WO2008113586A2 - Method and device for operating an ultrasonic tool - Google Patents

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WO2008113586A2
WO2008113586A2 PCT/EP2008/002226 EP2008002226W WO2008113586A2 WO 2008113586 A2 WO2008113586 A2 WO 2008113586A2 EP 2008002226 W EP2008002226 W EP 2008002226W WO 2008113586 A2 WO2008113586 A2 WO 2008113586A2
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ultrasonic tool
frequency characteristic
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Inventor
Hermann-Josef Kuenen
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Sauer Ultrasonic Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/008—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means by using ultrasonic waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for determining the frequency characteristic and for operating an ultrasonic tool.
  • FIG. 1 An ultrasonic tool is shown schematically in FIG. 1 is an only partially shown workpiece, 2 is an ultrasonic head of an ultrasonic workpiece 10 and 3 is the driver of the
  • Ultrasonic tool 10 The driver 3 moves in accordance with a signal applied to its terminals 3a, 3b electrical signal head 2 in oscillating motion.
  • the vibration can be translational or rotational. In Fig. 1, for example, it may be translational along the Z axis or rotational about the Z axis.
  • the head has one or more hard or rough surfaces 2a, 2b, 2c, with which the material of the workpiece to be machined is ultimately abraded or pushed (impact drilling principle).
  • the head 2 can have different shapes. Unlike the flat embodiments of the work surfaces shown 2 a, 2 b or 2 c shown may also be provided rather pointed or edged embodiments that facilitate the beating removal.
  • the periodic movement of the working head takes place in frequency ranges which have ultrasonic frequencies, that is, for example, in the range above 20 kHz, sometimes even higher than 50 kHz. But it can also be used lower frequencies.
  • the mechanical amplitudes are comparatively small.
  • the driver 3 can be an electromagnetic drive system or a piezo system which generates the desired mechanical oscillation of the head 2 in accordance with the applied electrical signal.
  • a drive signal (voltage) is applied to the terminals 3a, 3b, the frequency of which is determined more accurately and in particular lies at a resonance frequency of the head 2 or in a defined deviation thereof.
  • the mechanical resonance frequencies of the head result from its inherent mass and rigidity. Since a head 2 can be a comparatively complex structure, it is also possible for a plurality of mutually independent resonant frequencies, together with respective harmonics, to arise.
  • FIG. 2 shows the relationships schematically.
  • Figure 2A is the
  • the abscissa represents the excitation frequency, the ordinate the mechanical amplitude of the oscillation as a function of the frequency.
  • the abscissa is logarithmically divided.
  • the example assumed curve has some resonances f ⁇ l, fO2 and fO3.
  • the frequency f ⁇ l may be 31 kHz
  • fO2 may be a harmonic of 62 kHz
  • the frequency fO3 may be an independent resonance frequency of, for example, 70 kHz.
  • FIG. 2B shows the voltage signal applied to the driver 3 during the working process in its frequency characteristic. It has two discrete frequencies at the resonant frequencies f ⁇ 1 and fO2, giving the tool two of its mechanical
  • the drive signal during the removal may have one or more resonance frequencies and possibly further signal components.
  • the signal of FIG. 2B could also have only one or all of the frequencies fO1, fO2 and fO3.
  • the drive signal may, but need not, have the lowest resonant frequency and / or the largest maximum signal component.
  • the frequency response of Fig. 2A is determined prior to starting work with the tool.
  • a specially provided measuring apparatus is connected to the terminals 3a, 3b of the converter 3, with which a signal of a frequency tunable in the frequency range of interest can be applied to the driver 3, which allows the measurement of a corresponding electrical signal at the terminals.
  • a constant-amplitude signal of a gradually varying frequency is applied, and the current to the driver 3 is measured.
  • the resonance frequencies of FIG. 2A are clearly reflected in the measured (current) profile, so that the frequencies of the extrema (maxima or minima) of the measured profile can be taken as the resonance frequency f01, f02, f03 ....
  • the operator of the machine determines this Set the resonance frequencies of the head 2 and then adjust the signal generator to drive the driver accordingly.
  • the determined resonant frequency of a tool can change during operation.
  • the temperature may change (increase), so that, accordingly, a dimensional change (expansion, enlargement) of the tool 2 takes place, so that the resonance frequency changes accordingly.
  • the resonant frequency of the force between tool 2 and workpiece 1 and thus ultimately also on the propulsion speed, which is applied for the tool depend. Schematically, these effects are shown in FIG.
  • the abscissa may be the feed force F or the tool temperature T.
  • the ordinate is the resonance frequency fo dependent thereon.
  • Curve 31 shows the dependence of the resonance frequency f ⁇ on the temperature T, ie f0 (T).
  • Curve 32 shows the dependence of the resonance frequency fo on the feed force F, that is fO (F).
  • the Gradients are not constant. It is still difficult to predict. For different resonance frequencies f ⁇ 1, f02, the gradients can be qualitatively and / or quantitatively different. The individual influencing factors can overlap.
  • the effects described cause the resonant frequency to change unpredictably as the tool operates, so that the initial resonant frequency measurement no longer accurately reflects the true ratios. It must then laboriously again as described, the resonance frequency can be determined to make new settings. Depending on the nature of the workpiece and the tool and in dependence on other parameters, this can thus lead to significant Nachjustieraufwand for the resonance frequencies during work.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for determining the frequency characteristic and for operating an electrically controllable ultrasonic tool, which allow a quick and easy determination of frequency parameters of the tool.
  • a significant parameter for the control of the ultrasonic tool or the entire ultrasonic machine is the feed rate or the feed force. This has hitherto been measured by suitable measuring devices, for example by a load cell (with strain gauges). strip and / or piezoelectric elements or the like), and the resulting signal is fed to a controller for further evaluation and instigation.
  • the object of the invention in this respect is to provide a method and a device that allow easy detection of the feed force or its change.
  • a method for determining the frequency characteristic of an electrically controllable ultrasonic tool has the steps of applying an electrical noise signal as a drive signal the tool, measuring the time course of an electrical variable on the ultrasonic tool as a measurement signal, performing a frequency analysis in the measured course and determining the frequency characteristic based on the analysis result.
  • the noise signal can be applied to the tool for a relatively short time.
  • the measurement, the performance of the frequency analysis and the determination of the frequency characteristic can be carried out automatically with reference to the measured signal measured, so that a simplification of the determination of the frequency characteristic is achieved.
  • the noise signal may be a voltage signal, the measurement signal a current signal.
  • the frequency analysis may be a Fourier analysis which as a result gives the progression of the intensity over the frequency. You can then search for extremes in this process.
  • the frequencies of the extrema are the resonant frequencies of the tool.
  • the phase angle between current and voltage on the ultrasonic tool or its change can be measured.
  • the angle and its change clearly depends on the feed force or its change. This gives a measure of the feed force or its change.
  • Fig. 1 shows schematically an ultrasonic tool on a
  • Workpiece, 2 shows an example of mechanical resonance frequencies and electrical control of the
  • Fig. 8 shows the dependence between feed force
  • FIG. 9 shows schematically a sound card used together with a closer electrical environment.
  • FIG. 4 shows signals and courses which may arise or are relevant in the determination according to the invention of the resonance frequency (s) of the ultrasonic tool 2.
  • FIG. 4 A shows the spectrum (intensity versus frequency) of a signal applied to the terminals 3 a, 3 b of the converter 3 of the tool 10. It deals is a noise signal generated by a generator that covers the frequency range of interest.
  • the frequency range of interest is described by a lower limit frequency fgu and by an upper limit frequency fgo.
  • the lower limit frequency fgu may be greater than or less than or equal to 2 kHz or 5 kHz or 10 kHz or 20 kHz.
  • the upper limit frequency fgo may be greater than or less than or equal to 40 kHz or 60 kHz or 80 kHz or 96 kHz.
  • frequencies below the ultrasonic range may also be of interest and thus included in the measurement or evaluation.
  • the noise signal 41 has a suitable intensity profile over the frequency. Preferably, it is known in the frequency range of interest and reasonably constant or such that the smallest amplitude of the largest amplitude differ by not more than 50%, preferably 10%, from each other. Preferably, the noise signal has no strong maxima at certain frequencies.
  • the time-varying signal whose spectrum is shown in FIG. 4A is applied to the terminals 3 a, 3 b of the tool 10.
  • Fig. 4B shows a time course.
  • the abscissa shows milliseconds, the ordinate an intensity. This may be the current in the converter 3. It is assumed that the voltage causing the signal is applied at time 0 and is switched off again at 500 milliseconds.
  • the signal of Figure 4B can equally be considered as representing the (above-mentioned) input voltage over time as well as the input current over time.
  • the voltage may be the signal provided by the generator while the current is due to the reactance of the converter in accordance with the applied voltage.
  • the time course of the measuring signal is not very meaningful.
  • FIG. 4C shows an exemplary spectrum of the converter current. It is the transformed in the frequency domain time course of the input current.
  • the spectrum derived from the time course of the measurement signal is very meaningful.
  • a first maximum at a frequency fOl at about 22 kHz a second maximum at a frequency fO2 at about 25 kHz and a harmonic to fO3 equal to 50 kHz.
  • the course of the curve C has different oscillation maxima caused by the excitation of excitation, which correspond to the resonance frequencies of the tool.
  • the tool adopted for Fig. 4C is different from that assumed for Fig. 2A.
  • the effect is utilized that the mechanical resonance frequencies of the tool caused by the mechanical structure of the transducer transform into the electrical part of the transducer due to general physical laws and become electrically "visible.”
  • the components determining the mechanical vibration determining mass and stiffness have the same effect as transformed electrical vibration determining components capacitance and inductance, which cause resonances that are like those of the mechanical system so that the electrical resonances are the same as the mechanical resonances.
  • FIG. 5 shows schematically the construction of the measuring system.
  • 3 is the converter with the electrical connections 3a and 3b.
  • 51 is a noise generator that generates the signal 41 of FIG. 4A. Via terminals 59, it can be applied to the terminals 3 a, 3 b of the converter 3.
  • a current measuring device for example a shunt (small ballast resistor) 52, which may be connected in series. According to the flowing current drops at the shunt 52 from a voltage that can be tapped and evaluated.
  • 53 may be an A / D converter which converts the voltage measured at the shunt into the digital current corresponding to the transformer current.
  • the sampling frequency of the A / D conversion must be selected with regard to the maximum interest frequency of the measurement signal.
