WO2019206405A1 - Verfahren zum ultraschallbearbeiten, computerprogramm, computerprogrammprodukt und ultraschallbearbeitungseinrichtung - Google Patents

Verfahren zum ultraschallbearbeiten, computerprogramm, computerprogrammprodukt und ultraschallbearbeitungseinrichtung Download PDF

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WO2019206405A1
WO2019206405A1 PCT/EP2018/060493 EP2018060493W WO2019206405A1 WO 2019206405 A1 WO2019206405 A1 WO 2019206405A1 EP 2018060493 W EP2018060493 W EP 2018060493W WO 2019206405 A1 WO2019206405 A1 WO 2019206405A1
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WO
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sonotrode
workpiece
processing
time
valve
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/060493
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English (en)
French (fr)
Inventor
Chris VAN NEERVEN
Original Assignee
Telsonic Holding Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Telsonic Holding Ag filed Critical Telsonic Holding Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B23K20/106—Features related to sonotrodes

Definitions

  • the present invention relates to a method for ultrasonic processing, a computer program, a Computerprogrammpro product, and an ultrasonic processing device according to the preambles of the independent claims.
  • Ultrasonic processing equipment is e.g. used to weld workpieces together, to cut a workpiece or for cutting welding processes.
  • a sonotrode is vibrated and pressed by a feed unit onto the workpiece or workpieces.
  • the vibrations are transmitted to the joining part or the workpiece on a working surface of the sonotrode.
  • the oscillation frequencies are typically in a range of 10 to 50 kHz.
  • the workpiece is processed and, for example, welded to another workpiece during welding.
  • wear on the sonotrode and in particular on the anvil which, for example, reduces the quality of the weld over time.
  • DE 103 18 485 A1 shows a method for welding with an ultrasonic sonotrode.
  • a distance between the sonotrode and anvil is controlled by a control loop.
  • temperature or wear-related Abstandsän changes between the sonotrode and the anvil are compensated.
  • DE 103 18 485 A1 has the disadvantage that a power of the ultrasonic sonotrode is specified as a reference variable and the power input is used as a control variable.
  • a use of the power of the sonotrode as a reference variable has the disadvantage that wear leads to a higher performance, which in turn leads to egg nem higher wear.
  • US 2008/110550 A shows a device with an ultrasonic horn.
  • a gap between the ultrasonic horn and a roller should be regulated.
  • the device has an on drive unit, by which the position of the ultrasonic horn is determined in relation to the roller.
  • a pressure measuring sensor measures a contact pressure of the drive unit.
  • the drive unit is controlled, so that the gap has a constant size.
  • US 2008/110550 has the disadvantage that a wear-reducing quality of welds remains undetected and unchanged.
  • the gap control has the disadvantage that intermittent Ver drive require a precise and costly gap control.
  • a first aspect of the invention relates to a method for ult raschallbe.
  • the ultrasonic machining can be a welding and / or cutting and / or separating welding of a work piece.
  • the procedure includes the following steps:
  • the sonotrode by means of a sensor for detecting a processing position of the sonotrode and a computing neraji.
  • the anvil may comprise the sensor.
  • the sensor may be configured to know a contact from the workpiece or from the anvil with the sonotrode.
  • the sensor may be arranged to detect a contact with a part which is attached to the feed or a converter and is driven by the feed.
  • the contact closes upon reaching the processing position of the sonotrode.
  • ii. is a subsequent workpiece not edited or iii. the wear is displayed to a user through a user interface.
  • the duration increases from one workpiece to the next workpiece until a contact is reached.
  • This parameter is used to detect wear and counteract the effects of wear on weld quality before they become noticeable to the work itself. Consequently, in the solution according to the invention, the time until the processing position is reached is controlled by the contact pressure and / or amplitude of the sonotrode, in particular kept constant, or aborted when a workpiece is worn for further processing or a user the wear will be displayed.
  • the time is controlled by the contact pressure, since thereby the power input is changed as little possible.
  • the time could be controlled alternatively or additionally on the vibration amplitude of the sonotrode.
  • the oscillation amplitude can be finer.
  • the time is measured from a predetermined time in a movement cycle of the sonotrode.
  • the time from when the ultrasound is turned on measured.
  • the time from an actuation of the feed in the direction of the workpiece can be measured.
  • the start time may be opening a valve for the feed.
  • the ultrasound is switched off upon detection of the processing position.
  • the sensor for detecting a processing position of the sonotrode may be a pressure or force sensor (e.g., PZT).
  • the Sen sor can be arranged on the anvil, in particular on a surface for the workpiece.
  • the pressure or force sensor is arranged so that the sonotrode presses the workpiece on the pressure or force sensor.
  • the senor may be a motion sensor for the sonotrode.
  • the processing position of the sounder may be e.g. be recognized by a standstill identifier (no change in the path per unit of time).
  • the sensor is an electrically conductive contact part and a contact between sonotrode and contact part closes directly or indirectly over the workpiece an electrical circuit. Contact takes place e.g. during separation welding between sonotrode and separating material, anvil and separating material and, after separation, between sonotrode and anvil.
  • the sensor may be a pressure sensor for a pressure in a pneumatic actuator.
  • the machining position may be an end position of the sonotrode.
  • the loading processing position is detected by performance increase at swinging aufset zender sonotrode.
  • the feed is force or path controlled.
  • the feed is force-controlled, since so a maximum load for the sonotrode can be limited.
  • the setpoint can be a fixed value or a tolerance band with an upper and a lower value.
  • the sonotrode transmits ultrasound to the workpiece.
  • the processing position may be an end position of the sonotrode. In the end position, the process of the sonotrode is completed by the feed in the direction of the workpiece.
  • the predetermined range for the time to reach the machining position may be fixed or changeable. In one variant, the predetermined range can be calculated from the last processing time. In another variant, the predetermined range is set once during a calibration of the machine.
  • the method is preferably intermittent. This means that the sonotrode for ultrasonic machining is moved by the feed on the workpiece and is moved away from it after processing. Then, the workpiece is removed from a processing space and a subsequent workpiece is inserted into the processing space. Subsequently, the process is repeated for each subsequent workpiece.
  • the feed is a pneu matic feed and includes a controllable valve for Regu lation of a compressed air supply.
  • Pneumatic feeds are particularly suitable for the above-mentioned method, since a contact pressure can be precisely controlled. Also particularly appro net are all feeds, which are force-controlled. For example, electrical feeds can be force-controlled with a corresponding control or a hydraulic feed can be used.
  • the method further comprises the following steps: The valve is opened to a first predetermined position for the pneumatic feed by a valve control.
  • a second opening position for the valve is calculated by the computer unit, so that a processing time of the next workpiece is within a predetermined range.
  • the processing time remains constant from one workpiece to the next.
  • the contact pressure of the sonotrode can be controlled particularly easily.
  • the second opening position preferably allows more or less compressed air through than the first open position.
  • wear increases the machining time from workpiece to workpiece. Therefore, a contact pressure is increased by the fact that the valve can be opened further.
  • the processing time becomes shorter again and the compressed air through the valve can be reduced.
  • the wear is displayed on a user interface, preferably a screen.
  • the wear can be displayed in the form of a percentage and / or a graphical diagram. This allows a user to see how much wear is.
  • the contact pressure is adjusted by the computer unit.
  • the contact pressure is adjusted without the confirmation of an operator.
  • the arithmetic unit can present suggestions for adjusting the contact pressure of the feed to a user, preferably visually indicating it, and the user can then select one of the options. In certain cases, a selection can only be made by predetermined personnel such as an operator.
  • adjusting the pressing pressure of the feed involves increasing or decreasing a pressing force upon reaching the workpiece. As a result, a reduction in welding quality due to wear can be reduced.
  • a predetermined upper limit for the time until the detection of the processing position by the sensor or a predetermined upper limit for adjusting the contact pressure during processing of the workpiece is stored in a memory of the computer unit. If the first predetermined upper limit is exceeded, it can be recognized that the lifetime of the sonotrode or of the anvil has run down due to the wear on the working surface of the sonotrode or of the anvil.
