, einen entsprechenden Sensor an oder im Booster, an oder in der Sonotrode, am Konvertergehäuse oder einer Lagerung bzw. Aufnahme des Ultraschallschwingers anzuordnen, um die gewünschten Signale zu generieren und somit eine Überwachung bzw. Steuerung der Amplitude zu ermöglichen.
Um eine optimale Amplitudenerfassung und somit Rückführung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Sensor im Schwingungsmaximυm des Bauelementes, insbesondere des Konverters angeordnet ist. Dabei sollte die Masse des Sensors derart ausgelegt sein, dass eine merkbare Massenverfälschung des Bauelementes selbst nicht erfolgt. Ferner sollte der Sensor mit dem Bauelement derart verbunden sein, dass der Sensor in Resonanz mit dem Bauelement schwingt.
Ausgewertet können die Signale des Sensors dadurch werden, dass die von dem Sensor erzeugten Wechselsignale mit denen des Hochfrequenzstroms bzw. der Hochfrequenzspannungsquelle verglichen werden. Auch besteht die Möglichkeit, die von dem Sensor abgegriffenen Wechselspannungssignale gleichzurichten und der Steuerung als Gleichspannungssignale für Regelzwecke zur Verfügung zu stellen. Dabei sollte der Istwert der Gleichspannungssignale zwischen 0 und 10 V liegen.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuersignale an einem Eingang eines Differenzverstärkers mit Komparator anliegen, dass am anderen Eingang des Differenzverstärkers die Hochfrequenzstrom- bzw. Hochfrequenzspannungssignale der Steuerung anliegen und dass Ausgangssignal des Komparators der Regelung der Hochfrequenzspannung bzw. des Hochfrequenzstroms zu Grunde gelegt wird. Um die Schwingfrequenz zu ermitteln, ist des Weiteren vorgesehen, dass die Sensorsignale einem Komparator zugeführt werden und in Spannungsimpulse mit Schwingfrequenz der Signale umgeformt und einem Zähler zugeführt werden. Die Signale können dabei an einem Zählereingang z. B. einer SPS-Steuerung anliegen.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere auch durch eine Ultraschallschweißvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch aus, dass zumindest einem Bauelement ein die Amplitude erfassender Sensor zugeordnet ist. Insbesondere ist der Sensor ein piezokeramischer Sensor. Ein induktiv arbeitender oder kapazitiv arbeitender Sensor, ein Widerstandssensor wie Dehnmessstreifensensor, ein optischer Sensor oder ein Beschleunigungssensor kann gleichfalls eingesetzt werden. Unabhängig hiervon kann der Sensor am oder im Konverter, am oder im Booster, an oder in der Sonotrode, in einem den Konverter umgebenden Gehäuse oder in einer Lagerung des Ultraschallschwingers angeordnet sein. Auch am Grundkörper des Schweißmoduls, also der Aufnahme für den Schwinger und den Verdichtungsraum kann ein Sensor angeordnet sein. In diesem Fall ist der Sensor zur Erfassung der Amplitude ein berührungslos arbeitender wie optischer Sensor.
Bevorzugterweise wird jedoch ein piezokeramischer Sensor benutzt. Daher zeichnet sich die Erfindung auch durch eine Ultraschallschweißvorrichtung aus, bei der der Konverter mehrere in Schwingungen versetzbare erste piezokeramische Scheiben umfasst, die zwischen einer Konvertermutter und einem Zapfen angeordnet und zwischen diesen durch ein erstes Bolzenelement verspannt sind, das über Außenfläche des Resonatorkörpers vorsteht, wobei das erste Bolzenelement ein von konvertermutterseitig verlaufender Stirnfläche ausgehendes Sackloch mit Innengewinder aufweist, in das ein zweites Bolzenelement schraubbar ist, über das der piezokeramische Sensor gegenüber dem ersten Bolzen verspannt ist. Der piezokeramische Sensor umfasst dabei insbesondere zwei piezokeramische Lochscheiben, die jeweils einen Außendurchmesser AD mit insbesondere 15 mm < AD < 10 mm und/oder einen Innendurchmesser ID mit 8 mm < ID < 4 mm und/oder eine Dicke D mit 1 ,5 mm < D < 0,5 mm aufweisen. Die zum Abgreifen der Signale erforderlichen und auf jeweiliger Außenfläche der piezo- keramischen Lochscheiben verlaufenden Elektroden sind vorzugsweise Einbrennsilberelektroden. Dabei liegen die Außenelektroden auf Massepotenzial. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung mit Peripherie,