  • the sampling frequency is at least twice the upper limit frequency fgo of the frequency range of interest. For example, if the upper limit frequency fgo is 40 kHz, the sampling frequency of the analog-to-digital conversion would be in the component
  • the maximum sampling frequency is 192 kHz.
  • 54 denotes a memory in which the values derived from the A / D conversion can be stored time-series. Before the analog / digital conversion, a filtering of the measurement signal can take place, for example in such a way that frequencies not of interest (above fgo and keep fgu) are filtered out.
  • 55 symbolizes an analysis device. It may be a device that performs a Fourier analysis over time of the measured signal. The time history may be stored in memory 54 and may correspond to the signal shown in FIG. 4B.
  • the analyzer 55 then provides a signal qualitatively shown in Fig. 4C. Optionally, this signal can be smoothed in a smoothing device 56 and then fed to an evaluation device 57.
  • the evaluation device 57 searches for extremes, which may be maxima or minima depending on the measurement situation. These searched extremes correspond in FIG. 4C to the peaks at the frequencies f ⁇ 1, f02 and f03. These frequency values can be extracted from the course of FIG. 4C as abstract data and are then available to the further process and in particular to the controller 58. They represent, as stated, the mechanical resonance frequencies of the ultrasonic tool on which the tool is advantageously operated.
  • the measurement duration may be comparatively short and less than 1 second, preferably less than 700 milliseconds, more preferably less than 500 milliseconds.
  • the noise signal according to FIG. 4A is applied to the terminals of the ultrasonic tool 10 and the measurement signal is detected, which is then evaluated below.
  • FIG. 6 shows schematically the procedure of the method. After its beginning, said noise is applied to the clamps of the tool 10 in step 61.
  • an electrical quantity at the input of the tool 10 is measured at step 62. It can be the current on the tool.
  • step 63 signal shaping, storage and conversion takes place. If appropriate, bandpass filtering may initially be carried out in such a way that frequency ranges not of interest are filtered out. Further, analog-to-digital conversion can be performed and the results stored.
  • step 64 the frequency analysis, which may be a Fourier analysis, is performed. This may be a discrete Fourier transform or a fast Fourier transform. This analysis can be done digitally. This results in a course of an intensity over the frequency according to FIG. 4C.
  • step 65 the history is evaluated. It can still be done here a smoothing.
  • the evaluation may include the search for extrema, in particular maxima or minima.
  • the frequency position of these extremes can be determined. This frequency position can be stored as an abstract value in step 66 and is then available for further processing.
  • a drive signal for the ultrasonic tool 10 can then be composed.
  • the extrema can be stored together with absolute or relative amplitudes in order to assess their relevance in the determined spectrum.
  • composition of the subsequent drive signal for the ultrasonic tool 10 for processing a workpiece 1 can be compiled according to suitable criteria.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the left-hand part of FIG. 5 (on the left of the clamps 59) is modified.
  • the noise signal from the noise generator 51 can be applied to the terminals 59, or a working signal from a signal generator 71 can be applied.
  • the noise signal from the generator 51 corresponds in its
  • a switch 72 which is actuated by a controller 58, can be switched between the two generators, so that the tool is selectively or alternately applied with measuring purposes serving noise on the one hand and with one or more more or less specific frequencies for workpiece machining on the other hand , Synchronously, a switchover (not shown) takes place in the evaluation the respective results or signals.
  • the Fourier analysis can be performed, with discrete excitation while working the phase angle observation.
  • the operation may, for example, be such that switching takes place between the two generators 51 and 71 in accordance with predetermined criteria.
  • the criterion can be a time criterion (for example, that the tool is re-measured every 5 minutes for one second). In general, the measurement duration can be significantly shorter than the working time.
  • the factor between both may be at least 50, preferably at least 100, more preferably at least 200 or 500.
  • Other criteria can be used as switching criteria, such as feed rate feed force, temperature or a combination of criteria.
  • FIG. 7 shows two separate generators 51, 71 and a switch 72 between them. This can really be implemented in this way. But it can also be the representation of a logical switching.
  • the implementation may be a programmable voltage generator that can selectively discrete frequencies or frequency responses or noise signals. Switching, symbolized by switch 72, then takes place not at the output, but at the input side in the control of the programmable generator so that alternately the generation of a more or less discrete frequency for work purposes or the generation of noise
  • Measuring purposes is controlled. In each case, a current resonant frequency can then be determined in a timely manner and then used in the further course.
  • FIG. 8 shows a relationship which according to the invention can be utilized for force measurement during workpiece machining.
  • Figure 8 is a qualitative diagram of the relationship between feed force F and phase angle wui between current and voltage at the transducer 3.
  • the abscissa shows the force F, the ordinate the phase angle wui.
  • FO For a given force FO, assume a certain phase angle wui 0. If, starting from FO, the feed force changes by ⁇ F, this correspondingly leads to a change ⁇ woi of the phase angle corresponding to the characteristic curve.
  • the characteristic curve may also be decreasing instead of increasing. Accordingly, during workpiece machining, that is to say during the control of the transducer 3 with a signal qualitatively as shown in FIG.
  • the phase between current and voltage at the transducer 3 can be evaluated, in particular the phase change can be determined so as to provide a signal for the force change receive.
  • This signal can then be used for other purposes, such as force control or, since the force change with a Resonant frequency change correlates, for tracking the drive frequency to some extent.
  • phase determination or phase change determination can be made with reference to the output signal of the voltage generator 71 and the current measured, for example, at the shunt 52. It can be done partly or completely in the analogue or digital domain. It can then be made an input to the controller 60, according to which the controller makes further Voranmik.
  • FIG. 9 shows this schematically.
  • 90 is a commercially available sound card that can be inserted via a connector strip 93 in the slot of a PC 96.
  • 91 and 92 are externally accessible ports. These are analogue connections. Terminal 91 is an output, terminal 92 is an input.
  • a / D converters which are located behind the input and the output.
  • 51 and 71 schematically show the output signal generation. It may be digital and optionally generate a frequency discrete signal (during material removal) or a noise signal (during resonant frequency detection) depending on the drive through a sound card controller 94.
  • the signal is converted from the digital to the analog and provided at the output terminal 91. It can be picked up there via a plug, amplified if necessary in a suitable broadband amplifier 95 and then applied to the converter 3.
  • the incoming analog signal that is to say a signal which reproduces, for example, the voltage at shunt 52
  • the incoming analog signal can then optionally be buffered in a buffer 54 and then further processed in accordance with the sound card controller 94.
  • the computer 96 can receive the sound card via the terminal 93, the detected resonant frequencies and, where appropriate, associated intensities, to accordingly generate a frequency-discrete output signal during workpiece machining.
  • the switching between frequency discrete working signal and noisy measurement signal can also be caused by a higher-level control beyond the sound card, ie in the computer 96.
  • the measurement signal can be shaped and processed before it is input to the sound card, for example, by gain or attenuation or impedance conversion is made.
  • the sound card can be used, although the signals considered have nothing to do with sound. At most, signal normalization (amplitude, impedance) may be necessary on the input and output sides. Otherwise, significant activities (generation of a noise signal, generation of a frequency-discrete signal, switching between the two, conversion of an incoming electrical measurement signal) can be made in the soundcard, without the need for specialized components.

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Abstract

The invention relates to a method for operating an ultrasonic tool, wherein a control signal with specific frequency characteristics is applied to the tool and a workpiece is machined using ultrasonic tool. During said machining process, the temporal progression of an electrical variable is determined in the ultrasonic tool as a measuring signal, as are a phase or phase change between the control signal and the measuring signal. A frequency characteristic of the control signal and/or the advance of the tool is controlled according to the result of the analysis.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Frequenzkennlinie und zum Betreiben eines Ultraschallwerkzeugs Method and device for determining the frequency characteristic and for operating an ultrasonic tool
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Frequenzkennlinie und zum Betreiben eines Ultraschallwerkzeugs.The invention relates to a method and an apparatus for determining the frequency characteristic and for operating an ultrasonic tool.
Ein Ultraschallwerkzeug ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. 1 ist ein nur teilweise gezeigtes Werkstück, 2 ein Ultraschallkopf eines Ultraschallwerkzeus 10 und 3 der Treiber desAn ultrasonic tool is shown schematically in FIG. 1 is an only partially shown workpiece, 2 is an ultrasonic head of an ultrasonic workpiece 10 and 3 is the driver of the
Ultraschallwerkzeugs 10. Der Treiber 3 versetzt nach Maßgabe eines an seinen Klemmen 3a, 3b anliegenden elektrischen Signals den Kopf 2 in schwingende Bewegung. Die Schwingung kann translatorisch oder rotatorisch sein. In Fig. 1 kann sie beispielsweise translatorisch längs der Z- Achse oder rotatorisch um die Z-Achse sein. Der Kopf hat eine oder mehrere harte bzw. raue Oberflächen 2a, 2b, 2c, mit denen das Material des zu bearbeitenden Werkstücks letztlich schleifend oder stoßend (Schlagbohrprinzip) abgetragen wird. Der Kopf 2 kann unterschiedlichste Form haben. Anders als die gezeigten flächigen Ausführungsformen der Arbeitsflächen 2 a, 2 b oder 2 c können auch eher spitze oder kantige Ausführungsformen vorgesehen sein, die den schlagenden Abtrag erleichtern.Ultrasonic tool 10. The driver 3 moves in accordance with a signal applied to its terminals 3a, 3b electrical signal head 2 in oscillating motion. The vibration can be translational or rotational. In Fig. 1, for example, it may be translational along the Z axis or rotational about the Z axis. The head has one or more hard or rough surfaces 2a, 2b, 2c, with which the material of the workpiece to be machined is ultimately abraded or pushed (impact drilling principle). The head 2 can have different shapes. Unlike the flat embodiments of the work surfaces shown 2 a, 2 b or 2 c shown may also be provided rather pointed or edged embodiments that facilitate the beating removal.