  • the first predetermined upper limit preferably indicates a lifetime end of the work zeugs. As a result, an overload of the converter and thus damage to the converter can be prevented.
  • the sono trode can be replaced before an increased scrap of workpieces occurs.
  • the contact pressure of the feed is adjusted by the computer unit, thereby keeping the processing time constant.
  • a maximum contact pressure for example, by a maximum pneumatic pressure or a maxi male open position of the valve, be deposited.
  • the maximum contact pressure can not be exceeded.
  • the time passes through the wear the predetermined upper limit, since the contact pressure can not be readjusted.
  • this adjustment is stored in a memory for each adjustment of the contact pressure. From the history of the adjustment (s) is calculated whether the upper limit is reached.
  • a second predetermined upper limit for the time until closure of a contact between the sonotrode during processing of the workpiece is stored in the computer unit.
  • a wear of the sonotrode is displayed on a user interface.
  • the user interface is preferably a screen, but can also be designed as an acoustic display or as a flashing light. This allows a user to recognize at an early stage that a wear on the sonotrode or on the anvil has occurred, which soon causes a change of the respective tool. As a result, downtime can be avoided on the machine who the and a user can get timely replacement parts.
  • the second and / or the first predetermined upper limit may also be an upper limit for the contact pressure or for the oscillation amplitude of the sonotrode, preferably for the open position of the valve.
  • the time until reaching the processing position of the sonotrode is deposited by means of the computer unit during processing of the workpiece in a memory.
  • the memory is preferably part of the computer unit.
  • wear can be reconstructed in retrospect on the basis of the course of the times for processing.
  • the contact pressure of the feed particularly preferably the open position of the valve is deposited.
  • Other parameters Like energy or amplitude can also be deposited. Furthermore, this can be set correctly when inserting a new sonotrode welding parameters, for example, in which the / one of the welding parameters, in particular contact pressure, the previous sonotrode taken on their first insertion over.
  • the memory is preferably electronic.
  • the setpoint for time until reaching a processing position sonotrode is a time until the closure of the contact of at least one preceding, preferably immediately preceding, machining operation of a workpiece with ultrasound. This allows the setpoint to be adjusted dynamically.
  • Another aspect of the invention relates to a computer program with program code means to perform all the steps according to a ge above-mentioned method for operating a Ultraschallbearbeitungsein direction.
  • Another aspect of the invention relates to a computer program product with program code means stored on a computer-readable medium to perform the above-mentioned method when the program product is run on a computer.
  • the device comprises a sonotrode having a working surface for a workpiece, a preferably pneumatic feed for the sonotrode, the feed comprising a controller and a sensor for detecting a processing position of the sonotrode during machining of the workpiece.
  • the device includes a computing unit. The computer unit is designed to carry out the following steps: Calculating a time to reach the processing posi tion of the sonotrode during machining of the workpiece
  • a correlation between contact pressure / amplitude and time can be determined empirically for a set of sonotrode, anvil and workpiece type by preliminary tests.
  • the correlation is calculated analytically, for example by an algorithm.
  • the controller includes a valve controller and a controllable by the valve control valve with a closed position and at least two open positions.
  • the valve is a proportional valve.
  • the device has a spring and / or a second controllable valve for the return position of the sonotrode.
  • the device and the method can be used in conjunction with tor- sional and longitudinal sonotrode vibrations who the.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an ultrasonic welding plant
  • FIG. 2 shows a block diagram of a control for the contact pressure of the sonotrode
  • FIG. 3 a method according to the invention
  • FIGS. 4A to 4C show various graphs which show a development of a processing time over a portion of a lifetime of an ultrasonic welding system according to the invention.
  • Figs. 5A to 5B are various graphs showing development of valve position during machining.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an ultrasonic welding system 27.
  • the ultrasonic welding system 27 has a feed 3, a converter 25, a booster 21 and a sonotrode 2.
  • the sonotrode 2 verbun with the booster 21 is the.
  • the converter 25 converts by means of piezoelectric converters to electrical impulses of a generator 31 in mechanical vibrations.
  • the mechanical vibrations are amplified by the booster 21 and transmitted to the sonotrode 2.
  • the sonotrode 2 oscillates, as indicated by an arrow 22, with torsional ultrasonic oscillations.
  • the feed 3 moves the unit of converter 25, booster 21 and sonotrode 22 along a feed direction 23 up and run ter.
  • a workpiece 1 is arranged between the sonotrode 2 and an anvil 26.
  • the sonotrode is moved in the direction of the workpiece, so that a Be processing surface 4 of the sonotrode comes into contact with the workpiece 1.
  • the working surface 4 is angeord net on the sonotrode 2 and transmits the ultrasonic vibrations 22 of the Sonot rode 2 on the workpiece.
  • the feed 3 has a drive 29. By the drive 29, the feed 3, the sonotrode 2 against the workpiece 1 pres sen. Therefore, ultrasonic welding is also classified as pressure welding.
  • the drive 29 is a pneumatic drive 29 to a valve 30.
  • the drive 29 may be a single or a double-acting pneumatic actuator.
  • Publ NEN of the valve 30 air flows from a compressed air tank or a compressed air line in the pneumatic drive and thereby moves the feed.
  • the valve 30 is opened and closed by a Ventilsteue tion 11.
  • An example of the valve control 11 is a PLC controller. When the valve is opened, the feed and thus the sonotrode begins to move in the direction of the workpiece 1. This defines a first time.
  • the ultrasonic welding system 27 has a contact connected to the feed 29 and a force sensor 5 attached to the anvil.
  • a force sensor 5 attached to the anvil.
  • the sonotrode reaches its machining position and exerts a pressure on the workpiece 1, this is detected by the force sensor 5 and at the same time the valve is closed. This defines a second time.
  • the sensor detects a contact. The time between the first and the second time is monitored and recorded by a computer unit 6 (see FIG. 2).
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the control of the valve 30.
  • the timing at which the valve 30 is opened and the time of reaching the machining position are detected.
  • the difference between these times is a processing time 7 (see Figures 4A to C) for a workpiece 1.
  • This processing time 7 will pass as a control variable to a computer unit 28 or be charged by this be.
  • the computer unit 28 contains a control unit 6
  • the control unit 6 also stores an upper and a lower limit 14, 15 (see FIGS. 4A-C) for the processing time 7 in a memory. If the processing time 7 is between the upper and lower limits 14, 15, then leaves the control unit 6, the valve control 11 and thus the valve in the previous setting. As wear on the sonotrode 2 occurs over time, the processing time 7 increases slowly. As soon as the processing time exceeds the upper limit 14 for the first time, the control unit 6 responds to the wear.
  • the controller displays this wear on a user interface 13 to a machine operator.
  • the user interface 13 also displays an option to the machine operator:
  • the user interface suggests to the machine operator to select a new valve opening position.
  • the user can choose between different valve opening positions or to freely set the valve opening position on a scale.
  • the controller proposes one or more suitable valve opening positions to the machine operator.
  • This suitable valve opening position is calculated on the basis of the course of the machining time and the difference between the upper and the lower value 14, 15 of the machining time and the current last measured machining time.
  • FIG. 3 shows the method for adjusting the open position as a block diagram in detail.
  • the ultrasonic sonotrode 2 is started to move by means of the advance 3 along the feed direction 23.
  • the sonotrode 2 is pressed onto the workpiece 1 and the workpiece 1 thereby processed in a two-th step 102.
  • the machining can be a welding of two workpieces 1 or the cutting of a single workpiece 1 or a separating welding of a workpiece 1.
  • Step 103 the time to close the contact are determined.
  • the determined time is then compared with a setpoint (step 104).
