WO2020187639A1 - Verfahren zur detektion eines in-oder-ausser-kontakt-tretens einer sonotrode mit einem gegenelement - Google Patents

Verfahren zur detektion eines in-oder-ausser-kontakt-tretens einer sonotrode mit einem gegenelement Download PDF

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Gerhard Gnad
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    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45146—Inertia friction welding

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting a coming into or out of contact of a sonotrode, which is set in oscillation with a frequency f and an oscillation amplitude Ao, with a counter element.
  • the present invention relates to a method for the detection of a sonotrode coming into contact with a counter-tool, a material to be processed being able to be arranged between the sonotrode and the counter-tool.
  • the present invention relates to a method for controlling an ultrasonic vibrating device.
  • Ultrasonic oscillating devices generally have at least one sonotrode, which can be set into mechanical oscillation as intended.
  • a counter tool is arranged opposite the sonotrode and the material to be processed is arranged between the sonotrode and the counter tool. The material is then provided with a weld seam or cut by the sonotrode, depending on the area of application.
  • the sonotrode and the counter tool come into contact, certain process events are indicated.
  • the coming into contact of the sonotrode and the counter-tool indicates that the material to be cut has been severed.
  • coming into contact between the sonotrode and the counter-tool can accordingly indicate an unintentional severing of the material.
  • the sonotrode and counter-tool can also come into contact indicate the reaching of an end of a material web guided along between the sonotrode and the counter tool.
  • so-called metal contact electronics were used, in which the coming into contact of the sonotrode and counter-tool was detected, similar to a relay switch, via an additional DC voltage applied from outside.
  • a method requires additional sensors or electronics and is therefore associated with greater effort and higher costs.
  • the acquisition times of such methods are 2 ms or more. This is too long for many applications.
  • the object of the present invention is to provide a method with which a sonotrode coming into or out of contact with a counter-element can be detected, the method eliminating or at least reducing the problems mentioned.
  • the object on which the invention is based is achieved by a method according to claim 1.
  • the subject matter of claim 1 is a method for the detection of a coming into or out of contact of a sonotrode, which is set in an oscillation with a frequency f and an oscillation amplitude Ao, with a counter element with the steps: a) Detection of a time Course of the oscillation amplitude Ao during a first measurement period DT, b) determining from the time course of the oscillation amplitude Ao whether contact has been made within the measurement period DT.
  • the method according to the invention can also be used to detect stepping out of contact. This can be important, for example, when processing multilayer systems with ultrasound, if the severing of an internal harder layer (i.e. the stepping out of contact with this harder layer) is to be detected.
  • the oscillation is preferably a periodic oscillation and in particular a harmonic oscillation. Assuming a harmonic oscillation with the frequency f, the deflection A (t) of the oscillation depends on the time t in the usual way
  • a (t) A 0 (t) cos (2 p / t) together with the oscillation amplitude Ao.
  • the sonotrode vibrates with a constant vibration amplitude Ao .
  • the oscillation amplitude changes, however, when the coupling between the sonotrode and the counter tool or between the sonotrode and the material to be processed changes, so that the oscillation amplitude is then also a time-dependent variable Ao (t).
  • the present invention makes use of this.
  • the point in time of stepping into or out of contact is determined significantly faster than is the case with the methods known from the prior art.
  • the method according to the invention thereby allows shorter acquisition times of 100 ps and less. The consequence of this is that a reaction is also quicker to a coming into or out of contact between the counter element and the sonotrode, in particular the counter tool and the sonotrode can. Consequently, the method according to the invention creates the possibility of reacting with very short reaction times to the sonotrode and counter-element coming into or out of contact.
  • the reaction time is to be understood as the time between the actual point in time of stepping into or out of contact and the point in time of a reaction directed to it, such as, for example, calling up a control command.
  • step b) of the method according to the invention determines whether the sonotrode has come into or out of contact with the counter-element if the detected vibration amplitude Ao deviates from a predetermined reference amplitude R by more than a predetermined tolerance value a or if the detected vibration amplitude Ao is outside a predetermined tolerance interval [T m m, m T ax] is located.
  • this embodiment provides a tolerance range which is either defined by a reference amplitude R and a tolerance value a or a tolerance interval [T m m, m T ax].