Die periodische Bewegung des Arbeitskopfs (translatorische oder rotatorische Schwingung) erfolgt in Frequenzbereichen, die Ultraschallfrequenzen aufweisen, also beispielsweise im Bereich über 20 kHz, manchmal auch bis höher als 50 kHz. Es können aber auch tiefer liegende Frequenzen verwendet werden. Die mechanischen Amplituden sind vergleichsweise klein. Der Treiber 3 kann elektromagnetisches Treibsystem sein oder ein Piezosystem, das nach Maßgabe des angelegten elektrischen Signals die gewünschte mechanische Schwingung des Kopfs 2 erzeugt.The periodic movement of the working head (translational or rotary oscillation) takes place in frequency ranges which have ultrasonic frequencies, that is, for example, in the range above 20 kHz, sometimes even higher than 50 kHz. But it can also be used lower frequencies. The mechanical amplitudes are comparatively small. The driver 3 can be an electromagnetic drive system or a piezo system which generates the desired mechanical oscillation of the head 2 in accordance with the applied electrical signal.
Während des Abtrags durch den Kopf 2 wird an die Klemmen 3a, 3b ein Treibersignal (Spannung) angelegt, dessen Frequenz genauer bestimmt ist und insbesondere auf einer Resonanzfrequenz des Kopfs 2 oder in definierter Abweichung davon liegt. Durch Ansteuerung mit der Resonanzfrequenz erreicht man vergleichsweise günstige Schwingungseigenschaften, weil die Amplitude bei gegebenem Eingangssignal vergleichsweise groß ist. Die mechanischen Resonanzfrequenzen des Kopfs ergeben sich aus dessen inhärenter Masse und Steifigkeit. Da ein Kopf 2 ein vergleichsweise komplexes Gebilde sein kann, können auch mehrere voneinander unabhängige Resonanzfrequenzen, zusammen mit jeweils Harmonischen dazu, entstehen.During the removal by the head 2, a drive signal (voltage) is applied to the terminals 3a, 3b, the frequency of which is determined more accurately and in particular lies at a resonance frequency of the head 2 or in a defined deviation thereof. By driving with the resonant frequency to achieve comparatively favorable vibration characteristics, because the amplitude is relatively large for a given input signal. The mechanical resonance frequencies of the head result from its inherent mass and rigidity. Since a head 2 can be a comparatively complex structure, it is also possible for a plurality of mutually independent resonant frequencies, together with respective harmonics, to arise.
Figur 2 zeigt die Verhältnisse schematisch. Figur 2A ist derFIG. 2 shows the relationships schematically. Figure 2A is the
Amplitudenverlauf der Werkzeugschwingung bei einer bestimmten Anregungsfrequenz. Die Abszisse stellt die Anregungsfrequenz dar, die Ordinate die mechanische Amplitude der Schwingung in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Abszisse ist logarithmisch geteilt. Der beispielhaft angenommene Verlauf weist einige Resonanzen fθl, fO2 und fO3 auf. Die Frequenz fθl sei beispielsweise 31 kHz, fO2 kann eine Harmonische dazu sein von 62 kHz, die Frequenz fO3 kann eine unabhängige Resonanzfrequenz von zum Beispiel 70 kHz sein. Figur 2B zeigt das während des Arbeitsvorgangs an den Treiber 3 angelegte Spannungssignal in seinem Frequenzverlauf. Es hat zwei diskrete Frequenzen an den Resonanzfrequenzen fθ 1 und fO2, so dass das Werkzeug an zwei seiner mechanischenAmplitude curve of the tool vibration at a certain excitation frequency. The abscissa represents the excitation frequency, the ordinate the mechanical amplitude of the oscillation as a function of the frequency. The abscissa is logarithmically divided. The example assumed curve has some resonances fθl, fO2 and fO3. For example, the frequency fθl may be 31 kHz, fO2 may be a harmonic of 62 kHz, the frequency fO3 may be an independent resonance frequency of, for example, 70 kHz. FIG. 2B shows the voltage signal applied to the driver 3 during the working process in its frequency characteristic. It has two discrete frequencies at the resonant frequencies fθ 1 and fO2, giving the tool two of its mechanical
Resonanzfrequenzen angeregt wird und dementsprechend stark schwingt. Es wird darauf hingewiesen, dass allgemein das Ansteuersignal während des Abtrags eine oder mehrere Resonanzfrequenzen und gegebenenfalls weitere Signalkomponenten aufweisen kann. Beispielsweise könnte das Signal der Fig. 2B auch nur eine oder auch alle der Frequenzen fOl, fO2 und fO3 aufweisen. Das Ansteuersignal kann, muss aber nicht die niedrigste Resonanzfrequenz und/ oder die mit dem größten Maximum als Signalkomponente aufweisen.Resonant frequencies is excited and accordingly vibrates strongly. It should be noted that, in general, the drive signal during the removal may have one or more resonance frequencies and possibly further signal components. For example, the signal of FIG. 2B could also have only one or all of the frequencies fO1, fO2 and fO3. The drive signal may, but need not, have the lowest resonant frequency and / or the largest maximum signal component.
Der Frequenzgang der Fig. 2A wird vor Beginn der Arbeit mit dem Werkzeug bestimmt. Hierfür wird an die Klemmen 3a, 3b des Wandlers 3 eine eigens vorgesehene Messapparatur angeschlossen, mit der ein Signal einer im interessierenden Frequenzbereich durchstimmbaren Frequenz an den Treiber 3 angelegt werden kann, die das Messen eines korrespondierenden elektrischen Signals an den Klemmen erlaubt. Beispielsweise wird ein Signal einer konstanten Amplitude mit allmählich veränderlicher Frequenz angelegt, und es wird der Strom zum Treiber 3 gemessen. Die Resonanzfrequenzen der Fig. 2A bilden sich deutlich im gemessenen (Strom-)Verlauf ab, so dass die Frequenzen der Extrema (Maxima oder Minima) des gemessenen Verlaufs als die Resonanzfrequenz fOl, fO2, fO3 ... genommen werden können. Der Bediener der Maschine ermittelt auf diese Weise die Resonanzfrequenzen des Kopfs 2 und stellt dann den Signalgenerator zum Ansteuern des Treibers entsprechend ein.The frequency response of Fig. 2A is determined prior to starting work with the tool. For this purpose, a specially provided measuring apparatus is connected to the terminals 3a, 3b of the converter 3, with which a signal of a frequency tunable in the frequency range of interest can be applied to the driver 3, which allows the measurement of a corresponding electrical signal at the terminals. For example, a constant-amplitude signal of a gradually varying frequency is applied, and the current to the driver 3 is measured. The resonance frequencies of FIG. 2A are clearly reflected in the measured (current) profile, so that the frequencies of the extrema (maxima or minima) of the measured profile can be taken as the resonance frequency f01, f02, f03 .... The operator of the machine determines this Set the resonance frequencies of the head 2 and then adjust the signal generator to drive the driver accordingly.
Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass es zeitaufwändig ist und geschultes Personal erfordert. Das Personal muss letztlich den Umgang mit elektrischen oder elektronischen Messgeräten und Generatoren beherrschen und muss Systemeinstellungen an der Maschine vornehmen können. Darüber hinaus dauert die Ermittlung lange.Disadvantage of this method is that it is time consuming and requires trained personnel. Ultimately, personnel must be familiar with the handling of electrical or electronic measuring instruments and generators and must be able to make system adjustments to the machine. In addition, the investigation takes a long time.
Besonders gravierend werden diese Nachteile merklich, wenn bedacht wird, dass die ermittelte Resonanzfrequenz eines Werkzeugs sich während des Betriebs ändern kann. Beispielsweise kann sie wegen Werkzeugabnutzung und damit einher- gehender kleinerer Masse höher werden oder wegen im Werkzeug festgesetzter Späne und damit höherer Masse niedriger. Auch kann sich die Temperatur ändern (erhöhen), so dass dementsprechend eine Dimensionsänderung (Ausdehnung, Vergrößerung) des Werkzeugs 2 stattfindet, so dass sich dementsprechend die Resonanzfrequenz ändert. Auch kann die Resonanzfrequenz von der Kraft zwischen Werkzeug 2 und Werkstück 1 und damit letztlich auch von der Vortriebsgeschwindigkeit, die für das Werkzeug aufgebracht wird, abhängen. Schematisch sind diese Effekte in Fig. 3 gezeigt. Die Abszisse kann die Vorschubkraft F oder die Werkzeugtemperatur T sein. Die Ordinate ist die davon abhängige Resonanzfrequenz fo. Kurve 31 zeigt die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz fθ von der Temperatur T, also fO(T). Kurve 32 zeigt die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz fo von der Vorschubkraft F, also fO(F). Die Verläufe sind nicht konstant. Es ist weiterhin schwierig, sie vorherzusagen. Für unterschiedliche Resonanzfrequenzen fθl, fO2 können die die Verläufe qualitativ und/ oder quantitativ unterschiedlich sein. Die einzelnen Einflussgrößen können sich überlagern.Particularly serious, these disadvantages become noticeable, if it is considered that the determined resonant frequency of a tool can change during operation. For example, because of tool wear and the associated smaller mass, it can become higher or lower due to chips set in the tool and thus higher mass. Also, the temperature may change (increase), so that, accordingly, a dimensional change (expansion, enlargement) of the tool 2 takes place, so that the resonance frequency changes accordingly. Also, the resonant frequency of the force between tool 2 and workpiece 1 and thus ultimately also on the propulsion speed, which is applied for the tool depend. Schematically, these effects are shown in FIG. The abscissa may be the feed force F or the tool temperature T. The ordinate is the resonance frequency fo dependent thereon. Curve 31 shows the dependence of the resonance frequency fθ on the temperature T, ie f0 (T). Curve 32 shows the dependence of the resonance frequency fo on the feed force F, that is fO (F). The Gradients are not constant. It is still difficult to predict. For different resonance frequencies fθ1, f02, the gradients can be qualitatively and / or quantitatively different. The individual influencing factors can overlap.
Letztlich führen die beschriebenen Effekte dazu, dass im Laufe des Betriebs des Werkzeugs sich die Resonanzfrequenz in nicht vorhersagbarer Weise ändert, so dass die anfänglich vorgenommene Resonanzfrequenz-Messung die wahren Verhältnisse nicht mehr richtig wiedergibt. Es muss dann aufwändig abermals wie beschrieben die Resonanzfrequenz bestimmt werden, um neue Einstellungen vornehmen zu können. Je nach Beschaffenheit des Werkstücks und des Werkzeugs und in Abhängigkeit von anderen Parametern kann dies somit zu deutlichem Nachjustieraufwand für die Resonanzfrequenzen während der Arbeit führen.Ultimately, the effects described cause the resonant frequency to change unpredictably as the tool operates, so that the initial resonant frequency measurement no longer accurately reflects the true ratios. It must then laboriously again as described, the resonance frequency can be determined to make new settings. Depending on the nature of the workpiece and the tool and in dependence on other parameters, this can thus lead to significant Nachjustieraufwand for the resonance frequencies during work.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Frequenzkennlinie und zum Betreiben eines elektrisch ansteuerbaren Ultraschallwerkzeugs anzugeben, die eine schnelle und einfache Ermittlung von Frequenzparametern des Werkzeugs zulassen.The object of the invention is to provide a method and a device for determining the frequency characteristic and for operating an electrically controllable ultrasonic tool, which allow a quick and easy determination of frequency parameters of the tool.