  • the setpoint is the processing time 7 of the previous welding cycle. An increase in the machining time 7 from one workpiece to the next workpiece indicates a wear on the sonotrode 2. If the processing time 7 then falls below the setpoint for a workpiece or exceeds (step 105), the control of the feed is adjusted (step 106), that the time to detect the machining position of the sonotrode 2 at the next workpiece in Be rich the setpoint (see Fig. 4A-C) is located. In practice, this may mean that the processing times for each piece of work 1 remain constant. Subsequently, the sonotrode 2 is returned to an initial position (step 107) and the
  • the target value or To leranzband of the processing time 7 may also be a sliding average of a plurality of processing times of the vorangegan conditions workpieces.
  • FIGS. 4A to 4C show the course of a processing time 7 as a function of one of the adaptation of the valve position in a different manner. different graphene.
  • the graph 4A shows a cycle time T on its y-axis and the time course on the x-axis.
  • FIG. 4A shows the processing time 7 per workpiece, without the method according to the invention.
  • the sonotrode 2 wears down more and more, so that the processing time 7 begins to increase slowly and then faster. In a tightly timed production process, this is problematic because the parts are passed on to the next process and the entire production is slowed down.
  • the processing times could be kept constant by aborting the process beforehand, this would result in parts with poorer weld quality or separation.
  • One way for the expert to keep the processing time 7 constant the welding energy would increase. This has the disadvantage that the sonotrode 2 unnecessarily strong sprucht bean and must be replaced earlier or even damaged the converter.
  • a desired value 8 is formed in FIGS. 4A to 4C as a tolerance band having an upper and a lower value 14, 15.
  • the setpoint 8 can also be a single value.
  • FIG. 4B shows a course of the processing time 7 at which the method according to the invention is used.
  • the contact pressure of the feed 3 is adjusted so that the processing time 7 again lies between the upper value 14 and the lower value 15.
  • a variant for adjusting the contact pressure of the feed before is to open the valve in the pneumatic actuator 29 on.
  • the feed is hydraulically or electrically driven.
  • FIG. 4C shows the course of a processing time 7 at which the processing time 7 undershoots the lower limit 15. This can happen, for example, when replacing the sonotrode 7.
  • the contact pressure is adjusted, for example by a second opening position, which allows less air to pass through than the first opening position, that the processing time 7 extends again and is between the two setpoints 14, 15.
  • FIGS. 5A and 5B show the development of an open position V of the pneumatic drive valve.
  • the y-axis shows the opening position V and the x-axis shows a time t.
  • a first upper limit 16 and a second upper limit 17 are shown.
  • the control unit 6 continues to open the valve as it drives the sound conveyor 2 from machining from one workpiece to the next workpiece.
  • the processing time 7 becomes shorter, the valve for the next workpiece is opened further. Therefore, the opening Stel ment of the valve indicates wear on the sonotrode 2.
  • the first upper limit 16 indicates a maximum contact pressure, which can be exerted by the drive 29. Further opening of the valve would not lead to a higher contact pressure or ei ne maximum open position is already reached at the upper limit 16.
  • the maximum opening position is reached, the sonotrode is pressed against the workpiece with a maximum contact pressure. The maximum contact pressure is only reached with a worn sonotrode. In ultrasonic applications, the contact pressure is a maximum of 30 bar.
  • the first upper limit 16 indicates a wear limit or a load limit for the sonotrode 2. Therefore, the computer unit 6 so that the upper limit 16 is not exceeded and the process can be aborted or aborted.
  • the second upper limit 17 indicates that soon the first upper limit 16 could be reached.
  • the user interface 13 (see FIG. 2) indicates to the machine operator that the sonotrode 2 must be replaced. As a result, the machine operator can fetch spare parts from the warehouse and / or order them, if necessary, in good time before the replacement at the first upper limit 16 is actually necessary.
  • FIG. 5A the course of a valve position for a control is shown, in which GE is controlled to a tolerance band (see Figure 4B).
  • the valve Stel development is adjusted so that the processing time 7 again in the middle or at a lower end of the belt 14, 15.
  • the valve position is adjusted in steps as shown in FIG. 5A.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Ultraschallbearbeiten. Beim Verfahren wird eine Ultraschallsonotrode (2) mittels eines Vorschubes (3) bewegt, ein Werkstück (1) mit einer Bearbeitungsfläche (4) der Sonotrode (2) durch Aufbringen von Ultraschallschwingungen bearbeitet, eine Zeit (7) bis zum Schliessen eines Kontaktes der Sonotrode mittels eines Sensors zum Detektieren einer Bearbeitungsposition der Sonotrode und einer Rechnereinheit (6) gemessen und ein Verschleiss wird durch Vergleichen der Zeit (7) mit einem Sollwert (8) mittels der Rechnereinheit (6) ermittelt. Falls die Zeit (7) den Sollwert (8)über-oder unterschreitet erfolgt ein Anpassendes Anpressdrucks des Vorschubes (3), sodass die Zeit bis zum in einem vorgegebenen Bereich (14,15) liegt.

Description

Verfahren zum Ultraschallbearbeiten, Computerprogramm, Computer programmprodukt und Ultraschallbearbeitungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultra schallbearbeiten, ein Computerprogramm, ein Computerprogrammpro dukt, und eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Ultraschallbearbeitungseinrichtungen werden z.B. benutzt um Werkstücke miteinander zu verschweissen, ein Werkstück zu schneiden oder für Trennschweissverfahren . Bei diesen Anwendun gen wird eine Sonotrode in Schwingungen versetzt und durch eine Vorschubeinheit auf das Werkstück oder die Werkstücke gepresst. Die Schwingungen werden auf das Fügeteil oder das Werkstück an einer Arbeitsfläche der Sonotrode übertragen. Dabei liegen die Schwingfrequenzen typischerweise in einem Bereich von 10 bis 50 kHz. Durch die Schwingungen wird das Werkstück bearbeitet und zum Beispiel beim Schweissen mit einem anderen Werkstück verbun den. Allerdings entsteht durch eine Reibung zwischen dem Werk stück und der Sonotrode insbesondere bei metallischen Werkstü cken auch ein Verschleiss an der Sonotrode und insbesondere am Amboss, welcher zum Beispiel die Schweissqualität über die Zeit mindert .
Zudem erhöht sich eine Bearbeitungszeit. In einem eng getakteten Produktionsprozess ist dies problematisch, da die Teile in den nächsten Prozess weitergegeben werden und sich die gesamte Pro duktion verlangsamt.
Bisher wurde dieser Verschleiss durch eine Nachregelung des Dru ckes oder der Amplitude kompensiert, mit welchem die Sonotrode gegen das Werkstück gepresst wird. Dabei wurde auf die Erfahrung eines Maschinenbedieners („Bauchgefühl") zurückgegriffen, der aus Vergangenheitswerten den Anpressdruck anpasst. Die Anpassung setzt also Expertise und Erfahrung voraus. Dennoch ist die An- passung häufig ungenau. Ein Erfolg der Anpassung wurde anhand der Qualität der Schweissung im Nachhinein ermittelt.
DE 103 18 485 Al zeigt ein Verfahren zum Verschweissen mit einer Ultraschallsonotrode. Bei dem Verfahren wird ein Abstand zwi schen Sonotrode und Amboss durch einen Regelkreis kontrolliert. Dadurch werden temperatur- oder verschleissbedingte Abstandsän derungen zwischen der Sonotrode und dem Amboss kompensiert. DE 103 18 485 Al hat den Nachteil, dass eine Leistung der Ultra schallsonotrode vorgegeben wird als Führungsgrösse und der Leis tungseintrag als Regelgösse verwendet wird. Eine Verwendung der Leistung der Sonotrode als Führungsgrösse hat den Nachteil, dass Verschleiss zu einer höheren Leistung führt, was wiederum zu ei nem höheren Verschleiss führt.