Fig. 2 eine erste Ausfuhrungsform eines Konverters mit Sensor,
Fig. 3 eine zweite Ausfuhrungsform eines Konverters mit Sensor,
Fig. 4 eine dritte Ausfuhrungsform eines Konverters mit Sensor,
Fig. 5 einen Booster mit einem Sensor,
Fig. 6 eine Sonotrode mit Sensor,
Fig. 7 einen Ausschnitt eines Konverters,
Fig. 8 Signalkurven,
Fig. 9 eine erste Auswerteschaltung,
Fig. 10 ein aus der ersten Auswerteschaltung gewonnenes Signal,
Fig. 1 1 eine zweite Auswerteschaltung,
Fig. 12 ein aus der zweiten Aus verteschaltung gewonnenes Signal, Fig. 13 eine dritte Auswerteschaltung und
Fig. 14 aus der dritten Auswerteschaltung gewonnene Signale.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Anordnung zum Verschweißen von Teilen, insbesondere Litzen mittels Ultraschall dargestellt. Die Anordnung umfasst eine Ultraschallschweißvorrichtung oder -maschine 10, die in gewohnter Weise einen Konverter 12 und eine Sonotrode 14 sowie eine dieser zugeordnete Gegenelektrode oder Amboss 15 umfasst. Im Ausführungsbei- spiel ist zur Amplitudenverstärkung zwischen dem Konverter 12 und der Sonotrode 14 ein Booster 16 angeordnet, über den der Ultraschallschwinger 17, der aus dem Konverter 12, der Sonotrode 14 und dem Booster 16 besteht, gelagert wird. Die der Sonotrode 14 bzw. dessen eine Schweißfläche aufweisenden Sonotrodenkopf zugeordnete Gegenelektrode 15 kann mehrteilig ausgebildet sein, wie dies in der US-A-4,596,352 oder der US-A-4,869,419 beschrieben ist, um einen im Querschnitt verstellbaren Verdichtungsraum zur Verfügung zu stellen, in den die zu verschweißenden Elemente wie Leiter eingebracht werden.
Der Konverter 12 wird über eine Leitung 18 mit einem Generator 20 verbunden, der seinerseits über eine Leitung 22 mit einem Rechner 24 verbunden ist. Über den Generator 20 wird der Konverter 12, d. h. die in diesem angeordneten Piezokeramikscheiben mit Hochfrequenzspannung beaufschlagt, um die Scheiben entsprechend zu dehnen bzw. zu kontrahieren, wodurch Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude erzeugt werden, die über den Booster 16 auf die Sonotrode 14 übertragen werden.
Um die Amplitude zu erfassen und zu überwachen bzw. auf gewünschte Sollwerte regeln zu können, erfolgt erfϊndungsgemäß eine sogenannte Amplitudenrückführung, d. h., dass die Amplitude eines Bauelements des Ultraschallschwingers 17, d. h. des Konverters 12 und/oder des Boosters 16 und/oder der Sonotrode 14 gemessen und auf die Steuerung 20 zurückgeführt wird, um gemessene Ist-Amplituden mit in dem Rechner 24 abgelegten Soll- Amplitudenwerten oder Soll-Amplitudenbereichen zu vergleichen.
Soll-Amplitudenbereiche bedeuten dabei eine Bandbreite von ordnungsgemäß bewerteten Soll-Amplituden. Ist jedoch die Ist-Amplitude oberhalb oder unterhalb der Soll-Amplituden- Bandbreite gelegen, so kann ein Nachregeln der Hochfrequenzspannung in dem in der Steuerung 20 vorhandenen Generator erfolgen, um die Ist-Amplitude zu verändern.
Um die Amplitude zu erfassen, d. h. einen Sensor einem Bauelement des Schwingersystems 15 zuzuordnen, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen beispielhaft einige den Fig. 2 bis 6 zu entnehmen sind.
Bevorzugterweise wird ein Sensor 26 im oder am Konverter 12 integriert bzw. angeordnet. So kann der Sensor 26 ein piezokeramischer Sensor sein, der zusammen mit den im Konverter 12 vorhandenen weiteren piezokerami sehen Scheiben 28, 30, 32, 34 angeordnet ist, die in bekannter Weise mit einer Hochfrequenzspannung beaufschlagt werden, um durch Dehnen bzw. Kontrahieren der piezokerami sehen Scheiben 28, 30, 32, 34 die Ultraschallschwingungen mit einer gewünschten Amplitude und einer gewünschten Frequenz zu erzeugen. Die Scheiben 28, 30, 32, 34 sind infolgedessen aktive Teile, wohingegen der Sensor 26 als passives Teil zu bezeichnen ist, da durch den auf den Sensor 26 von den Scheiben 28, 30, 32, 34 übertragenen Druck ein Hochfrequenzsignal erzeugt wird, das eine Aussage über die Amplitude bietet.