Ein maßgeblicher Parameter für die Steuerung des Ultraschallwerkzeugs bzw. der gesamten Ultraschallmaschine ist die Vorschubgeschwindigkeit bzw. die Vorschubkraft. Diese wird bisher durch geeignete Messeinrichtungen gemessen, beispielsweise durch eine Kraftmessdose (mit Dehnungsmess- streifen und/oder Piezoelementen oder ähnlichem), und das so entstandene Signal wird einer Steuerung zur weiteren Auswertung und Veranlassung zugeführt.A significant parameter for the control of the ultrasonic tool or the entire ultrasonic machine is the feed rate or the feed force. This has hitherto been measured by suitable measuring devices, for example by a load cell (with strain gauges). strip and / or piezoelectric elements or the like), and the resulting signal is fed to a controller for further evaluation and instigation.
Nachteil dieses Ansatzes ist es, dass im mechanischen Teil ein Messaufnehmer vorgesehen werden muss, was vergleichsweise aufwändig ist.Disadvantage of this approach is that in the mechanical part of a sensor must be provided, which is relatively expensive.
Aufgabe der Erfindung insoweit ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine einfache Erfassung der Vorschubkraft bzw. ihrer Änderung ermöglichen.The object of the invention in this respect is to provide a method and a device that allow easy detection of the feed force or its change.
Ganz allgemein erfolgt bisher die Ansteuerung von Ultraschallwerkzeugen 10 (insbesondere des Wandlers 3 des Werkzeugs 10) durch spezialisierte Komponenten. Gleiches gilt für dieIn general, so far the control of ultrasonic tools 10 (in particular of the transducer 3 of the tool 10) by specialized components. The same applies to the
Rückführung von womöglich gewonnenen Messsignalen. Dieses ist nachteilig, da die genannten Komponenten vergleichsweise seltene Produkte und deshalb teuer sind.Return of possibly obtained measurement signals. This is disadvantageous, since the components mentioned comparatively rare products and therefore are expensive.
Insoweit ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine einfache Ansteuervorrichtung für das Ultraschallwerkzeug 10 anzugeben.In that regard, it is a further object of the invention to provide a simple drive device for the ultrasonic tool 10.
Die genannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.The above objects are achieved with the features of the independent claims. Dependent claims are directed to preferred embodiments of the invention.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Frequenzkennlinie eines elektrisch ansteuerbaren Ultraschallwerkzeugs hat die Schritte Anlegen eines elektrischen Rauschsignals als Ansteuersignal an das Werkzeug, Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe am Ultraschallwerkzeug als Messsignal, Durchführen einer Frequenzanalyse im gemessenen Verlauf und Bestimmen der Frequenzkennlinie anhand des Analyseergebnisses.A method for determining the frequency characteristic of an electrically controllable ultrasonic tool has the steps of applying an electrical noise signal as a drive signal the tool, measuring the time course of an electrical variable on the ultrasonic tool as a measurement signal, performing a frequency analysis in the measured course and determining the frequency characteristic based on the analysis result.
Das Rauschsignal kann vergleichsweise kurzzeitig an das Werkzeug angelegt werden. Das Messen, die Durchführung der Frequenzanalyse und die Bestimmung der Frequenzkennlinie können bezugnehmend auf das gemessene Messsignal automa- tisch erfolgen, so dass eine Vereinfachung der Bestimmung der Frequenzkennlinie erreicht ist. Das Rauschsignal kann ein Spannungssignal sein, das Messsignal ein Stromsignal. Die Frequenzanalyse kann eine Fourieranalyse sein, die als Ergebnis den Verlauf der Intensität über der Frequenz liefert. In diesem Verlauf kann dann nach Extrema gesucht werden. Die Frequenzen der Extrema sind die Resonanzfrequenzen des Werkzeugs.The noise signal can be applied to the tool for a relatively short time. The measurement, the performance of the frequency analysis and the determination of the frequency characteristic can be carried out automatically with reference to the measured signal measured, so that a simplification of the determination of the frequency characteristic is achieved. The noise signal may be a voltage signal, the measurement signal a current signal. The frequency analysis may be a Fourier analysis which as a result gives the progression of the intensity over the frequency. You can then search for extremes in this process. The frequencies of the extrema are the resonant frequencies of the tool.
Weiterhin kann während des Betriebs des Ultraschallwerkzeugs (also während der Werkstückbearbeitung) der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung am Ultraschallwerkzeug bzw. dessen Änderung gemessen werden. Der Winkel und seine Änderung hängt eindeutig von der Vorschubkraft bzw. deren Änderung ab. Man gewinnt dadurch ein Maß für die Vorschubkraft bzw. deren Änderung. Man kann das gewonnene Signal zur Nachführung oder Einstellung der Vorschub kraft und auch für die Nachführung der Ansteuerfrequenz verwenden, denn letztere korreliert ihrerseits mit der Vorschubkraft. Auf diese Weise ist es nicht mehr notwendig, im mechanischen Teil der Maschine eine Kraftmessdose für die Vorschubkraft vorzusehen. Vielmehr kann man die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Vorschubkraft nutzen, um ein die Kraft bzw. Kraftänderung anzeigendes Signal herzuleiten, das dann weiter verwendet werden kann.Furthermore, during operation of the ultrasonic tool (ie during workpiece machining), the phase angle between current and voltage on the ultrasonic tool or its change can be measured. The angle and its change clearly depends on the feed force or its change. This gives a measure of the feed force or its change. You can use the signal obtained for tracking or adjusting the feed force and also for the tracking of the drive frequency, because the latter correlates in turn with the feed force. In this way, it is no longer necessary to provide a load cell for the feed force in the mechanical part of the machine. Rather, one can use the dependence of the resonance frequency of the feed force to derive a force or force change indicating signal, which can then be used.
Es hat sich im Übrigen gezeigt, dass es nicht notwendig ist, ein Ultraschallwerkzeug mit spezialisierten Komponenten anzusteuern. Vielmehr kann man eine handelsübliche Soundkarte dafür verwenden, wie sie als Massenware für PCs gehandelt werden. Handelsübliche Soundkarten können eingangs- wie ausgangsseitig Signale mit 192 kHz Abtastfrequenz (entspr. 96 kHz Nutzfrequenz) verarbeiten. Der Audioausgang kann zur Ansteuerung des Werkzeugs verwendet werden, gegebenenfalls noch mit einem zwischengeschalteten Verstärker oder Impedanzwandler, während der Audioeingang zur Erfassung des elektrischen Messsignals verwendet werden kann. Auch hier kann eine vorgelagerte Amplituden- oder Impedanzeinstellung (V erstärkung oder auch Dämpfung, Impendanzwandlung) vorgesehen sein. Über dem Anschluss der Soundkarte zum Rechner können die einzelnen Funktionen eingangsseitig wie ausgangsseitig eingestellt und abgerufen werden.It has also been found that it is not necessary to control an ultrasonic tool with specialized components. Rather, you can use a commercially available sound card for how they are traded as mass-produced PCs. Commercially available sound cards can process signals with 192 kHz sampling frequency (corresponding to 96 kHz useful frequency) on the input and output side. The audio output can be used to control the tool, optionally with an intermediate amplifier or impedance converter, while the audio input can be used to acquire the electrical measurement signal. Again, an upstream amplitude or impedance setting (V amplification or damping, Impendanzwandlung) may be provided. By connecting the sound card to the computer, the individual functions can be set on the input side as well as on the output side.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen werden nachfolgend einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, es zeigenReferring to the drawings, individual embodiments of the invention will be described below
Fig. 1 schematisch ein Ultraschallwerkzeug an einemFig. 1 shows schematically an ultrasonic tool on a
Werkstück, Fig. 2 ein Beispiel von mechanischen Resonanzfrequenzen und elektrischer Ansteuerung desWorkpiece, 2 shows an example of mechanical resonance frequencies and electrical control of the
Ultraschallwerkzeugs,Ultrasonic tool
Fig. 3 qualitativ die Abhängigkeiten von Resonanzfrequenzen,3 qualitatively the dependencies of resonance frequencies,
Fig. 4 mehrere Kennlinien und Verläufe,4 shows several characteristics and courses,
Fig. 5 schematisch den Aufbau einer Messvorrichtung,5 schematically shows the structure of a measuring device,
Fig. 6 ein schematische s Flussdiagramm des Messverfahrens,6 shows a schematic s flowchart of the measuring method,
Fig. 7 eine Erweiterung des Aufbaus der Figur 5,7 shows an extension of the construction of FIG. 5,
Fig. 8 die Abhängigkeit zwischen Vorschubkraft undFig. 8 shows the dependence between feed force and
Phasenwinkel, undPhase angle, and
Fig. 9 schematisch eine verwendete Soundkarte samt näherer elektrischer Umgebung.9 shows schematically a sound card used together with a closer electrical environment.
Allgemein gilt, dass in dieser Beschreibung gleiche Bezugsziffern gleiche Komponenten bedeuten.In general, the same reference numerals in this description mean the same components.