  • This tolerance range is a contiguous sub-range of the possible oscillation amplitude. It has been shown that such a tolerance range can be defined for each vibrating sonotrode of an ultrasonic vibrating device, so that the vibration amplitude when the sonotrode and counter-element come into contact or out of contact, and in particular when the sonotrode and counter-tool come into contact lies outside a definable tolerance range and otherwise lies within this tolerance range in the case of regular oscillation without the sonotrode and counter-element coming into or out of contact.
  • An in-or-out of contact is preferably only established when the oscillation amplitude leaves the tolerance range.
  • the vibration amplitude can assume values outside a predefined tolerance range, although the sonotrode and the counter-element do not come into or out of contact accordingly.
  • the determination of a coming into or out of contact presupposes that the oscillation amplitude leaves the tolerance range.
  • the oscillation amplitude does not assume values within the tolerance range until the transient process has ended. Therefore, the requirement of “leaving” ensures that an incorrect determination of an in or out of contact does not occur during the transient process.
  • the measurement period DT is also preferably designed such that a transient process of the sonotrode is completed before the start of the measurement period DT.
  • the reference amplitude can simply be the previously recorded measured value. As soon as the difference between the current measured value and the previous measured value (as reference amplitude) becomes greater than a predetermined tolerance value a, this is interpreted as coming into contact (or as stepping out of contact).
  • the tolerance value a can be based on empirical values.
  • the measurement signal of the oscillation amplitude is passed through a low-pass filter.
  • a time profile of the oscillation amplitude Ao is recorded and the reference amplitude and / or the tolerance interval are calculated from the detection during the second measurement period D ⁇ .
  • the tolerance range is advantageously determined during operation without a previous determination or adjustment of the ultrasonic oscillating device.
  • there is an automated self-calibration of the ultrasonic oscillating device which is always adapted to the ongoing operation or to the oscillation during ongoing operation, so that the appropriate reference amplitude does not have to be set externally for different ultrasonic oscillating devices or different applications or different external circumstances. This simplifies handling and improves the efficiency of the ultrasonic oscillating device in question.
  • the second measurement period is therefore preferably selected such that no contact between the sonotrode and counter-tool is to be expected within the second measurement period.
  • a further embodiment provides that a mean oscillation amplitude is calculated from the detection during the second measurement period At and the calculated mean oscillation amplitude is used in step b) as a predetermined reference amplitude.
  • a mean value of the oscillation amplitude which is calculated during operation, as the reference amplitude ensures that the tolerance range resulting from the reference amplitude and the tolerance value is always precisely adapted to ongoing operation.
  • the tolerance interval with T m in amine and T m ax AEA ma x is calculated.
  • This embodiment ensures in particular that the tolerance range formed by the tolerance interval includes all values of the oscillation amplitude which do not indicate the sonotrode coming into or out of contact with a counter-element.
  • the tolerance interval is always adapted to the special circumstances in the company. In this way, the tolerance interval of a single ultrasonic cutting device can adapt dynamically due to different external circumstances. For example, the tolerance interval in a first cutting process can be made wider than in a subsequent second cutting process.
  • the above-mentioned embodiments for the automated determination of the reference amplitude and / or the tolerance interval are preferably carried out once or only a few times. Subsequently, the reference amplitudes and / or tolerance intervals determined in this way are used for other similar processes for which no changes in the external circumstances are to be expected.
  • processes of an ultrasonic oscillating device are in particular cutting processes of an ultrasonic cutting tool and welding processes of an ultrasonic welding tool to be understood.
  • a preferred embodiment provides that in step a) the sonotrode is excited by a converter, the converter being connected to a power generator and the current IE (t) provided by the power generator and flowing through the converter being measured, where the from the voltage UE (t) applied to the converter is measured from the power generator, and the oscillation amplitude or a field variable of the electrical oscillation system related to the oscillation amplitude consisting of the measured voltage UE (t) and the measured current IE (t) the power generator and the converter.
  • the oscillation amplitude can be determined using a method known from WO 2013/017452 A2.
  • the power generator is preferably a generator and provides a periodically changing voltage, preferably an alternating voltage, which is preferably converted into a mechanical vibration in a converter with a piezoelectric element, so that a standing wave is formed within a freely vibrating ultrasonic vibration device, whereby the sonotrode and the applied voltage are designed such that the position of a wave mountain of the standing wave corresponds to the position of a front surface of the sonotrode.
  • the frequency of the applied periodically changing voltage is the excitation frequency, which is selected such that it corresponds to a resonance frequency of the freely oscillating, i.e. H. corresponds to ultrasonic vibrating device not in contact with other elements.