US 2008/110550 A zeigt eine Vorrichtung mit einem Ultraschall horn. Ein Spalt zwischen dem Ultraschallhorn und einer Walze soll reguliert werden. Dafür weist die Vorrichtung eine An triebseinheit auf, durch welche die Position des Ultraschall horns im Verhältnis zu der Walze bestimmt wird. Ein Druckmess sensor misst einen Anpressdruck der Antriebseinheit. Abhängig von der gemessenen Kraft wird die Antriebseinheit gesteuert, so- dass der Spalt eine konstante Grösse aufweist. US 2008/110550 hat den Nachteil, dass eine sich durch den Verschleiss vermin dernde Schweissqualität unerkannt und unverändert bleibt. Zudem hat die Spaltregelung den Nachteil, dass intermittierende Ver fahren eine präzise und aufwendige Spaltregelung erfordern.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stan des der Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine Vorrich tung zur Verfügung gestellt werden, die einfach bedienbar ist und die Schweissqualität erhält, ohne dabei den Verschleiss un nötig weiter zu erhöhen. Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit den Merkmalen der un abhängigen Ansprüche gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ult raschallbearbeiten. Das Ultraschallbearbeiten kann ein Schweis- sen und/oder Schneiden und/oder Trennschweissen eines Werkstü ckes sein. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte:
Bewegen einer Ultraschallsonotrode mittels eines Vorschubes.
Bearbeiten eines Werkstückes mit einer Bearbeitungsfläche der Sonotrode durch Aufbringen von Ultraschallschwingungen.
Messen einer Zeit bis zum Erreichen einer Bearbeitungsposi tion, der Sonotrode, mittels eines Sensors zum Detektieren einer Bearbeitungsposition der Sonotrode und einer Rech nereinheit. In einer Variante kann der Amboss den Sensor aufweisen. Der Sensor kann eingerichtet sein, um einen Kon takt vom Werkstück oder vom Amboss mit der Sonotrode zu er kennen. Alternativ kann der Sensor eingerichtet sein um ei nen Kontakt zu erkennen mit einem Teil, welches an dem Vor schub oder einem Konverter befestigt ist und vom Vorschub angetrieben wird. Bevorzugt schliesst sich der Kontakt bei Erreichen der Bearbeitungsposition der Sonotrode.
Ermitteln eines Verschleisses durch Vergleichen der gemesse nen Zeit mit einem Sollwert mittels einer Rechnereinheit
Falls die Zeit den Sollwert über- oder unterschreitet,
i. erfolgt ein Anpassen des Anpressdruckes des Vorschubes oder ein Anpassen einer Schwingungsamplitude für das nächste Werkstück, sodass die Zeit bis zur Detektion der Bearbeitungsposition durch den Sensor in einem vor gegebenen Bereich liegt, und bevorzugt konstant bleibt oder
ii.wird ein nachfolgendes Werkstück nicht bearbeitet oder iii.wird der Verschleiss einem Benutzer durch ein Benutzer interface angezeigt.
Bei einem Verschleiss der Sonotrode steigt die Dauer von einem Werkstück zum nächsten Werkstück an, bis ein Kontakt erreicht ist. Dieser Parameter wird genutzt, um einen Verschleiss zu er kennen und den Auswirkungen des Verschleisses im Hinblick auf die Schweissqualität entgegenzuwirken, bevor diese an den Werk stücken selbst erkennbar werden. Folglich soll in der erfin- dungsgemässen Lösung die Zeit bis die Bearbeitungsposition er reicht ist, über den Anpressdruck und/oder über die Schwingungs amplitude der Sonotrode geregelt werden, insbesondere konstant gehalten werden oder bei Verschleiss für ein nächstes Werkstück das Bearbeiten abgebrochen werden oder einem Benutzer der Ver schleiss angezeigt werden.
Bevorzugt wird die Zeit über den Anpressdruck geregelt, da dadurch der Leistungseintrag so wenig möglich verändert wird.
Die Zeit könnte alternativ oder zusätzlich über die Schwingungs amplitude der Sonotrode geregelt werden. Im Gegensatz zum An pressdruck lässt sich die Schwingungsamplitude feiner einstel len .
Dies hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Schweissqualität erhalten bleibt oder ein Benutzer die Möglich keit hat Massnahmen einzuleiten um die Schweissqualität zu er halten, ohne die Sonotrode durch einen erhöhten Leistungseintrag zusätzlich zu beschädigen. Folglich wird durch die erfindungsge- mässe Lösung eine Schweissqualität einer Ultraschallschweissein richtung verbessert. Ausserdem wird die Lebensdauer einer Sonot rode verbessert.
Bevorzugt wird die Zeit ab einem vorher festgelegten Zeitpunkt in einem Bewegungszyklus der Sonotrode gemessen. In einer Aus führungsform wird die Zeit ab einem Einschalten des Ultraschalls gemessen. Alternativ kann auch die Zeit ab einer Betätigung des Vorschubes in Richtung des Werkstückes gemessen werden. Ein an derer Startpunkt kann die Detektion der Bearbeitungsposition o- der einer Endposition der Sonotrode von einem vorherigen Werk stück sein. Weiter kann der StartZeitpunkt ein Öffnen eines Ven tils für den Vorschub sein. In einer weiteren Ausführungsform wird der Ultraschall bei Detektierung der Bearbeitungsposition ausgeschaltet .
Der Sensor zum Detektieren einer Bearbeitungsposition der Sonot rode kann ein Druck- oder Kraftsensor (z.B. PZT) sein. Der Sen sor kann am Amboss angeordnet sein, insbesondere an einer Fläche für das Werkstück. Bevorzugt ist der Druck- oder Kraftsensor so angeordnet, dass die Sonotrode das Werkstück auf den Druck- oder Kraftsensor drückt.
In alternativen Ausführungsformen kann der Sensor ein Bewegungs sensor für die Sonotrode sein. Die Bearbeitungsposition der So notrode kann dabei z.B. erkannt werden durch eine Stillstander kennung (keine Wegänderung pro Zeiteinheit) . In einer weiteren Variante ist der Sensor ein elektrisch leitendes Kontaktteil und ein Kontakt zwischen Sonotrode und Kontaktteil schliesst direkt oder indirekt über das Werkstück einen elektrischen Kreis. Ein Kontakt erfolgt z.B. beim Trennschweissen zwischen Sonotrode und Trenngut, Amboss und Trenngut und, nach erfolgter Durchtrennung, zwischen Sonotrode und Amboss. In einer weiteren Variante kann der Sensor ein Drucksensor für einen Druck in einem pneumati schen Antrieb sein. Die Bearbeitungsposition kann eine Endposi tion der Sonotrode sein. In einer anderen Variante wird die Be arbeitungsposition durch Leistungsanstieg bei schwingend aufset zender Sonotrode erkannt.
In einer Variante der Erfindung ist der Vorschub kraft- oder weggesteuert. Bevorzugt ist der Vorschub kraftgesteuert, da so eine maximale Belastung für die Sonotrode limitiert werden kann. Der Sollwert kann ein fixer Wert oder ein Toleranzband mit einem oberen und einem unteren Wert sein.
In der Bearbeitungsposition überträgt die Sonotrode Ultraschall auf das Werkstück. In einer Variante kann die Bearbeitungsposi tion eine Endposition der Sonotrode sein. In der Endposition ist das Verfahren der Sonotrode durch den Vorschub in Richtung des Werkstückes abgeschlossen.
Der vorgegebene Bereich für die Zeit bis zum Erreichen der Bear beitungsposition kann unveränderlich oder veränderlich sein. In einer Variante kann der vorgegebene Bereich aus der letzten Be arbeitungszeit berechnet werden. In einer anderen Variante wird der vorgegebene Bereich einmalig bei einer Kalibrierung der Ma schine eingestellt.