Figur 4 zeigt Signale und Verläufe, die bei der erfindungsgemäßen Bestimmung der Resonanzfrequenz(en) des Ultraschallwerkzeugs 2 entstehen können bzw. relevant sind. Figur 4 A zeigt das Spektrum (Intensität über Frequenz) eines an die Klemmen 3a, 3b des Wandlers 3 des Werkzeugs 10 angelegtes Signal. Es handelt sich um ein von einem Generator erzeugtes Rauschsignal, das den interessierenden Frequenzbereich abdeckt. Der interessierende Frequenzbereich ist durch eine untere Grenzfrequenz fgu und durch eine obere Grenzfrequenz fgo beschrieben. Die untere Grenzfrequenz fgu kann größer oder kleiner oder gleich 2 kHz oder 5 kHz oder 10 kHz oder 20 kHz sein. Die obere Grenzfrequenz fgo kann größer oder kleiner oder gleich 40 kHz oder 60 kHz oder 80 kHz oder 96 kHz sein. Allgemein können auch Frequenzen unterhalb des Ultraschallbereichs noch von Interesse sein und somit in die Messung bzw. Auswertung einbezogen werden.FIG. 4 shows signals and courses which may arise or are relevant in the determination according to the invention of the resonance frequency (s) of the ultrasonic tool 2. FIG. 4 A shows the spectrum (intensity versus frequency) of a signal applied to the terminals 3 a, 3 b of the converter 3 of the tool 10. It deals is a noise signal generated by a generator that covers the frequency range of interest. The frequency range of interest is described by a lower limit frequency fgu and by an upper limit frequency fgo. The lower limit frequency fgu may be greater than or less than or equal to 2 kHz or 5 kHz or 10 kHz or 20 kHz. The upper limit frequency fgo may be greater than or less than or equal to 40 kHz or 60 kHz or 80 kHz or 96 kHz. In general, frequencies below the ultrasonic range may also be of interest and thus included in the measurement or evaluation.
Das Rauschsignal 41 hat einen geeigneten Intensitätsverlauf über der Frequenz. Vorzugsweise ist er im interessierenden Frequenzbereich bekannt und einigermaßen konstant bzw. so, dass sich kleinste Amplitude von größter Amplitude um nicht mehr als 50 %, vorzugsweise 10 %, voneinander unterscheiden. Vorzugsweise hat das Rauschsignal keine starken Maxima an bestimmten Frequenzen. Das zeitveränderliche Signal, dessen Spektrum in Fig. 4A gezeigt ist, wird an die Klemmen 3a, 3b des Werkzeugs 10 angelegt.The noise signal 41 has a suitable intensity profile over the frequency. Preferably, it is known in the frequency range of interest and reasonably constant or such that the smallest amplitude of the largest amplitude differ by not more than 50%, preferably 10%, from each other. Preferably, the noise signal has no strong maxima at certain frequencies. The time-varying signal whose spectrum is shown in FIG. 4A is applied to the terminals 3 a, 3 b of the tool 10.
Die Fig. 4B zeigt einen zeitlichen Verlauf. Die Abszisse zeigt Millisekunden, die Ordinate eine Intensität. Es kann sich hier um den Strom in den Wandler 3 hinein handeln. Es wird angenommen, dass die das Signal verursachende Spannung zum Zeitpunkt 0 angelegt wird und zum Zeitpunkt 500 Millisekunden wieder abgeschaltet wird.. Das Signal der Figur 4B kann gleichermaßen als Darstellung der (oben erwähnten) Eingangsspannung über der Zeit wie auch des Eingangsstrom über der Zeit angesehen werden. Die Spannung kann das vom Generator gelieferte Signal sein, während der Strom sich aufgrund der Reaktanz des Wandlers nach Maßgabe der angelegten Spannung ergibt. Der Zeitverlauf des Messsignals ist wenig aussagekräftig.Fig. 4B shows a time course. The abscissa shows milliseconds, the ordinate an intensity. This may be the current in the converter 3. It is assumed that the voltage causing the signal is applied at time 0 and is switched off again at 500 milliseconds. The signal of Figure 4B can equally be considered as representing the (above-mentioned) input voltage over time as well as the input current over time. The voltage may be the signal provided by the generator while the current is due to the reactance of the converter in accordance with the applied voltage. The time course of the measuring signal is not very meaningful.
Figur 4C zeigt ein exemplarisches Spektrum des Wandlerstroms. Es ist der in den Frequenzbereich transformierte Zeitverlauf des Eingangsstroms. Das aus dem Zeitverlauf des Messsignals hergeleitete Spektrum ist sehr aussagekräftig. Beispielhaft angenommen ist ein erstes Maximum bei einer Frequenz fOl bei ca. 22 kHz, ein zweites Maximum bei einer Frequenz fO2 bei ca. 25 kHz und eine Harmonische dazu bei fO3 gleich 50 kHz. DerFIG. 4C shows an exemplary spectrum of the converter current. It is the transformed in the frequency domain time course of the input current. The spectrum derived from the time course of the measurement signal is very meaningful. By way of example, assume a first maximum at a frequency fOl at about 22 kHz, a second maximum at a frequency fO2 at about 25 kHz and a harmonic to fO3 equal to 50 kHz. Of the
Verlauf der Kurve C hat verschiedene, durch die Rauschanregung gleichzeitig hervorgerufene Schwingungsmaxima, die den Resonanzfrequenzen des Werkzeugs entsprechen. Das für Fig. 4C angenommene Werkzeug ist ein anderes als das für Fig. 2 A angenommene. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die durch den mechanischen Aufbau des Wandlers bedingten mechanischen Resonanzfrequenzen des Werkzeugs sich aufgrund allgemeiner physikalischer Gesetze in den elektrischen Teil des Wandlers hinein transformieren und dort elektrisch „sichtbar" werden. Die mechanisch schwingungsbestimmenden Komponenten Masse und Steifigkeit wirken transformiert wie elektrisch schwingungsbestimmende Komponenten Kapazität und Induktivität. Diese bewirken Resonanzen, die sich wie diejenigen des mechanischen Systems verhalten, so dass die elektrischen Resonanzen die gleichen sind wie die mechanischen Resonanzen.The course of the curve C has different oscillation maxima caused by the excitation of excitation, which correspond to the resonance frequencies of the tool. The tool adopted for Fig. 4C is different from that assumed for Fig. 2A. In this case, the effect is utilized that the mechanical resonance frequencies of the tool caused by the mechanical structure of the transducer transform into the electrical part of the transducer due to general physical laws and become electrically "visible." The components determining the mechanical vibration determining mass and stiffness have the same effect as transformed electrical vibration determining components capacitance and inductance, which cause resonances that are like those of the mechanical system so that the electrical resonances are the same as the mechanical resonances.
Figur 5 zeigt schematisch den Aufbau des Messsystems. 3 ist der Wandler mit den elektrischen Anschlüssen 3a und 3b. 51 ist ein Rauschgenerator, der das Signal 41 der Fig. 4A erzeugt. Über Klemmen 59 kann er an die Klemmen 3a, 3b des Wandlers 3 angelegt werden. Es kann eine Strommeßvorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise ein Shunt (kleiner Vorschaltwiderstand) 52, der seriell zwischengeschaltet sein kann. Entsprechend dem fließenden Strom fällt am Shunt 52 eine Spannung ab, die abgegriffen und ausgewertet werden kann. 53 kann ein A/ D- Wandler sein, der die am Shunt gemessene, dem Wandlerstrom entsprechende Spannung ins Digitale wandelt. Die Abtastfrequenz der A/D-Wandlung muss dabei im Hinblick auf die maximal interessierende Frequenz des Messsignals gewählt werden. Bevorzugt ist die Abtastfrequenz mindestens das Doppelte der oberen Grenzfrequenz fgo des interessierenden Frequenzbereichs. Wenn die obere Grenzfrequenz fgo beispielsweise 40 kHz, wäre die Abtastfrequenz der Analog/ Digital- Wandlung in der KomponenteFIG. 5 shows schematically the construction of the measuring system. 3 is the converter with the electrical connections 3a and 3b. 51 is a noise generator that generates the signal 41 of FIG. 4A. Via terminals 59, it can be applied to the terminals 3 a, 3 b of the converter 3. There may be provided a current measuring device, for example a shunt (small ballast resistor) 52, which may be connected in series. According to the flowing current drops at the shunt 52 from a voltage that can be tapped and evaluated. 53 may be an A / D converter which converts the voltage measured at the shunt into the digital current corresponding to the transformer current. The sampling frequency of the A / D conversion must be selected with regard to the maximum interest frequency of the measurement signal. Preferably, the sampling frequency is at least twice the upper limit frequency fgo of the frequency range of interest. For example, if the upper limit frequency fgo is 40 kHz, the sampling frequency of the analog-to-digital conversion would be in the component
53 mindestens 80 kHz. Bei fgo = 96 kHz ist die maximale Abtastfrequenz 192 kHz.53 at least 80 kHz. At fgo = 96 kHz, the maximum sampling frequency is 192 kHz.
54 bezeichnet einen Speicher, in dem die der A/ D-Wandlung entstammende Werte zeitseriell abgelegt werden können. Vor der Analog/ Digital- Wandlung kann eine Filterung des Messsignals erfolgen, beispielsweise derart, dass nicht interessierende Frequenzen (oberhalb fgo und unterhalt fgu) herausgefiltert werden. 55 symbolisiert eine Analyseeinrichtung. Es kann sich hier um eine Einrichtung handeln, die eine Fourieranalyse im Zeitverlauf des gemessenen Signals vornimmt. Der Zeitverlauf kann im Speicher 54 abgelegt sein und kann dem in Fig. 4B gezeigten Signal entsprechen. Die Analyseeinrichtung 55 liefert dann ein Signal, das qualitativ in Fig. 4C gezeigt ist. Gegebenenfalls kann dieses Signal noch in einer Glättungseinrichtung 56 geglättet werden und dann einer Auswertungseinrichtung 57 zugeführt werden.54 denotes a memory in which the values derived from the A / D conversion can be stored time-series. Before the analog / digital conversion, a filtering of the measurement signal can take place, for example in such a way that frequencies not of interest (above fgo and keep fgu) are filtered out. 55 symbolizes an analysis device. It may be a device that performs a Fourier analysis over time of the measured signal. The time history may be stored in memory 54 and may correspond to the signal shown in FIG. 4B. The analyzer 55 then provides a signal qualitatively shown in Fig. 4C. Optionally, this signal can be smoothed in a smoothing device 56 and then fed to an evaluation device 57.
Die Auswertungseinrichtung 57 sucht nach Extrema, die je nach Messsituation Maxima oder Minima sein können. Diese gesuchten Extrema entsprechen in der Fig. 4C den Spitzen an der Frequenz fθl, fO2 und fO3. Diese Frequenzwerte können aus dem Verlauf der Fig. 4C als abstrakte Daten extrahiert werden und stehen dann dem weiteren Prozess und insbesondere der Steuerung bzw. Regelung 58 zur Verfügung. Sie repräsentieren, wie gesagt, die mechanischen Resonanzfrequenzen des Ultraschallwerkzeugs, an denen das Werkzeug vorteilhafterweise betrieben wird.The evaluation device 57 searches for extremes, which may be maxima or minima depending on the measurement situation. These searched extremes correspond in FIG. 4C to the peaks at the frequencies fθ1, f02 and f03. These frequency values can be extracted from the course of FIG. 4C as abstract data and are then available to the further process and in particular to the controller 58. They represent, as stated, the mechanical resonance frequencies of the ultrasonic tool on which the tool is advantageously operated.