Im Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 3 ist ein Sensor 36 an rückseitiger Stirnfläche des Konverters 12, also außenseitig am Resonator oder Konvertermutter angeordnet und mit diesem verspannt, um ebenfalls in Abhängigkeit von der durch die Scheiben 28, 30, 32, 34 erzeugten Schwingungsamplituden ein Signal zu erzeugen.
Ein Sensor 38 kann jedoch auch im Zapfen des Konverters 12 angeordnet sein, wie die Fig. 4 verdeutlicht.
Ist bevorzugterweise der Sensor im oder am Konverter angeordnet, so besteht auch die Möglichkeit, einen Sensor 40 in dem Booster 16 zu integrieren, wie die Fig. 5 zeigt.
Eine entsprechende Konstruktion kann auch hinsichtlich der Sonotrode 14 erfolgen. Nach der zeichnerischen Darstellung der Fig. 6 ist eine vorzugsweise piezokeramische Scheibe als Sensor 42 in der Sonotrode 14, d. h. zwischen Abschnitten 44, 46 festgespannt, wobei - wie bei den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 5 - der Sensor 42 eine Ebene aufspannt, die senkrecht zur Schwingerlängsachse verläuft.
Ist erwähntermaßen bevorzugterweise ein piezokeramischer Sensor als Amplitudensensor zu nennen, so sind andere Sensoren gleichfalls geeignet. Beispielhaft sind induktive, kapazitive, optische wie Lasersensoren, akustische Sensoren, Beschleunigungssensoren oder Widerstandssensoren wie Messstreifensensoren zu nennen.
Anhand der Fig. 7 sei rein prinzipiell die Anordnung eines piezoelektrischen Sensors 48 verdeutlicht, der im Ausführungsbeispiel zwei piezokeramische Lochscheiben 50, 52 umfasst, die in bekannter Weise von nicht näher bezeichneten Elektroden begrenzt sind, um Signale abgreifen zu können, die der Schwingungsamplitude eines Konverters 54 einer Ultraschallschweißvorrichtung entspricht, wie diese prinzipiell der Fig. 1 zu entnehmen ist.
Der Konverter 54 weist im Ausfuhrungsbeispiel vier erste piezokeramische Lochscheiben 56, 58, 60, 62, 64 auf, an dem eine von dem Generator, d. h. der Steuerung 20 kommende Hochfrequenzspannung anliegt, um die Scheiben 56, 58, 60, 62 zu kontrahieren bzw. zu dehnen, wodurch Schwingungen gewünschter Amplitude erzeugt werden. Die piezokeramischen Lochscheiben 56, 58, 60, 62 sind zwischen einem sogenannten Konverterzapfen 66, der mit einem Booster oder unmittelbar mit einer Sonotrode verbunden ist, und einer Konvertermutter 68 - auch Resonator genannt - über ein erstes Bolzenelement 70 verspannt. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Konstruktionen verwiesen. Der Bolzen 70 steht über der Konvertermutter 68 vor und weist von dessen Stirnfläche 72 ausgehend ein Sackloch 74 mit Innengewinde auf, in dem ein zweiter Bolzen 76 eingeschraubt wird, über den die piezokeramischen Lochscheiben 50, 52 zwischen der Stirnfläche 72 des ersten Bolzenelements 70 und einer Mutter 78 verspannt werden. Dabei verläuft der aus den piezokeramischen Scheiben 50, 52 gebildete Sensor 48 im Schwingungsmaximum des Konverters 54 und ist mit diesem derart kraftschlüssig über den zweiten Bolzen 76 verbunden, dass ein Schwingen in Resonanz mit dem Konverter 54 erfolgt.
Sind die ersten piezokeramischen Lochscheiben 56, 58, 60, 62, über die die Schwingungen im Konverter 54 erzeugt werden, als aktive Bauteile zu bezeichnen, so sind die zweiten piezoke- ramischen Lochscheiben 50, 52 passive Bauteile, da über diese in Abhängigkeit von der Amplitude des Konverters 54 Signale erzeugt und einer Auswerteschaltung zugeführt werden, um die an den piezokeramischen Scheiben 56, 58, 60, 62 anliegende Hochfrequenzspannung derart zu regeln, dass der Konverter 54 gewünschte Amplituden aufweist, die wiederum definierte Rückschlüsse auf die Amplitude des Boosters bzw. der Sonotrode des Schwingersystems ermöglichen.