Das Verfahren ist bevorzugt intermittierend. Das heisst, dass die Sonotrode zum Ultraschallbearbeiten durch den Vorschub auf das Werkstück bewegt wird und nach dem Bearbeiten von diesem weg bewegt wird. Dann wird das Werkstück aus einem Bearbeitungsraum entfernt und ein nachfolgendes Werkstück in den Bearbeitungsraum eingefügt. Anschliessend wird der Prozess für jedes nachfolgende Werkstück wiederholt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vorschub ein pneu matischer Vorschub und umfasst ein steuerbares Ventil zur Regu lierung einer Druckluftzufuhr. Pneumatische Vorschübe eignen sich besonders für das oben genannte Verfahren, da ein Anpress druck präzise gesteuert werden kann. Ebenfalls besonders geeig net sind alle Vorschübe, welche kraftgesteuert sind. Beispiels weise können elektrische Vorschübe mit einer entsprechenden Re gelung kraftgesteuert sein oder ein hydraulischer Vorschub ver wendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren aus serdem die folgenden Schritte: Das Ventil wird zu einer ersten vorbestimmten Stellung für den pneumatischen Vorschub durch eine Ventilsteuerung ge öffnet .
Eine zweite Öffnungsstellung für das Ventil wird mittels der Rechnereinheit berechnet, sodass eine Bearbeitungszeit des nächsten Werkstückes in einem vorgegebenen Bereich liegt. Bevorzugt bleibt die Bearbeitungszeit konstant von einem Werkstück zum nächsten.
Dadurch kann der Anpressdruck der Sonotrode besonders einfach geregelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform lässt die zweite Öffnungs stellung bevorzugt mehr oder weniger Druckluft durch als die erste Öffnungsstellung. Während dem regulären Betrieb wird durch den Verschleiss die Bearbeitungszeit von Werkstück zu Werkstück länger. Daher wird ein Anpressdruck dadurch erhöht, dass das Ventil weiter geöffnet werden kann. Wenn die verschlissenen Werkzeuge ausgetauscht werden und neue eingesetzt werden, wird die Bearbeitungszeit wieder kürzer und die Druckluft über das Ventil kann reduziert werden.
Ausserdem kann durch mehr oder weniger Druckluft eine Über-/ Un terkompensation bei der Anpassung durch die Rechnereinheit fort laufend korrigiert werden.
In einem bevorzugten Verfahren wird der Verschleiss auf einem Benutzerinterface, bevorzugt einem Bildschirm, angezeigt. Bei spielsweise kann der Verschleiss in Form einer Prozentangabe und/oder eines graphischen Diagramms angezeigt werden. Dadurch kann ein Benutzer erkennen, wie gross der Verschleiss ist.
In einem bevorzugten Verfahren wird der Anpressdruck durch die Rechnereinheit angepasst. Besonders bevorzugt wird der Anpress druck ohne die Bestätigung eines Bedieners angepasst. Optional kann die Recheneinheit einem Benutzer Vorschläge zur Anpassung des Anpressdruckes des Vorschubes präsentieren, bevorzugt visu ell anzeigen, und der Benutzer kann anschliessend eine der Opti onen auswählen. In bestimmten Fällen kann eine Auswahl nur von vorbestimmtem Personal wie einem Anlagenführer durchgeführt wer den .
In einem bevorzugten Verfahren beinhaltet das Anpassen des An pressdruckes des Vorschubes eine Erhöhung oder Senkung einer An presskraft bei Erreichen des Werkstücks. Dadurch kann eine Ver minderung der Schweissqualität durch Verschleiss verringert wer den .
In einem bevorzugten Verfahren ist eine vorbestimmte Obergrenze für die Zeit bis zur Detektion der Bearbeitungsposition durch den Sensor oder eine vorbestimmte Obergrenze für das Anpassen des Anpressdruckes während der Bearbeitung des Werkstückes in einem Speicher der Rechnereinheit hinterlegt. Bei einem Über schreiten der ersten vorbestimmten Obergrenze kann erkannt wer den, dass eine Lebenszeit der Sonotrode oder des Ambosses abge laufen ist aufgrund des Verschleisses an der Bearbeitungsfläche der Sonotrode oder des Ambosses. Die erste vorbestimmte Ober grenze kennzeichnet dabei bevorzugt ein Lebenszeitende des Werk zeugs. Dadurch kann eine Überbelastung des Konverters und damit Schäden am Konverter verhindert werden. Ausserdem kann die Sono trode ausgetauscht werden, bevor ein erhöhter Ausschuss von Werkstücken auftritt.
In einer Variante wird der Anpressdruck des Vorschubes durch die Rechnereinheit angepasst und dadurch die Bearbeitungszeit kon stant gehalten. Dabei kann ein maximaler Anpressdruck, zum Bei spiel durch einen maximalen pneumatischen Druck oder eine maxi male Öffnungsstellung des Ventils, hinterlegt sein. Der maximale Anpressdruck kann nicht überschritten werden. Dadurch über- schreitet die Zeit durch den Verschleiss die vorbestimmte Ober grenze, da der Anpressdruck nicht mehr nachgeregelt werden kann.
In einer alternativen Variante wird bei jeder Anpassung des An pressdruckes diese Anpassung in einem Speicher hinterlegt. Aus der Historie der Anpassung (en) wird errechnet ob die Obergrenze erreicht ist.
In einem bevorzugten Verfahren ist in der Rechnereinheit eine zweite vorbestimmte Obergrenze für die Zeit bis zum Schliessen eines Kontaktes zwischen der Sonotrode während der Bearbeitung des Werkstückes hinterlegt.
Bei Überschreiten der zweiten vorbestimmten Obergrenze wird ein Verschleiss der Sonotrode auf einem Benutzerinterface angezeigt. Das Benutzerinterface ist bevorzugt ein Bildschirm, kann aber auch als akustische Anzeige oder als Leuchtsignal ausgestaltet sein. Dadurch kann ein Benutzer frühzeitig erkennen, dass ein Verschleiss an der Sonotrode oder am Amboss aufgetreten ist, welcher bald einen Wechsel des jeweiligen Werkzeugs bedingt. Dadurch können Stillstandszeiten an der Maschine vermieden wer den und ein Benutzer kann rechtzeitig Ersatzteile besorgen.
Alternativ können die zweite und/oder die erste vorbestimmte Obergrenze auch eine Obergrenze für den Anpressdruck oder für die Schwingungsamplitude der Sonotrode sein, bevorzugt für die Öffnungsstellung des Ventils.
In einem bevorzugten Verfahren wird die Zeit bis zum Erreichen der Bearbeitungsposition der Sonotrode mittels der Rechnerein heit während der Bearbeitung des Werkstückes auf einem Speicher hinterlegt. Bevorzugt ist der Speicher ein Teil der Rechnerein heit. Dadurch kann im Nachhinein anhand des Verlaufes der Zeiten zur Bearbeitung ein Verschleiss nachvollzogen werden. Bevorzugt wird auch der Anpressdruck des Vorschubes, besonders bevorzugt die Öffnungsstellung des Ventils hinterlegt. Weitere Parameter wie Energie oder Amplitude können ebenfalls hinterlegt werden. Weiterhin können dadurch beim Einsetzen einer neuen Sonotrode Schweissparameter richtig eingestellt werden, beispielsweise in dem die/einer der Schweissparameter, insbesondere Anpressdruck, der vorherigen Sonotrode bei ihrem erstmaligen Einsetzen über nommen werden.
Der Speicher ist bevorzugt elektronisch.
In einem bevorzugten Verfahren ist der Sollwert für Zeit bis zum Erreichen einer Bearbeitungsposition Sonotrode eine Zeit bis zum Schliessen des Kontaktes von zumindest einem vorangegangenen, bevorzugt unmittelbar vorangegangenen, Bearbeitungsvorgang eines Werkstückes mit Ultraschall. Dadurch kann der Sollwert dynamisch angepasst werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäss einem oben ge nannten Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallbearbeitungsein richtung auszuführen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm produkt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbarem Datenträger gespeichert sind, um das oben genannte Verfahren durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer aus geführt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Ultraschallbear beitungseinrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes. Die Ein richtung umfasst eine Sonotrode mit einer Bearbeitungsfläche für ein Werkstück, einen - bevorzugt pneumatischen - Vorschub für die Sonotrode, wobei der Vorschub eine Steuerung umfasst und ei nen Sensor zum Detektieren einer Bearbeitungsposition der Sonot rode während der Bearbeitung des Werkstückes. Ausserdem umfasst die Einrichtung eine Recheneinheit. Die Rechnereinheit ist dazu ausgebildet die folgenden Schritte durchzuführen: Berechnen einer Zeit bis zum Erreichen der Bearbeitungsposi tion der Sonotrode während der Bearbeitung des Werkstückes
Vergleichen der Zeit mit einem Sollwert
Berechnen eines angepassten Anpressdruckes oder einer ange passten Amplitude, sodass eine Bearbeitungszeit des Werkstü ckes in einem vorgegebenen Bereich liegt, und bevorzugt kon stant bleibt, besonders bevorzugt berechnen einer zweiten Öffnungsstellung für ein Ventil mittels der Rechnereinheit.