Die Messdauer kann vergleichsweise kurz sein und weniger als 1 Sekunde, vorzugsweise weniger 700 Millisekunden, weiter vorzugsweise weniger als 500 Millisekunden betragen. Während dieser Zeitdauer wird das Rauschsignal gemäß Figur 4A an die Klemmen des Ultraschallwerkzeugs 10 angelegt und das Messsignal erfasst, das dann im Folgenden ausgewertet wird. Figur 6 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens. Nach seinem Beginn wird im Schritt 61 das genannte Rauschen an die Klemmen des Werkzeugs 10 angelegt.The measurement duration may be comparatively short and less than 1 second, preferably less than 700 milliseconds, more preferably less than 500 milliseconds. During this period of time, the noise signal according to FIG. 4A is applied to the terminals of the ultrasonic tool 10 and the measurement signal is detected, which is then evaluated below. FIG. 6 shows schematically the procedure of the method. After its beginning, said noise is applied to the clamps of the tool 10 in step 61.
Logisch betrachtet danach, aber praktisch gleichzeitig, wird im Schritt 62 eine elektrische Größe am Eingang des Werkzeugs 10 gemessen. Es kann sich um den Strom am Werkzeug handelt.Logically thereafter, but virtually simultaneously, an electrical quantity at the input of the tool 10 is measured at step 62. It can be the current on the tool.
In Schritt 63 erfolgt die Signalformung, -speicherung und -wande- lung. Es kann zunächst gegebenenfalls eine Bandpassfilterung derart vorgenommen werden, dass nicht interessierende Frequenzbereiche herausgefiltert werden. Weiter kann eine Analog/ Digital- Wandlung vorgenommen werden, und die Ergebnisse können gespeichert werden.In step 63, signal shaping, storage and conversion takes place. If appropriate, bandpass filtering may initially be carried out in such a way that frequency ranges not of interest are filtered out. Further, analog-to-digital conversion can be performed and the results stored.
Im Schritt 64 erfolgt die Frequenzanalyse, die eine Fourieranalyse sein kann. Es kann sich hier um eine diskrete Fouriertransformation handeln oder um eine schnelle Fouriertransformation. Diese Analyse kann digital ausgeführt werden. Es ergibt sich dann ein Verlauf einer Intensität über der Frequenz entsprechend Fig. 4C.In step 64, the frequency analysis, which may be a Fourier analysis, is performed. This may be a discrete Fourier transform or a fast Fourier transform. This analysis can be done digitally. This results in a course of an intensity over the frequency according to FIG. 4C.
Im Schritt 65 wird der Verlauf ausgewertet. Es kann hier noch eine Glättung erfolgen. Die Auswertung kann die Suche nach Extrema, insbesondere Maxima oder Minima, enthalten. Es kann die Frequenzlage dieser Extrema ermittelt werden. Diese Frequenzlage kann im Schritt 66 als abstrakter Wert gespeichert werden und steht dann der weiteren Verarbeitung zur Verfügung.In step 65, the history is evaluated. It can still be done here a smoothing. The evaluation may include the search for extrema, in particular maxima or minima. The frequency position of these extremes can be determined. This frequency position can be stored as an abstract value in step 66 and is then available for further processing.
Insbesondere kann dann bezugnehmend auf die gespeicherten Extrema ein Ansteuersignal für das Ultraschallwerkzeug 10 komponiert werden. Die Extrema können zusammen mit absoluten oder relativen Amplituden gespeichert werden, um ihre Relevanz im ermittelten Spektrum beurteilen zu können.In particular, with reference to the stored extrema, a drive signal for the ultrasonic tool 10 can then be composed. The extrema can be stored together with absolute or relative amplitudes in order to assess their relevance in the determined spectrum.
Wenn mehrere Extrema vorhanden sind, kann nach geeigneten Kriterien die Komposition des nachfolgenden Ansteuersignals für das Ultraschallwerkzeug 10 zum Bearbeiten eines Werkstücks 1 zusammengestellt werden.If there are several extremes, the composition of the subsequent drive signal for the ultrasonic tool 10 for processing a workpiece 1 can be compiled according to suitable criteria.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der der linke Teil der Fig. 5 (links der Klemmen 59) modifiziert ist. An die Klemmen 59 kann wahlweise das Rauschsignal vom Rauschgenerator 51 angelegt werden oder ein Arbeitssignal aus einem Signalgenerator 71. Das Rauschsignal aus dem Generator 51 entspricht in seinemFIG. 7 shows an embodiment in which the left-hand part of FIG. 5 (on the left of the clamps 59) is modified. Optionally, the noise signal from the noise generator 51 can be applied to the terminals 59, or a working signal from a signal generator 71 can be applied. The noise signal from the generator 51 corresponds in its
Spektrum denjenigen der Fig. 4A. Das Signal aus dem Generator 71 entspricht in seinem Spektrum denjenigen der Fig. 2B. Mittels eines Schalters 72, der von einer Steuerung 58 betätigt wird, kann zwischen den beiden Generatoren umgeschaltet werden, so dass das Werkzeug wahlweise bzw. abwechselnd mit Messzwecken dienendem Rauschen einerseits und mit einer oder mehreren mehr oder minder bestimmten Frequenzen für die Werkstückbearbeitung andererseits beaufschlagt wird. Synchron dazu erfolgt eine (nicht gezeigte) Umschaltung in der Auswertung der jeweiligen Ergebnisse bzw. Signale. Bei Rauschanregung kann die Fourieranalyse vorgenommen werden, bei diskreter Anregung während des Arbeitens die Phasenwinkelbeobachtung.Spectrum that of Fig. 4A. The signal from the generator 71 corresponds in its spectrum to that of FIG. 2B. By means of a switch 72, which is actuated by a controller 58, can be switched between the two generators, so that the tool is selectively or alternately applied with measuring purposes serving noise on the one hand and with one or more more or less specific frequencies for workpiece machining on the other hand , Synchronously, a switchover (not shown) takes place in the evaluation the respective results or signals. In the case of noise excitation, the Fourier analysis can be performed, with discrete excitation while working the phase angle observation.
Der Betrieb kann beispielsweise so sein, dass nach Maßgabe vorbestimmter Kriterien zwischen den beiden Generatoren 51 und 71 umgeschaltet wird. Das Kriterium kann ein Zeitkriterium sein (beispielsweise dahingehend, dass alle 5 Minuten für eine Sekunde das Werkzeug neu vermessen wird). Allgemein kann die Messdauer wesentlich kürzer sein als die Arbeitsdauer. Der Faktor zwischen beiden kann mindestens 50, vorzugsweise mindestens 100, weiter vorzugsweise mindestens 200 oder 500, sein. Auch können andere Kriterien als Umschaltkriterien herangezogen werden, etwa Vorschubgeschwindigkeit Vorschubkraft, Temperatur oder eine Kombination der Kriterien.The operation may, for example, be such that switching takes place between the two generators 51 and 71 in accordance with predetermined criteria. The criterion can be a time criterion (for example, that the tool is re-measured every 5 minutes for one second). In general, the measurement duration can be significantly shorter than the working time. The factor between both may be at least 50, preferably at least 100, more preferably at least 200 or 500. Also other criteria can be used as switching criteria, such as feed rate feed force, temperature or a combination of criteria.
Auf diese Weise wird es möglich, durch einen zeitlich kaum ins Gewicht fallenden kurzen Messzyklus aktuelle Resonanzfrequenzwerte einzuholen und diese dann im folgenden Verlauf einzustellen, um auf deren Grundlage das Werkstück weiter optimal bearbeiten zu können.In this way, it becomes possible to obtain current resonance frequency values by means of a short measurement cycle which has little time impact, and then to adjust these in the following course in order to be able to optimally process the workpiece on the basis of this.
Es wird darauf hingewiesen, dass Fig. 7 zwei getrennte Generatoren 51, 71 und einen Umschalter 72 zwischen ihnen zeigt. Dies kann real so implementiert sein. Es kann aber auch die Darstellung einer logischen Umschaltung sein. Die Implementierung kann ein programmierbarer Spannungsgenerator sein, der diskrete Frequenzen oder Frequenzverläufe oder Rauschsignale wahlweise abgeben kann. Die Umschaltung, symbolisiert durch Schalter 72, findet dann nicht am Ausgang statt, sondern eingangs seitig in der Ansteuerung des programmierbaren Generators so, dass abwechselnd die Generierung einer mehr oder minder diskreten Frequenz zu Arbeitszwecken bzw. die Generierung von Rauschen zuIt should be noted that FIG. 7 shows two separate generators 51, 71 and a switch 72 between them. This can really be implemented in this way. But it can also be the representation of a logical switching. The implementation may be a programmable voltage generator that can selectively discrete frequencies or frequency responses or noise signals. Switching, symbolized by switch 72, then takes place not at the output, but at the input side in the control of the programmable generator so that alternately the generation of a more or less discrete frequency for work purposes or the generation of noise
Messzwecken eingesteuert wird. Es kann dann jeweils zeitnah eine aktuelle Resonanzfrequenz ermittelt und dann im weiteren Ablauf verwendet werden.Measuring purposes is controlled. In each case, a current resonant frequency can then be determined in a timely manner and then used in the further course.