  • the present invention is based, inter alia, on the knowledge that when the sonotrode and counter-element come into or out of contact, the oscillating structure of the entire ultrasonic oscillating device is modified in such a way that the resonance frequency of the ultrasonic oscillating device shifts . As a result, the excitation frequency and the resonance frequency no longer match. This in turn causes a change, such as a "tremor,” i.e. H. an alternating rise and fall in the oscillation amplitude.
  • a "tremor” i.e. H. an alternating rise and fall in the oscillation amplitude.
  • the method according to the invention has the following, further step c): c) Determination of a point in time to at which a step b) has come into or out of contact, from the time course of the oscillation amplitude, the point in time at which the oscillation amplitude leaves the tolerance range for the first time within the measurement period, or a point in time offset from this point in time by a predefined correction time is defined as point in time t0 of the coming into or out of contact.
  • the first alternative in which the point in time at which the oscillation amplitude within the measurement period leaves the tolerance range for the first time is defined as the point in time t0 of entering or out of contact, represents a particularly simple method for determining the point in time of the in-or-out Out of contact, which only requires a simple query of the vibration amplitude and a comparison with the tolerance range. In addition, no further method steps are necessary, so that by means of this preferred method a particularly fast and efficient determination of the point in time to the coming into or out of contact takes place.
  • the point in time of coming into or out of contact can be determined very precisely and specifically as a function of knowledge, experience and measurements made with individual ultrasonic oscillating devices.
  • a sampling rate of at least 2,000 samples / second, preferably of at least 5,000 samples / second and particularly preferably of at least 15,000 samples / second is used in step a) to determine the time profile of the vibration amplitude.
  • a measured value was recorded every 50 ps, which corresponds to 20,000 samples / second.
  • sampling rates ensure that the time between the point in time at which the oscillation amplitude actually leaves the tolerance range and the point in time at which it is determined that the tolerance range has been exceeded is sufficiently short. For example, with a sampling rate of 5,000 samples / second, there is always less than 200 ps between the point in time at which the oscillation amplitude actually leaves the tolerance range and the specific point in time at which the deviation from the tolerance range is detected, at a sampling rate of 10 000 samples / second always less than 100 ps and at a sampling rate of 20,000 samples / second always less than 50 ps.
  • a counter-tool is used as the counter-element, wherein a material to be processed can be arranged between the sonotrode and the counter-tool, and the contact between the sonotrode and the counter-tool is detected.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for controlling an ultrasonic oscillating device, the ultrasonic oscillating device having a sonotrode and a counter tool, and the counter tool being arranged opposite the sonotrode during operation such that a material for processing by the sonotrode can be arranged between the sonotrode and the counter tool, with the steps:
  • step B Stopping the excitation of the sonotrode or moving the sonotrode away from the counter tool, if contact between the sonotrode and the counter tool was detected in step B).
  • the contact between the sonotrode and the counter-tool determined by means of the method discussed above is used by the method described in this embodiment for controlling the ultrasonic oscillating device.
  • the process steps are preferably carried out automatically.
  • the termination (switching off) of the excitation or the movement of the sonotrode after the first detected coming into contact the wear of the sonotrode and counter tool is limited to a minimum, whereby the usable Response time is significantly shorter - namely in the range of approx. 100 ps - than with the previously used methods that are based on metal contact detection. These methods result in a minimum response time of 2 ms that can be achieved on the basis of the acquisition times that can be achieved.
  • step C) is only carried out after a predefined follow-up time t N after the detection of contact, a reduction in the oscillation amplitude preferably being effected immediately after the detection of contact.
  • Such a predefined follow-up time t N is particularly advantageous when the process of applying ultrasound, for example an ultrasonic welding process or an ultrasonic cutting process, is not completely concluded when the counter tool and sonotrode come into contact. In this way, the sonotrode and the counter-tool can come into contact in sections during a cutting process, although the material to be cut has not yet been 100% severed. It is therefore advantageous for ultrasonic oscillating devices that such a predefined delay time is provided and adjustable.
  • a contact is determined shortly before an actual contact occurs. In such a case, the acquisition time would be negative. In these cases, a follow-up time is also useful to ensure that the desired application, for example an ultrasonic cutting process, is successfully completed.
  • the oscillation amplitude is preferably steadily reduced within the follow-up time, so that the oscillation does not end abruptly but rather a "fading out” of the oscillation.
  • the cutting edges are worked out particularly cleanly with ultrasonic welding and the weld seams with ultrasonic cutting.