Dabei kann ein Kalibrieren der Ausgangssignale des Sensors 48 dadurch erfolgen, dass z. B. mittels eines Lasers die Amplitude des Konverters 54 bestimmt wird und das Ausgangssignal des Sensors 48 auf ein normiertes Signal kalibriert wird. Entsprechende Werte können sodann in einem Chip abgelegt werden, der dem Schwinger bzw. dem Konverter 54 zugeordnet wie z. B. an diesem befestigt ist.
Dass die von dem Sensor abgegriffenen Signale unmittelbar Aussagen über die Amplituden des Konverters 54 ermöglichen, ist prinzipiell der Fig. 8 zu entnehmen. So sind eine Hochfre- quenzstrommesskurve 80, die dem zum Konverter fließenden Hochfrequenzstrom entspricht, und eine Kurve 82 dargestellt, die den Signalen des Sensor 48 entspricht. Ein unmittelbarer Vergleich zeigt, dass der Kurvenverlauf des Sensors 48 eindeutig dem Kurvenverlauf des Hochfrequenzstroms zuzuordnen ist.
Um die Sensorsignale auszuwerten, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen einige beispielhaft den Fig. 9 bis 14 zu entnehmen sind.
So kann ein Differenzverstärker 84 mit Komparator zur Signalauswertung benutzt werden. An den Eingängen 86, 88 des Differenzverstärkers 84 liegen die Sensorsignale bzw. Hochfrequenzstrom- bzw. Spannungssignale des Generators an. Die Signale werden verglichen und bei unzulässiger Abweichung wird ein Signal erzeugt, das von der Steuerschaltung ausgewertet werden kann. Es ergibt sich dabei eine Signalform, die der Fig. 10 entspricht. Die erhaltenen Signale werden dann an den Digitaleingang einer Steuerung gelegt, um eine Regelung der Hochfrequenzspannung bzw. des Hochfrequenzstroms, der an den piezokeramischen Scheiben 56, 58, 60, 62 anliegt bzw. zum Konverter fließt, durchzuführen. Auch besteht die Möglichkeit, mittels einer Gleichrichterschaltung 90 die Steuersignale auszuwerten, wie die Fig. 1 1 und 12 verdeutlichen. Über den Gleichrichter 90 wird ein analoges Gleichspannungssignal erzeugt, das im Bereich zwischen 0 und 10 V liegt und von der Steuerung ausgewertet werden kann. Das entsprechende Signal wird sodann einem Analogeingang einer Steuerung der Hochfrequenzspannung bzw. des Flochfrequenzstroms zugeführt.
Zur Ermittlung der Schwingfrequenz des Konverters 54 kann das Steuersignal an einen Eingang 92 eines Komparators 94 mit Hysterese anliegen. Zur Ermittlung der Schwingfrequenz wird das Sensorsignal in Impulse mit der Schwingfrequenz umgeformt und einem Zählereingang einer Steuerung wie SPS-Steuerung zugeführt.

Claims

PatentansprücheVerfahren zum Messen und/oder Regeln der Schwingungsamplitude eines Ultraschallschwingers sowie Ultraschallschweißvorrichtung
1. Verfahren zum Messen und/oder Regeln der Schwingungsamplitude eines Ultraschallschwingers einer Ultraschallvorrichtung umfassend Schwingungen erzeugende bzw. übertragende Bauelement in Form von zumindest einem Konverter und einer Sonotrode sowie gegebenenfalls zwischen dem Konverter und der Sonotrode angeordnetem Booster, wobei zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen der Konverter mit einer Steuerschaltung wie Generator verbunden ist, über die dem Konverter Hochfrequenzspannung bzw. -ström zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Bauelement ein die Schwingungsamplituden erfassender Sensor zugeordnet wird und von dem Sensor ermittelte Schwingungsamplituden entsprechende Ist-Signale überwacht und/oder mit Soll-Signalen in der Steuerschaltung oder einer Mess- und Überwachungseinrichtung verglichen und in Abhängigkeit von auftretenden Abweichungen zwischen Ist- und Soll-Signalen ein Ausgangssignal der Steuerschaltung zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen entsprechend verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass von dem Sensor durch die Schwingungsamplituden generierte Wechsel Signale und/oder aus diesen abgeleitete Gleichspannungssignale der Steuerschaltung bzw. Mess- und Überwachungseinrichtung zur Regelung des Ausgangssignals bzw. der Ausgangssignale zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale mit an dem Konverter bzw. dessen piezokeramischen Scheiben anliegender Hochfrequenzspannung bzw. fließendem Hochfrequenzstrom einem Differenzverstärker mit Komparator zugeführt und Ausgangssignal des Komparators der Regelung der Hochfrequenzspannung bzw. des Hochfrequenzstroms zu Grunde gelegt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale einer Gleichrichterschaltung zugeführt und Ausgleichsspannungssignal der Gleichrichterschaltung der Regelung der Hochfrequenzspannung bzw. des Hochfrequenzstroms zu Grunde gelegt werden.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale einem Komparator zugeführt und in Spannungsimpulse mit Schwingfrequenz der Signale umgeformt und einem Zähler zugeführt werden.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein piezokeramischer Sensor verwendet wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein induktiv arbeitender und/oder ein kapazitiv arbeitender Sensor und/oder ein Widerstandssensor wie Dehnmessstreifensensor und/oder ein optischer Sensor wie Lasersensor und/oder ein Beschleunigungssensor verwendet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor am oder im Konverter angeordnet bzw. integriert wird.
. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor am oder im Booster angeordnet bzw. integriert wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an oder in der Sonotrode angeordnet bzw. integriert wird.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter von einem Gehäuse umgeben ist, in dem der Sensor angeordnet wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lagerung des Ultraschallschwingers der Sensor angeordnet wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an einem den Schwinger aufnehmenden Grundkörper der Ultraschall- sch weißvorrichtung angeordnet wird.
14. Ultraschallschweißvorrichtung umfassend Schwingungen erzeugende bzw. übertragende Bauelemente in Form von zumindest einem Konverter (12, 54) und einer Sonotrode (14) sowie gegebenenfalls zwischen diesen angeordnetem Booster (16), eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode (Amboss) (15), zwischen der und der Sonotrode zu verdichtende bzw. zu verschweißende Teile wie Litzen vorzugsweise in einem Verdichtungsraum anordbar sind, wobei der Konverter zur Schwingungsanregung mit einer Amplitude über eine Steuerung (22) mit Hochfrequenzspannung beaufschlagbar ist, bzw. zu diesem ein Hochfrequenzstrom fließt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Bauelement (12, 14, 16) ein die Amplitude erfassender Sensor (26, 36, 38, 40, 42, 48) zugeordnet ist.
15. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein piezokeramischer Sensor (26, 36, 38, 40, 42, 48) ist.
16. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein induktiv arbeitender oder kapazitiv arbeitender Sensor oder ein Widerstandssensor wie Dehnmessstreifensensor oder ein optischer Sensor wie Lasersensor oder ein Beschleunigungssensor ist.
17. Ultraschallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26, 36, 38, 40, 42, 48) am oder im Konverter (12, 54) und/oder am oder im Booster (16) und/oder an oder in der Sonotrode (14) angeordnet bzw. integriert ist.
18. Ultraschallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (12) von einem Gehäuse umgeben ist, in dem der Sensor angeordnet ist.
19. Ultraschallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Lagerung des Ultraschallschwingers der Sensor angeordnet ist.
20. Ultraschallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor am den Schwinger aufnehmenden Grundkörper der Ultraschallschweißvorrichtung (10) angeordnet ist.
21. Ultraschallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei der Konverter (54) mehrere in Schwingungen versetzbare erste piezokeramische Scheiben (56, 58, 60, 62) umfasst, die zwischen einem Zapfen (66) und einer Mutter (68) angeordnet und zwischen diesen durch ein erstes Bolzenelement (70) verspannt sind, der über Außenfläche der Konvertermutter vorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bolzenelement (70) ein von konvertermutterseitig verlaufender Stirnfläche (72) ausgehendes Sackloch (74) mit Innengewinde aufweist, in das ein zweites Bolzenelement (76) schraubbar ist, über das der piezokeramische Sensor (48) gegenüber dem ersten Bolzenelement verspannt ist.
22. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der piezokeramische Sensor (48) zumindest zwei piezokeramische Lochscheiben (50, 52) umfasst, die jeweils einen Außendurchmesser AD mit 15 mm < AD < 10 mm und/oder einen Innendurchmesser ID mit 8 mm < ID < 4 mm und/oder eine Dicke D mit 1 ,5 mm < D < 0,5 mm aufweisen.
23. Ultraschallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass die piezokeramischen Lochscheiben (50, 52) aus Einbrennsilber bestehende E- lektroden aufweisen.
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