Figur 8 zeigt einen Zusammenhang, den man sich erfindungsgemäß zur Kraftmessung während der Werkstückbearbeitung zunutze machen kann. Figur 8 ist ein qualitatives Diagramm der Abhängigkeit zwischen Vorschubkraft F und Phasenwinkel wui zwischen Strom und Spannung am Wandler 3. Die Abszisse zeigt die Kraft F, die Ordinate den Phasenwinkel wui. Zu einer bestimmten Kraft FO sei ein bestimmter Phasenwinkel wui 0 angenommen. Wenn ausgehend von FO sich die Vorschubkraft um ΔF ändert, führt dies entsprechend zu einer Änderung Δwoi des Phasenwinkels entsprechend der Kennlinie. Je nach Definition der Größen und sonstiger Gegebenheiten kann die Kennlinie auch fallend statt steigend sein. Dementsprechend kann während der Werkstückbearbeitung, also während der Ansteuerung des Wandlers 3 mit einem Signal qualitativ wie in Fig. 2B gezeigt, die Phase zwischen Strom und Spannung am Wandler 3 ausgewertet werden, insbesondere die Phasenänderung ermittelt werden, um so ein Signal für die Kraftänderung zu erhalten. Dieses Signal kann dann zu weiteren Zwecken herangezogen werden, etwa zur Kraftsteuerung oder, da die Kraftänderung auch mit einer Resonanzfrequenzänderung korreliert, zur Nachführung der Ansteuerfrequenz in gewissem Umfang.FIG. 8 shows a relationship which according to the invention can be utilized for force measurement during workpiece machining. Figure 8 is a qualitative diagram of the relationship between feed force F and phase angle wui between current and voltage at the transducer 3. The abscissa shows the force F, the ordinate the phase angle wui. For a given force FO, assume a certain phase angle wui 0. If, starting from FO, the feed force changes by ΔF, this correspondingly leads to a change Δwoi of the phase angle corresponding to the characteristic curve. Depending on the definition of the variables and other conditions, the characteristic curve may also be decreasing instead of increasing. Accordingly, during workpiece machining, that is to say during the control of the transducer 3 with a signal qualitatively as shown in FIG. 2B, the phase between current and voltage at the transducer 3 can be evaluated, in particular the phase change can be determined so as to provide a signal for the force change receive. This signal can then be used for other purposes, such as force control or, since the force change with a Resonant frequency change correlates, for tracking the drive frequency to some extent.
Die Phasenermittlung bzw. Phasenänderungsermittlung kann bezugnehmend auf das Ausgangssignal des Spannungsgenerators 71 und den beispielsweise am Shunt 52 gemessenen Strom erfolgen. Sie kann teils oder ganz im analogen oder im digitalen Bereich erfolgen. Es kann dann eine Eingabe in die Steuerung 60 erfolgen, nach deren Maßgabe die Steuerung weitere Veranlassungen trifft.The phase determination or phase change determination can be made with reference to the output signal of the voltage generator 71 and the current measured, for example, at the shunt 52. It can be done partly or completely in the analogue or digital domain. It can then be made an input to the controller 60, according to which the controller makes further Voranlassung.
Die Änderung ist zunächst nur ein relatives Maß. Absolute Werte können erzeugt werden, wenn beispielsweise anhand tabulierter Werte oder anfänglich bekannter Werte (FO = 0, wuiO aus Messung) Anfangswerte gesetzt werden, von denen ausgehend dann weiter gerechnet wird. Von der gemessenen Phasenwinkeländerung Δwoi kann auf eine Kraftänderung ΔF geschlossen werden, und über den Zusammenhang der Fig. 3 kann insbesondere über den Zusammenhang der Kurve 32 von der Kraftänderung auf die Resonanzfrequenzänderung geschlossen werden. Das Phasenänderungssignal kann dann zur Nachführung der Resonanzfrequenz herangezogen werden.The change is initially only a relative measure. Absolute values can be generated if, for example, initial values are set on the basis of tabulated values or initially known values (FO = 0, value from measurement), from which further calculations are then made. From the measured phase angle change Δwoi can be concluded on a force change .DELTA.F, and on the relationship of Fig. 3 can be inferred in particular on the relationship of the curve 32 of the force change to the resonance frequency change. The phase change signal can then be used to track the resonant frequency.
Wenn bezugnehmend auf Phasenwinkeländerung sowohl Kraft als auch Resonanzfrequenz verfolgt werden sollen, wäre beim Nachführen der Resonanzfrequenz für die Kraft ein neuer Nullpunkt entsprechend dem zu wählen, was sich nach Einstellung der neuen Frequenz als Phasenwinkel ergibt. Es hat sich gezeigt, dass viele der obigen Vorgänge und Maßnahmen über eine übliche Soundkarte vorgenommen werden können. Obwohl die verarbeiteten Signale nichts mit Schall oder Sound zu tun haben, ist es doch möglich, im Vorwärtszweig wie im Rückwärtszweig die Aus- bzw. Eingänge einer Soundkarte zu verwenden. Figur 9 zeigt dies schematisch. 90 ist eine handelsübliche Soundkarte, die über eine Steckerleiste 93 in den Steckplatz eines PC 96 eingeschoben werden kann. 91 und 92 sind von außen zugängliche Anschlüsse. Es handelt sich hier um analoge Anschlüsse. Anschluss 91 ist ein Ausgang, Anschluss 92 ein Eingang. 53 symbolisiert A/ D-Wandler, die hinter dem Eingang und dem Ausgang liegen. Mit 51 und 71 ist schematisch die Ausgangssignalgenerierung gezeigt. Sie kann digital erfolgen und wahlweise in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch eine Soundkartensteuerung 94 ein frequenzdiskretes Signal (während des Materialabtrags) oder ein Rauschsignal (während der Resonanzfrequenzermittlung) erzeugen.If both force and resonant frequency are to be tracked with respect to phase angle change, when tracking the resonant frequency for the force, a new zero point would have to be chosen according to what results after setting the new frequency as the phase angle. It has been found that many of the above operations and measures can be made via a standard sound card. Although the processed signals have nothing to do with sound or sound, it is still possible to use the outputs or inputs of a sound card in the forward branch as in the backward branch. FIG. 9 shows this schematically. 90 is a commercially available sound card that can be inserted via a connector strip 93 in the slot of a PC 96. 91 and 92 are externally accessible ports. These are analogue connections. Terminal 91 is an output, terminal 92 is an input. 53 symbolizes A / D converters, which are located behind the input and the output. 51 and 71 schematically show the output signal generation. It may be digital and optionally generate a frequency discrete signal (during material removal) or a noise signal (during resonant frequency detection) depending on the drive through a sound card controller 94.
Von der A/ D- Wandlung 53 wird das Signal aus dem Digitalen ins Analoge gewandelt und am Ausgangsanschluss 91 bereitgestellt. Es kann dort über einen Stecker abgegriffen, nötigenfalls in einem geeignet breitbandigen Verstärker 95 verstärkt und dann an den Wandler 3 angelegt werden. Eingangsseitig (Anschluss 92) wird das einlaufende Analogsignal (also ein Signal, das beispielsweise die Spannung am Shunt 52 wiedergibt) zunächst ins Digitale gewandelt, kann dann gegebenenfalls in einem Zwischenspeicher 54 zwischengespeichert werden und dann nach Maßgabe der Soundkartensteuerung 94 weiterverarbeitet werden. Es kann insbesondere ein Auslesen der erzeugten Messwerte über die Steckerleiste 93 hin zu Komponenten eines Rechnersystems 96 erfolgen, die die erwähnten Analysen (Fourier, Phase) vornehmen.From the A / D conversion 53, the signal is converted from the digital to the analog and provided at the output terminal 91. It can be picked up there via a plug, amplified if necessary in a suitable broadband amplifier 95 and then applied to the converter 3. On the input side (terminal 92), the incoming analog signal (that is to say a signal which reproduces, for example, the voltage at shunt 52) is first converted into the digital, can then optionally be buffered in a buffer 54 and then further processed in accordance with the sound card controller 94. In particular, it is possible to read out the generated measured values via the Plug connector 93 made to components of a computer system 96, make the mentioned analysis (Fourier, phase).
Vom Rechner 96 kann die Soundkarte über den Anschluss 93 die ermittelten Resonanzfrequenzen und gegebenenfalls zugehörige Intensitäten empfangen, um dementsprechend während der Werkstückbearbeitung ein frequenzdiskretes Ausgangssignal zu erzeugen. Die Umschaltung zwischen frequenzdiskretem Arbeitssignal und rauschendem Messsignal kann auch von einer übergeordneten Steuerung jenseits der Soundkarte, also im Rechner 96, veranlasst werden.The computer 96 can receive the sound card via the terminal 93, the detected resonant frequencies and, where appropriate, associated intensities, to accordingly generate a frequency-discrete output signal during workpiece machining. The switching between frequency discrete working signal and noisy measurement signal can also be caused by a higher-level control beyond the sound card, ie in the computer 96.
Auch eingangsseitig kann das Messsignal geformt und verarbeitet werden, bevor es in die Soundkarte eingegeben wird, beispielsweise indem eine Verstärkung oder Dämpfung oder Impedanzwandlung vorgenommen wird.Also on the input side, the measurement signal can be shaped and processed before it is input to the sound card, for example, by gain or attenuation or impedance conversion is made.
Die Soundkarte kann verwendet werden, obwohl die betrachteten Signale nichts mit Schall zu tun haben. Allenfalls kann eingangs- und ausgangsseitig eine Signalnormierung (Amplitude, Impedanz) notwendig sein. Ansonsten können maßgebliche Tätigkeiten (Erzeugen eines Rauschsignals, Erzeugen eines frequenzdiskreten Signals, Umschalten zwischen beiden, Wandlung eines eingehenden elektrischen Messsignals) in der Soundkarte vorgenommen werden, ohne dass es spezialisierter Komponenten bedürfte. The sound card can be used, although the signals considered have nothing to do with sound. At most, signal normalization (amplitude, impedance) may be necessary on the input and output sides. Otherwise, significant activities (generation of a noise signal, generation of a frequency-discrete signal, switching between the two, conversion of an incoming electrical measurement signal) can be made in the soundcard, without the need for specialized components.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwerkzeugs, mit den Schritten:A method of operating an ultrasonic tool, comprising the steps of:
Anlegen eines Ansteuersignals mit bestimmten Frequenzeigenschaften an das Werkzeug,Applying a drive signal with certain frequency characteristics to the tool,
Bearbeiten eines Werkstücks mit dem Ultraschallwerkzeug,Machining a workpiece with the ultrasonic tool,
gekennzeichnet durch die folgenden während der Werkstückbearbeitung durchgeführten Schritte:characterized by the following steps performed during workpiece machining:
Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe am Ultraschallwerkzeug als Meßsignal,Measuring the time course of an electrical variable on the ultrasonic tool as a measuring signal,
Bestimmen einer Phase oder Phasenänderung zwischen Ansteuersignal und Messsignal, undDetermining a phase or phase change between the drive signal and the measurement signal, and
Steuern einer Frequenzeigenschaft des Ansteuersignals und/ oder des Vorschubs des Werkzeugs nach Maßgabe des Analyseergebnisses.Controlling a frequency characteristic of the drive signal and / or the feed of the tool in accordance with the analysis result.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzeigenschaft des Ansteuersignals und/ oder der2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency characteristic of the drive signal and / or the
Vorschubs des Werkzeugs nach Maßgabe einer Veränderung der Frequenzlage eines lokalen Extremums gesteuert wird. Feed of the tool is controlled in accordance with a change in the frequency position of a local extremum.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ansteuersignals nach Maßgabe des Analyseergebnisses nachgeführt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency of the drive signal is tracked in accordance with the analysis result.