Eine Korrelation zwischen Anpressdruck/Amplitude und Zeit kann für ein Set aus Sonotrode, Amboss und Werkstücktypus durch Vor versuche empirisch ermittelt werden. In einer weiteren Variante wird die Korrelation analytisch, beispielsweise durch einen Al gorithmus berechnet.
Bevorzugt enthält die Steuerung eine Ventilsteuerung und ein durch die Ventilsteuerung steuerbares Ventil mit einer Schliess- stellung und zumindest zwei Öffnungsstellungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil ein Propor tionalventil .
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Einrichtung eine Feder und/oder ein zweites steuerbares Ventil auf für die Rück stellung der Sonotrode.
Die Einrichtung und das Verfahren können in Verbindung mit Tor- sional- und Longitudinal- Sonotrodenschwingungen verwendet wer den .
Anhand von Figuren, welche lediglich Ausführungsbeispiele dar stellen, wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen schematisch: Figur 1: eine schematische Ansicht einer Ultraschallschweiss- anlage,
Figur 2: ein Blockdiagramm einer Steuerung für den Anpress druck der Sonotrode,
Figur 3: ein Verfahren gemäss der Erfindung,
Figuren 4A bis 4C: verschiedene Graphen, welche eine Entwicklung einer Bearbeitungszeit über einen Abschnitt einer Lebenszeit einer erfindungsgemässen Ultraschall- schweissanlage zeigen, und
Figuren 5A bis 5B: verschiedene Graphen, welche die Entwicklung eine Ventilstellung während der Bearbeitung zeigen.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ultraschall- schweissanlage 27. Die Ultraschallschweissanlage 27 weist einen Vorschub 3, einen Konverter 25, einen Booster 21 und eine Sonot rode 2 auf. Dabei ist die Sonotrode 2 mit dem Booster 21 verbun den. Der Konverter 25 konvertiert mittels piezoelektrischer Um wandler elektrische Impulse eines Generators 31 in mechanische Schwingungen. Die mechanischen Schwingungen werden durch den Booster 21 verstärkt und auf die Sonotrode 2 übertragen. Dadurch schwingt die Sonotrode 2, wie durch einen Pfeil 22 angezeigt, mit Torsional-UltraschallSchwingungen .
Der Vorschub 3 bewegt die Einheit aus Konverter 25, Booster 21 und Sonotrode 22 entlang einer Vorschubrichtung 23 hoch und run ter. Unterhalb der Sonotrode 2 ist zwischen der Sonotrode 2 und einem Amboss 26 ein Werkstück 1 angeordnet. Durch den Vorschub 3 wird die Sonotrode in Richtung Werkstück bewegt, sodass eine Be arbeitungsfläche 4 der Sonotrode mit dem Werkstück 1 in Kontakt kommt. Die Bearbeitungsfläche 4 ist an der Sonotrode 2 angeord net und überträgt die Ultraschallschwingungen 22 von der Sonot rode 2 auf das Werkstück 1. Der Vorschub 3 weist einen Antrieb 29 auf. Durch den Antrieb 29 kann der Vorschub 3 die Sonotrode 2 gegen das Werkstück 1 pres sen. Daher wird Ultraschallschweissen auch als Pressschweissver- fahren klassifiziert. Der Antrieb 29 ist ein pneumatischer An trieb 29 mit einem Ventil 30. Der Antrieb 29 kann ein einfach oder ein doppeltwirkender pneumatischer Antrieb sein. Beim Öff nen des Ventils 30 strömt Luft aus einem Druckluftbehälter oder einer Druckluftleitung in den pneumatischen Antrieb und bewegt dadurch den Vorschub. Das Ventil 30 wird durch eine Ventilsteue rung 11 geöffnet und geschlossen. Ein Beispiel für die Ventil steuerung 11 ist eine SPS Steuerung. Wenn das Ventil geöffnet wird, fängt der Vorschub und damit die Sonotrode an, sich in Richtung des Werkstückes 1 zu bewegen. Dies definiert einen ers ten Zeitpunkt.
Die Ultraschallschweissanlage 27 weist einen mit dem Vorschub 29 verbundenen Kontakt und ein am Amboss angebrachter Kraftsensor 5 auf. Wenn die Sonotrode ihre Bearbeitungsposition erreicht und einen Druck auf das Werkstück 1 ausübt, wird dies durch den Kraftsensor 5 detektiert und gleichzeitig wird auch das Ventil geschlossen. Dies definiert einen zweiten Zeitpunkt. Sobald die Anpresskraft einen Schwellwert überschreitet detektiert der Sen sor einen Kontakt. Die Zeit zwischen dem ersten und den zweiten Zeitpunkt wird durch eine Rechnereinheit 6 (siehe Figur 2) über wacht und erfasst.
Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm, welches die Steuerung des Ven tils 30 veranschaulicht. Zunächst werden der Zeitpunkt, in dem das Ventil 30 geöffnet wird, und der Zeitpunkt des Erreichens der Bearbeitungsposition erfasst. Die Differenz zwischen diesen Zeiten ist eine Bearbeitungszeit 7 (siehe Figuren 4A bis C) für ein Werkstück 1. Diese Bearbeitungszeit 7 wird als Steuergrösse an eine Rechnereinheit 28 weitergeben geben oder von dieser be rechnet. Die Rechnereinheit 28 enthält eine Steuereinheit 6. In der Steuereinheit 6 ist gleichzeitig auch in einem Speicher eine obere und eine untere Grenze 14, 15 (siehe Figur 4A-C) für die Bearbeitungszeit 7 hinterlegt. Wenn die Bearbeitungszeit 7 zwi schen oberer und unterer Grenze 14, 15 liegt, dann belässt die Steuereinheit 6 die Ventilsteuerung 11 und damit das Ventil in der bisherigen Einstellung. Da an der Sonotrode 2 mit der Zeit Verschleiss eintritt, erhöht sich langsam die Bearbeitungszeit 7. Sobald die Bearbeitungszeit die obere Grenze 14 zum ersten Mal überschreitet reagiert die Steuereinheit 6 auf den Ver schleiss .
In einer ersten Variante zeigt die Steuerung diesen Verschleiss auf einem Benutzerinterface 13 einem Maschinenbediener an.
Gleichzeitig zeigt das Benutzerinterface 13 dem Maschinenbedie ner auch eine Option an: Das Benutzerinterface schlägt dem Ma schinenbediener vor, eine neue Ventilöffnungsstellung zu wählen. Dabei kann der Benutzer zwischen verschiedenen Ventilöffnungs stellungen wählen oder aber die Ventilöffnungsstellung auf einer Skala frei einzustellen.
In einer zweiten, erfindungsgemässen Variante schlägt die Steue rung dem Maschinenbediener eine oder mehrere geeignete Ventil öffnungsstellungien) vor. Diese geeignete Ventilöffnungsstellung wird auf Basis des Verlaufs der Bearbeitungszeit berechnet und der Differenz zwischen dem oberen bzw. dem unteren Wert 14, 15 der Bearbeitungszeit und der aktuellen zuletzt gemessenen Bear beitungszeit .