  • the start of the measurement period DT from the point in time at which the oscillation of the sonotrode begins (switched on) is only after a delay time t d has elapsed , so that the oscillation of the sonotrode settles outside the measurement period DT.
  • the above-mentioned transient process of the sonotrode within which the oscillation usually also lies outside a possibly defined tolerance range, is excluded from the measurement period, so that there is no false-positive determination of a contact based on the time course of the Amplitude of the oscillation of the Sonotrode can come.
  • Such a definition of the measurement period is in most cases uncritical with regard to the risk of not determining a coming into contact outside the measurement period, since during the transient process the sonotrode and counter-tool come into contact with ultrasonic vibrating devices or ultrasonic sound - Applications are usually not to be expected.
  • All embodiments of the method according to the invention are preferably designed as computer-implemented methods.
  • the present invention also includes an ultrasonic oscillating device with a sonotrode, a counter-tool, wherein a material to be processed by the sonotrode can be arranged between the sonotrode and the counter-tool, and comprises means for executing a computer-implemented method according to one of the embodiments described above.
  • the ultrasonic oscillating device preferably has a generator for providing a high-frequency electrical voltage, a converter with at least one piezoelectric element for converting the high-frequency electrical voltage into a mechanical vibration, the converter being connected to the sonotrode in such a way that a mechanical Transmits vibration of the converter to the sonotrode.
  • the ultrasonic oscillating device according to the invention is preferably an ultrasonic cutting device.
  • the reaction time for controlling the ultrasonic oscillating device is particularly short as a result of a certain contact between the sonotrode and the counter tool, since the contact between the sonotrode and counter tool is synonymous with a The cutting process is complete. This allows cutting processes to be carried out more efficiently and in a way that is gentle on the tools.
  • the present invention further comprises a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a computer or processor, cause the latter to execute a method according to one of the embodiments described above.
  • the invention also comprises a computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to execute a method according to one of the embodiments described above.
  • FIG. 1 a schematic representation of a sonotrode and an anvil before coming into contact (left) and when coming into contact and
  • Figure 2 a diagram of the time course of the oscillation amplitude of a sonotrode
  • FIG. 1 A schematic representation of a sonotrode 4 and a counter tool 5 is shown in FIG. Between the sonotrode 4 and the counter tool 5, a material 7 to be cut Ma is arranged.
  • the counter tool 5 has an elevation 6.
  • the sonotrode 4 is moved in the direction of the counter-tool 5.
  • the material 7 is compressed between the sonotrode 4 and the elevation 6 until the sonotrode 4 and elevation 6 touch, as shown on the right in FIG.
  • the elevation 6 comes into contact with the sonotrode 4
  • the material 7 is severed and the processing step is completed.
  • the contact of the elevation 6 with the sonotrode 4 leads to a change in the vibration amplitude of the sonotrode 4, which is detected according to the invention.
  • FIG. 2 shows a two-axis diagram in which the time t is indicated on the horizontal axis and the oscillation amplitude Ao is indicated on the vertical axis.
  • the line marked with the reference number 1 consequently represents the time profile 1 of the oscillation amplitude Ao.
  • the illustrated time profile 1 of the oscillation amplitude Ao is the time profile of the oscillation amplitude of a sonotrode of an ultrasonic cutting device in which a method according to the invention was used for detecting a sonotrode coming into contact with a counter tool.
  • a material was arranged between the sonotrode and the counter-tool, which was then cut up by the sonotrode using ultrasonic machining.
  • the time curve 1 shown in FIG. 2 shows the vibration amplitude Ao of the sonotrode from the point in time at which the sonotrode vibration used is started or switched on up to the point in time at which the sonotrode vibration ends.
  • the transient process can be seen in the left-hand area, in which the oscillation amplitude Ao of the sonotrode initially changes from a zero position rises steadily before it then assumes a curve slightly oscillating around a fixed value in the middle area of the diagram, which indicates that the transient process has been completed.
  • FIG. 2 shows a tolerance range 3 which is defined by a reference amplitude R and a tolerance value a.
  • the tolerance range 3 extends from a lower limit of the oscillation amplitude Ra to an upper limit of the oscillation amplitude R + a.
  • the underlying method according to the invention provides that the counter-tool and the sonotrode come into contact when the oscillation amplitude leaves tolerance range 3 within the measurement period DT, i.e. after the delay time t d , and thus values greater than R + a or less than Ra assumes.
  • the oscillation amplitude Ao within the measurement period DT which began after the delay time t d , assumes a value outside of the tolerance range 3, after having previously had another Value within tolerance range 3.