4. Verfahren zum Bestimmen der Frequenzkennlinie eines elektrisch ansteuerbaren Ultraschallwerkzeugs,4. Method for determining the frequency characteristic of an electrically controllable ultrasonic tool,
gekennzeichnet durch die Schritte:characterized by the steps:
Anlegen eines elektrischen Rauschsignals als Ansteuersignal an das Werkzeug,Applying an electrical noise signal as a drive signal to the tool,
Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe am Ultraschallwerkzeug als Meßsignal,Measuring the time course of an electrical variable on the ultrasonic tool as a measuring signal,
Durchführen einer Frequenzanalyse im gemessenen Verlauf, undPerforming a frequency analysis in the measured course, and
Bestimmen der Frequenzkennlinie anhand des Analyseergebnisses.Determining the frequency characteristic based on the analysis result.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauschsignal eine Rauschspannung mit einem im interessierenden Frequenzbereich bekannten Amplitudengang ist und/ oder dass das Meßsignal der vorzugsweise über einen Shunt gemessene Ansteuerstrom des Werkzeugs ist. 5. The method according to claim 4, characterized in that the noise signal is a noise voltage with a frequency range known in the amplitude range and / or that the measurement signal is preferably measured via a shunt drive current of the tool.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanalyse eine Fourieranalyse ist.6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the frequency analysis is a Fourier analysis.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Analyseergebnis nach lokalen Extrema gesucht wird, wobei die Frequenzen, an denen sich Extrema befinden, einen Teil der Frequenzkennlinie bilden.7. The method according to one or more of claims 4 to 6, characterized in that the analysis result is searched for local extrema, wherein the frequencies at which extrema are form part of the frequency characteristic.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Analyseergebnis geglättet wird, bevor in ihm nach lokalen Extrema gesucht wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the analysis result is smoothed before it is searched in him for local extrema.
9. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwerkzeugs, mit den Schritten:9. A method of operating an ultrasonic tool, comprising the steps of:
Anlegen eines Ansteuersignals mit bestimmten Frequenzeigenschaften an das Werkzeug,Applying a drive signal with certain frequency characteristics to the tool,
Bearbeiten eines Werkstücks mit dem Ultraschallwerkzeug,Machining a workpiece with the ultrasonic tool,
dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that
die Frequenzeigenschaft des Ansteuersignals nach Maßgabe der Frequenzkennlinie des Ultraschallwerkzeugs gesetzt wird, wobei die Frequenzkennlinie mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8 bestimmt wird. the frequency characteristic of the drive signal is set in accordance with the frequency characteristic of the ultrasonic tool, wherein the frequency characteristic is determined by a method according to one or more of claims 4 to 8.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückbearbeitung und die Bestimmung der Frequenzkennlinie abwechselnd erfolgen.10. The method according to claim 9, characterized in that the workpiece machining and the determination of the frequency characteristic take place alternately.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der interessierende Frequenzbereich eine untere Grenzfrequenz von höchstens 2 kHz oder 5 kHz oder 10 kHz oder 20 kHz und/ oder eine obere Grenzfrequenz von mindestens 95 kHz oder 80 kHz oder 60 kHz oder 50 kHz hat11. The method according to one or more of claims 4 to 10, characterized in that the frequency range of interest a lower limit frequency of at most 2 kHz or 5 kHz or 10 kHz or 20 kHz and / or an upper limit frequency of at least 95 kHz or 80 kHz or 60 kHz or 50 kHz
12. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwerkzeugs,12. Method for operating an ultrasonic tool,
dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that
der Audioausgang einer Soundkarte als Ausgang für ein Treibersignal für das Ultraschallwerkzeug oder einen vorgelagerten Verstärker verwendet wird, undthe audio output of a sound card is used as an output for a drive signal for the ultrasonic tool or an upstream amplifier, and
der Audioeingang der Soundkarte als Eingang für einthe audio input of the sound card as input for a
Meßsignal oder für ein aus dem Meßsignal hergeleitetes Signal verwendet wird.Measuring signal or for a signal derived from the measurement signal is used.
13. Verwendung einer Soundkarte zur Ansteuerung eines Ultraschallwerkzeugs in der Weise, dass der Audioausgang ein Signal ausgibt, das der Ansteuerung des Ultraschallwerkzeugs dient. 13. Use of a sound card for controlling an ultrasonic tool in such a way that the audio output outputs a signal which serves to drive the ultrasonic tool.
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Audioeingang ein vom Ultraschallwerkzeug abhängendes elektrisches Meßsignal empfängt.14. Use according to claim 13, characterized in that the audio input receives a dependent of the ultrasonic tool electrical measurement signal.
15. Vorrichtung zum Ermitteln eines vorschubkraftabhängigen Meßsignals eines elektrisch ansteuerbaren Ultraschallwerkzeugs,15. Device for determining a feed force-dependent measurement signal of an electrically controllable ultrasonic tool,
gekennzeichnet durch:marked by:
einen Ansteuerspannungsgenerator zum Anlegen eines elektrischen Ansteuersignals an das Werkzeug,a drive voltage generator for applying an electrical drive signal to the tool,
eine Meßvorrichtung zum Messen des Phasenwinkels zwischen elektrischen Größen, vorzugsweise Strom unda measuring device for measuring the phase angle between electrical quantities, preferably current and
Spannung, am Ultraschallwerkzeug als Meßsignal, oder zur Messung der Änderung des Phasenwinkels als Meßsignal.Voltage, the ultrasound tool as a measurement signal, or to measure the change in the phase angle as a measurement signal.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Stelleinrichtung zum Einstellen der Vorschub kraft nach16. The apparatus according to claim 15, characterized by an adjusting device for adjusting the feed force after
Maßgabe des Meßsignals.Assignment of the measuring signal.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Stelleinrichtung zum Einstellen einer Frequenzeigenschaft, vorzugsweise einer diskreten Frequenz, des elektrischen Ansteuersignals nach Maßgabe des Meßsignals. 17. The apparatus of claim 15 or 16, characterized by an adjusting device for setting a frequency characteristic, preferably a discrete frequency, of the electrical drive signal in accordance with the measurement signal.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubkraft oder ihre Änderung nach Maßgabe des Phasenwinkels oder seiner Änderung bestimmt wird.18. The apparatus of claim 15 to 17, characterized in that the feed force or its change in accordance with the phase angle or its change is determined.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Einstellung der Vorschubkraft nach Anspruch 16 nach Maßgabe der bestimmten Vorschubkraft oder ihrer Änderung erfolgt, und/ oder dass die Einstellung der Frequenzeigenschaft nach Maßgabe der bestimmten19. The apparatus according to claim 18, characterized in that adjustment of the feed force according to claim 16 in accordance with the specific feed force or its change takes place, and / or that the setting of the frequency characteristic in accordance with the determined
Vorschubkraft oder ihrer Änderung erfolgt.Feed force or their change takes place.
20. Vorrichtung zum Bestimmen der Frequnzkennlinie eines elektrisch ansteuerbaren Ultraschallwerkzeugs,20. Device for determining the frequency characteristic of an electrically controllable ultrasonic tool,
gekennzeichnet durch:marked by:
einen Rauschgenerator zum Anlegen eines elektrischen Rauschsignals als Ansteuersignal an das Werkzeug,a noise generator for applying an electrical noise signal as a drive signal to the tool,
eine Meßvorrichtung zum Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe am Ultraschallwerkzeug als Meßsignal,a measuring device for measuring the time course of an electrical variable on the ultrasonic tool as a measuring signal,
eine Analysevorrichtung zum Durchführen eineran analysis device for performing a
Frequenzanalyse im gemessenen Verlauf, undFrequency analysis in the measured course, and
eine Bestimmungsvorrichtung zum Bestimmen der Frequenzkennlinie anhand des Analyseergebnisses. a determining device for determining the frequency characteristic from the analysis result.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauschgenerator eine Rauschspannung mit einem im interessierenden Frequenzbereich bekannten, vorzugsweise konstanten Amplitudengang ist und/ oder dass die Meßvorrichtung einen Shunt aufweisen kann und den Ansteuerstrom des Werkzeugs misst.21. The apparatus according to claim 20, characterized in that the noise generator is a noise voltage with a known in the frequency range of interest, preferably constant amplitude response and / or that the measuring device may have a shunt and measures the drive current of the tool.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysevorrichtung eine22. Device according to claim 20 or 21, characterized in that the analysis device has a
Fourieranalyse durchführt.Performs Fourier analysis.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine Glättungseinrichtng für das Analyseergebnis.23. The apparatus according to claim 22, characterized by a smoothing device for the analysis result.
24. Ultraschallbearbeitungsmaschine mit einem elektrisch ansteuerbaren Ultraschallwerkzeug,24. ultrasonic processing machine with an electrically controllable ultrasonic tool,
einem Ansteuerspannungsgenerator zum Erzeugen eines Ansteuersignals mit einstellbaren Frequenzeigenschaften an das Werkzeug, unda drive voltage generator for generating a drive signal having adjustable frequency characteristics to the tool, and
einer Vorrichtung zum Bestimmen der Frequenzkennlinie des Ultraschallwerkzeugs nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 - 23,a device for determining the frequency characteristic of the ultrasonic tool according to one or more of claims 20 - 23,
wobei der Ansteuerspannungsgenerator die Frequenzeigenschaft nach Maßgabe des Analyseergebnisses der Bestimmungsvorrichtung einstellt. wherein the drive voltage generator adjusts the frequency characteristic in accordance with the analysis result of the determination device.
25. Maschine nach Anspruch 24, mit einer Steuerung, die abwechselnd die Beaufschlagung des Ultraschallwerkzeugs mit dem Ausgangssignal des Rauschgenerators und dem Ausgangssignal des Ansteuerspannungsgenerators einsteuert. 25. The machine of claim 24, comprising a controller that alternately controls the application of the ultrasonic tool with the output signal of the noise generator and the output signal of the drive voltage generator.
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