In einer dritten, erfindungsgemässen Variante passt die Steue rung unabhängig von einer Eingabe des Maschinenbedieners die Öffnungsstellung des Ventils über die Ventilsteuerung 11 direkt selbst an, regelt diese also. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bearbeitungszeit stets im vorgegebenen Bereich zwischen obe rer Grenze und unterer Grenze liegt. Figur 3 zeigt das Verfahren zum Anpassen der Öffnungsstellung als Blockschaubild im Detail. In einem ersten Schritt 101 wird damit begonnen, die Ultraschallsonotrode 2 mittels des Vorschu bes 3 entlang der Vorschubrichtung 23 zu bewegen. Durch diese Bewegung und durch den Vorschub wird die Sonotrode 2 auf das Werkstück 1 gepresst und das Werkstück 1 dadurch in einem zwei ten Schritt 102 bearbeitet. Dabei kann die Bearbeitung ein Ver- schweissen von zwei Werkstücken 1 oder das Schneiden eines ein zelnen Werkstücks 1 oder ein Trennschweissen eines Werkstückes 1 sein. Wenn die Sonotrode 2 eine unterste Position erreicht hat, schliesst sich ein Kontakt mit dem Amboss. Dadurch kann in
Schritt 103 die Zeit bis zum Schliessen des Kontaktes ermittelt werden .
Die ermittelte Zeit wird dann verglichen mit einem Sollwert (Schritt 104) . Dabei ist der Sollwert die Bearbeitungszeit 7 des vorangegangenen Schweisszyklus . Ein Anstieg der Bearbeitungszeit 7 von einem Werkstück zum nächsten Werkstück zeigt einen Ver- schleiss an der Sonotrode 2 an. Falls die Bearbeitungszeit 7 dann den Sollwert bei einem Werkstück unterschreitet oder über schreitet (Schritt 105) , wird die Steuerung des Vorschubes so angepasst (Schritt 106), dass die Zeit bis Detektieren der Bear beitungsposition der Sonotrode 2 beim nächsten Werkstück im Be reich des Sollwertes (siehe Fig. 4A-C) liegt. Praktisch kann das bedeuten, dass die Bearbeitungszeiten für jedes einzelne Werk stück 1 konstant bleiben. Anschliessend wird die Sonotrode 2 in eine Ausgangsposition zurückgeführt (Schritt 107) und der
Schweissprozess kann erneut beginnen. Der Sollwert oder das To leranzband von der Bearbeitungszeit 7 kann auch ein gleitender Mittelwert einer Mehrzahl der Bearbeitungszeiten der vorangegan gen Werkstücke sein.
Figuren 4A bis 4C zeigen den Verlauf einer Bearbeitungszeit 7 abhängig von einer von der Anpassung der Ventilstellung in ver- schiedenen Graphen. Der Graph 4A zeigt auf seiner y-Achse eine Zykluszeit T und auf der x-Achse den Zeitverlauf. Figur 4A zeigt die Bearbeitungszeit 7 pro Werkstück, ohne das erfindungsgemässe Verfahren. Mit der Zeit nutzt sich die Sonotrode 2 immer stärker ab, sodass die Bearbeitungszeit 7 anfängt sich langsam und dann schneller zu erhöhen. In einem eng getakteten Produktionsprozess ist dies problematisch, da die Teile in den nächsten Prozess weitergegeben werden und sich die gesamte Produktion verlang samt. Zwar könnten die Bearbeitungszeiten konstant gehalten wer den, indem der Prozess vorher abgebrochen würde, allerdings wür de dies in Teilen mit minderer Schweissqualität oder Trennung resultieren. Eine Möglichkeit für den Fachmann die Bearbeitungs zeit 7 konstant zu halten, wäre die Schweissenergie zu erhöhen. Dies hat den Nachteil dass die Sonotrode 2 unnötig stark bean sprucht wird und früher ausgetauscht werden muss oder gar den Konverter beschädigt.
Ein Sollwert 8 ist in den Figuren 4A bis 4C als Toleranzband mit einem oberen und einem unteren Wert 14, 15 ausgebildet. Der Sollwert 8 kann auch ein einzelner Wert sein.
Figur 4B zeigt einen Verlauf der Bearbeitungszeit 7, bei dem das erfindungsgemässe Verfahren angewendet wird. Sobald die Bearbei tungszeit 7 die obere Grenze 14 überschreitet, wird der Anpress druck des Vorschubes 3 so angepasst, dass die Bearbeitungszeit 7 wieder zwischen dem oberen Wert 14 und dem unteren Wert 15 liegt. Eine Variante zur Anpassung des Anpressdruckes des Vor schubes liegt darin, bei dem pneumatischen Antrieb 29 das Ventil weiter zu öffnen. In anderen Varianten wird der Vorschub hydrau lisch oder elektrisch angetrieben.
In Figur 4C ist der Verlauf einer Bearbeitungszeit 7 gezeigt, bei der die Bearbeitungszeit 7 die untere Grenze 15 unterschrei tet. Dies kann beispielsweise bei einem Austausch der Sonotrode 7 passieren. Dadurch, dass eine neue, unverschlissene Sonotrode 2 ' (nicht gezeigt) verwendet wird, verkürzen sich schlagartig die Bearbeitungszeit 7, sodass der untere Wert 15 unterschritten wird. Dann wird durch die Steuerung mit der Rechnereinheit 6 der Anpressdruck so angepasst, zum Beispiel durch eine zweite Öff nungsstellung, die weniger Luft durchlässt als die erste Öff nungsstellung, dass die Bearbeitungszeit 7 sich wieder verlän gert und zwischen den beiden Sollwerten 14, 15 befindet.
In Figuren 5A und 5B ist die Entwicklung einer Öffnungsstellung V des Ventils für den pneumatischen Antrieb gezeigt. Dabei zeigt die y-Achse die Öffnungsstellung V und die x-Achse einen Zeit verlauf t. In beiden Figuren wird eine erste Obergrenze 16 und eine zweite Obergrenze 17 gezeigt.
Während der Verschleiss an der Sonotrode 2 immer weiter zunimmt, wird durch die Steuereinheit 6 das Ventil beim Antreiben der So notrode 2 von der Bearbeitung von einem Werkstück zum nächsten Werkstück immer weiter geöffnet. Jedes Mal, wenn in Figur 4 B die Bearbeitungszeit 7 kürzer wird, wird das Ventil für das nächste Werkstück weiter geöffnet. Daher zeigt die Öffnungsstel lung des Ventils einen Verschleiss an der Sonotrode 2 an. Alter nativ könnten auch die Verkürzungen der Bearbeitungszeiten bei jedem weiteren Öffnen des Ventils addiert werden. Die erste Obergrenze 16 zeigt einen maximalen Anpressdruck an, welcher durch den Antrieb 29 ausgeübt werden kann. Ein weiteres Öffnen des Ventils würde zu keinem höheren Anpressdruck führen oder ei ne maximale Öffnungsstellung ist bei der Obergrenze 16 bereits erreicht. Bei Erreichen der maximalen Öffnungsstellung wird die Sonotrode mit einem maximalen Anpressdruck gegen das Werkstück gepresst. Der maximale Anpressdruck wird erst bei einer ver schlissenen Sonotrode erreicht. In Ultraschallanwendungen ist der Anpressdruck maximal 30 bar.
Die erste Obergrenze 16 zeigt eine Verschleiss- bzw. eine Belas tungsgrenze für die Sonotrode 2 an. Daher ist die Rechnereinheit 6 so eingestellt, dass die Obergrenze 16 nicht überschritten wird und der Prozess abgebrochen werden kann bzw. abgebrochen wird .
Die zweite Obergrenze 17 zeigt an, dass bald die erste Obergren ze 16 erreicht sein könnte. Bei Erreichen der zweiten Obergrenze 17 zeigt das Benutzerinterface 13 (siehe Figur 2) dem Maschinen bediener an, dass die Sonotrode 2 ausgetauscht werden muss. Der Maschinenbediener kann dadurch Ersatzteile aus dem Lager holen und/oder, wenn nötig, bestellen, rechtzeitig bevor der Austausch bei der ersten Obergrenze 16 tatsächlich nötig ist.