  • the associated point in time to is consequently determined by the point in time at which the oscillation amplitude Ao is outside the tolerance range 3 for the first time.
  • the point in time to is now determined as the point in time at which the sonotrode and counter-tool came into contact.
  • the ultrasonic vibration device is switched off after a delay time t N as a reaction to the specific coming into contact of the counter tool and sonotrode, so that the vibration of the sonotrode ends.
  • the follow-up time tN is also shown in FIG. 2 with a double arrow starting from the point in time t0 of the coming into contact.
  • the method on which the curve 1 of the oscillation amplitude Ao is based provides that the oscillation amplitude is steadily reduced within the follow-up time t N.
  • the delay time t N has elapsed, the vibration of the sonotrode ends within a very short period of time, within which the vibration amplitude drops to the zero position of the vibration amplitude.
  • the present invention relates to a method for the detection of a coming into or out of contact with a sonotrode (4) which oscillates with a Frequency f and an oscillation amplitude Ao is offset, with a counter element (5).
  • the method has the following steps: chen course of the oscillation amplitude Ao (1) during a first measurement period DT, and (b) determining from the temporal course of the oscillation amplitude Ao (1) whether a coming into or out of contact occurred within the measuring period DT.
  • Ao vibration amplitude (amplitude of the vibration of the sonotrode)

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode (4), welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude A0 versetzt ist, mit einem Gegenelement (5). Um ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten einer Sonotrode mit einem Gegenelement besonders schnell und kostengünstig detektiert werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude A0 (1) während eines ersten Messzeitraumes ΔT, und (b) Bestimmen aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude A0 (1), ob ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten innerhalb des Messzeitraums ΔT erfolgt ist.

Description

Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem
Gegenelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode, welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude Ao versetzt ist, mit einem Gegenelement. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Ver fahren zur Detektion eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug, wobei zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug ein zu bearbeitendes Material anordbar ist. Zudem be trifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Ultraschallschwingvorrichtung.
Ultraschallschwingvorrichtungen weisen in der Regel zumindest eine Sonotrode auf, die bestim mungsgemäß in eine mechanische Schwingung versetzt werden kann. Beim Ultraschallschweißen mit einer Ultraschallschweißvorrichtung oder beim Ultraschallschneiden mit einer Ultraschall schneidvorrichtung wird gegenüberliegend zu der Sonotrode ein Gegenwerkzeug und zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug das zu bearbeitende Material angeordnet. Das Material wird dann je nach Anwendungsgebiet von der Sonotrode mit einer Schweißnaht versehen oder zerschnitten.
Ist beim Ultraschallschneiden ein Schnitt erfolgreich abgeschlossen worden oder wird beim Ultra schallschweißen das Ende einer Materialbahn erreicht, kommt es zu einem In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug.
Ein solches Berühren bzw. Zusammenstößen von Sonotrode und Gegenwerkzeug, das während einer betriebsbedingten Schwingung der Sonotrode erfolgt, ist zum einen ein unerwünschter Effekt, da sowohl Sonotrode als auch Gegenwerkzeug aus harten Materialien bestehen, sodass ein Zu sammenstößen oder Aneinander-Reiben von Gegenwerkzeug und Sonotrode einen starken Ver schleiß dieser beiden Elemente bedingt.
Zum anderen zeigt ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug bestimmte Prozes sereignisse an. Beim Schneiden mit einer Ultraschallschneidvorrichtung zeigt ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug an, dass das zu zerschneidende Material durchtrennt ist. Beim Schweißen mit einer Ultraschallschweißvorrichtung kann ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug dementsprechend ein nicht beabsichtigtes Durchtrennen des Materials anzeigen. Bei beiden Anwendungen kann das In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug auch das Erreichen eines Endes einer sich zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug entlang geführten Materialbahn anzeigen.
Insbesondere beim Schneiden mit einer Ultraschallschneidvorrichtung ist es für die Prozesssicher heit und die Qualität der zu bearbeitenden Produkte wichtig, den Zeitpunkt feststellen zu können, bei dem sich die Sonotrode und das entsprechende Gegenwerkzeug berühren, da dies erlaubt, daran anschließende, adäquate Maßnahmen durchzuführen. Dabei ist zwischen dem Zeitpunkt zu unterscheiden, bei dem tatsächlich ein Kontakt stattfindet und dem Zeitpunkt, bei dem der Kontakt bestimmt und verortet wird. Die dazwischenliegende Zeit wird im Sinne der vorliegenden Erfindung als Erfassungszeit bezeichnet. Eine Reaktion auf den Kontakt kann somit erst nach Ablauf der Erfassungszeit erfolgen, sodass die Reaktionszeit größer oder gleich der Erfassungszeit ist.