In dem Beispiel in Figur 5A ist der Verlauf einer Ventilstellung für eine Steuerung gezeigt, bei der auf ein Toleranzband hin ge steuert wird (siehe Figur 4B) . Sobald die Bearbeitungszeit 7 sich ausserhalb des Bandes 14, 15 befindet, wird die Ventilstel lung so angepasst, dass die Bearbeitungszeit 7 wieder mittig o- der an einem unteren Ende des Bandes 14, 15 liegt. Dadurch wird die Ventilstellung in Sprüngen angepasst wie in Figur 5A ge zeigt .
Bei dem Beispiel in Figur 5B ist der Verlauf einer Ventilstel lung für eine Steuerung gezeigt, bei der auf einen einzelnen Sollwert hin gesteuert wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (100) zum Ultraschallbearbeiten, bevorzugt
Schweissen und/oder Schneiden und/oder Trennschweissen, ei nes Werkstückes (1) enthaltend die Schritte
Bewegen einer Ultraschallsonotrode (2) mittels eines Vorschubes (3) ,
Bearbeiten des Werkstückes (1) mit einer Bearbeitungs fläche (4) der Sonotrode (2) durch Aufbringen von Ult raschallSchwingungen,
- Messen einer Zeit (7) bis zum Erreichen einer Bearbei tungsposition der Sonotrode (2), mittels eines Sensors zum Detektieren einer Bearbeitungsposition der Sonot rode (5) und einer Rechnereinheit (6)
Ermitteln eines Verschleisses durch Vergleichen der Zeit (7) mit einem Sollwert (8) mittels der Rech nereinheit
Falls die Zeit (7) den Sollwert (8) über- oder unter schreitet,
i. erfolgt ein Anpassen des Anpressdruckes des Vor schubes (3) und/oder ein Anpassen der Schwin gungsamplitude der Sonotrode durch die Rech nereinheit für das nächste Werkstück, sodass die Zeit (7) bis zur Detektion der Bearbeitungsposi tion durch den Sensor in einem vorgegebenen Be reich liegt, und bevorzugt konstant bleibt oder ii. wird ein nachfolgendes Werkstück nicht bearbeitet oder
iii. wird der Verschleiss einem Benutzer durch ein Be nutzerinterface angezeigt.
2. Verfahren (100) gemäss Anspruch 1, wobei der Vorschub (3) pneumatisch angetrieben wird und durch ein Ventil (9) für eine Druckluftzufuhr gesteuert wird.
3. Verfahren (100) gemäss Anspruch 2, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Öffnen des Ventils (9) zu einer ersten vorbestimmten Öffnungsstellung (10) für den pneumatischen Vorschub (3) durch eine Ventilsteuerung (11)
Berechnen einer zweiten Öffnungsstellung (12) für das Ventil mittels der Rechnereinheit (6), sodass eine Be arbeitungszeit eines nächsten Werkstückes (3) in einem vorgegebenen Bereich liegt, und bevorzugt konstant bleibt .
4. Verfahren (100) gemäss Anspruch 2 oder 3, wobei das Verfah ren zusätzlich die folgenden Schritte enthält:
Ersetzen der ersten vorbestimmten Öffnungsstellung (10) durch die zweite berechnete Öffnungsstellung (12).
5. Verfahren (100) gemäss einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die zweite Öffnungsstellung (12) mehr oder weniger Druck luft durchlässt als die erste Öffnungsstellung (10).
6. Verfahren (100) gemäss einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren zusätzlich den folgenden Schritt enthält:
Anzeigen von Verschleiss auf einem Benutzerinterface (13), bevorzugt einem Bildschirm.
7. Verfahren (100) gemäss einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Anpressdruck durch die Rechnereinheit (6) angepasst wird, bevorzugt ohne Bestätigung eines Bedieners.
8. Verfahren (100) gemäss einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Anpassen des Anpressdrucks des Vorschubes (3) eine Er- höhung oder Senkung einer initialen Anpresskraft bei Errei chen des Werkstückes (1) beinhaltet.
9. Verfahren (100) gemäss einem der vorherigen Ansprüche, wobei in der Rechnereinheit (6) eine erste vorbestimmte Obergren ze (18) für die Zeit bis zur Detektion der Bearbeitungspo sition durch den Sensor während der Bearbeitung des Werk stückes oder eine vorbestimmte Obergrenze (16) für das An passen des Anpressdruckes hinterlegt ist und wobei bei Überschreiten der ersten vorbestimmten Obergrenze das Ver fahren zum Ultraschallbearbeiten abgebrochen wird.
10. Verfahren (100) gemäss einem der vorherigen Ansprüche, wo bei in der Rechnereinheit eine zweite vorbestimmte Ober grenze (19) für die Zeit bis zur Detektion der Bearbei tungsposition durch den Sensor während der Bearbeitung des Werkstückes oder eine vorbestimmte Obergrenze (17) für das Anpassen des Anpressdruckes hinterlegt ist und wobei bei Überschreiten der zweiten vorbestimmten Obergrenze (17, 19) ein Verschleiss der Sonotrode (2) oder des Ambosses (26) auf einem Benutzerinterface (13), bevorzugt einem Bild schirm, angezeigt wird.
11. Verfahren (100) gemäss einem der vorherigen Ansprüche, wo bei die Zeit bis zum Erreichen der Bearbeitungsposition der Sonotrode, mittels der Rechnereinheit (6) während der Bear beitung des Werkstückes (2) auf einem Speicher, bevorzugt ein Speicher der Rechnereinheit (6), hinterlegt werden.
12. Verfahren (100) gemäss einem der vorherigen Ansprüche, wo bei der Sollwert oder die Sollwerte eine Zeit bis zum
Schliessen des Kontaktes bis zum Erreichen des Kontaktes von zumindest einem vorangegangenen, bevorzugt unmittelbar vorangegangenen, Bearbeiten eines Werkstückes mit Ultra schall ist/sind.
13. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäss einem der vorherigen Ansprüche zum Betrieb einer Ultraschallbearbeitungseinrichtung auszuführen .
14. Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer ausgeführt wird .
15. Ultraschallbearbeitungseinrichtung (20) zur Bearbeitung ei nes Werkstückes (1) mittels Ultraschall umfassend:
eine Sonotrode (2) mit einer Bearbeitungsfläche (4) für ein Werkstück (1),
einen bevorzugt pneumatischen Vorschub (3) für die So notrode (2), wobei der Vorschub (3) eine Steuerung (11) umfasst, wobei die Steuerung eine Ventilsteuerung und ein steuerbares Ventil mit einer Schliessstellung und zumindest zwei verschiedenen Öffnungsstellungen enthält,
ein Sensor (5) zum Detektieren einer Bearbeitungsposi tion der Sonotrode während der Bearbeitung des Werk stückes und
eine Rechnereinheit (6)
wobei die Rechnereinheit (6) dazu ausgebildet ist die fol genden Schritte durchzuführen:
Berechnen einer Zeit bis zum Erreichen der Bearbei tungsposition, der Sonotrode während der Bearbeitung des Werkstückes
Vergleichen der Zeit mit einem Sollwert Berechnen eines angepassten Anpressdruckes, sodass eine Bearbeitungszeit des Werkstückes in einem vorgegebenen Bereich liegt, und bevorzugt konstant bleibt, beson ders bevorzugt Berechnen einer zweiten Öffnungsstel- lung für das Ventil mittels der Rechnereinheit.
16. Ultraschallbearbeitungseinrichtung gemäss Anspruch 15, wo bei das Ventil ein Proportionalventil ist.
17. Ultraschallbearbeitungseinrichtung gemäss Anspruch 15 oder
16, wobei die Ultraschallbearbeitungseinrichtung eine Feder und/oder ein zweites steuerbares Ventil aufweist für die Rückstellung der Sonotrode.
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WO1996014202A2 (de) * 1994-11-07 1996-05-17 Walter Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh Vorrichtung und verfahren zum fortlaufenden ultraschallbearbeiten einer materialbahn
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