Bisher wurden Ultraschall-Schneidvorgänge zumeist einfach so lange ausgeführt, bis eine be stimmte vordefinierte Laufzeit oder ein bestimmter vordefinierter Energieverbrauch erreicht wurde, für die bzw. den sich für die jeweilige Anwendung aus vorangegangenen Erfahrungen gezeigt hatte, dass der Schneidvorgang nach Ablauf dieser Laufzeit oder nach Erreichen dieses Energie verbrauchs abgeschlossen ist. Diese Verfahren sind allerdings nicht besonders präzise und erfor dern eine lange Vorlaufzeit, in der für eine bestimmte Anwendung zunächst ausreichend Erfahrun gen bzw. Messungen gesammelt werden müssen.
Alternativ wurde eine sogenannte Metallkontakt-Elektronik verwendet, bei der das In-Kontakt-Tre- ten von Sonotrode und Gegenwerkzeug ähnlich wie bei einem Relaisschalter über eine zusätzlich von außen angelegte Gleichspannung festgestellt wurde. Ein solches Verfahren erfordert aber zu sätzliche Sensorik bzw. Elektronik und ist daher mit einem größerem Aufwand und höheren Kosten verbunden. Die Erfassungszeiten solcher Verfahren betragen 2 ms oder mehr. Dies ist für viele Anwendungen zu lang.
Neben dem Bestimmen eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug ist es auch wünschenswert, dass Außer-Kontakt-Treten einer Sonotrode und eines Gegenwerkzeug sowie das In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem anderen Gegenelement be stimmen zu können. Die Detektion solcher Ereignisse mit zusätzlicher Sensorik dauert allerdings oftmals zu lange oder ist zu aufwendig.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten einer Sonotrode mit einem Gegenelement detektiert werden kann, wobei das Verfahren die genannten Probleme beseitigt oder zumindest mindert. Ins- besondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das den Zeitpunkt des In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug mit einer Erfassungszeit kleiner als 1 ms bestimmt und zudem kostengünstig ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Gegenstand des Anspruchs 1 ist ein Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt- Tretens einer Sonotrode, welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude Ao versetzt ist, mit einem Gegenelement mit den Schritten: a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude Ao während eines ersten Messzeitraumes DT, b) Bestimmen aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude Ao, ob ein In-oder-Au- ßer-Kontakt-Treten innerhalb des Messzeitraumes DT erfolgt ist.
Im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren, die ausschließlich auf die Detektion eines In- Kontakt-Tretens ausgerichtet waren, lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren auch ein Außer-Kontakt-Treten detektieren. Dies kann beispielsweise bei der Ultraschallbearbeitung von mehrschichtigen Systemen von Bedeutung sein, wenn die Durchtrennung einer innenliegenden härteren Schicht (also das Außer-Kontakt-Treten mit dieser härteren Schicht) erfasst werden soll.
Bevorzugt ist die Schwingung eine periodische Schwingung und insbesondere eine harmonische Schwingung. Unter der Annahme einer harmonischen Schwingung mit der Frequenz f hängt die Auslenkung A(t) der Schwingung als Funktion der Zeit t in der üblichen Weise
A(t) = A0(t) cos(2 p/t) mit der Schwingungsamplitude Ao zusammen. Im Idealzustand schwingt die Sonotrode mit konstanter Schwingungsamplitude Ao. Die Schwingungsamplitude ändert sich jedoch, wenn sich die Ankopplung zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug oder zwischen Sonotrode und zu bearbeitendem Material ändert, so dass dann die Schwingungsamplitude ebenfalls eine zeitabhängige Größe Ao(t) ist. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zu nutze.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Zeitpunkt des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens deutlich schneller bestimmt als dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Fall ist. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dadurch kürzere Erfassungszeiten von 100 ps und weniger. Dies hat zur Folge, dass auch schneller auf ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Gegenelement und Sonotrode, insbesondere von Gegenwerkzeug und Sonotrode, reagiert werden kann. Folglich wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit geschaffen, mit sehr kurzen Reaktionszeiten auf ein ln-oder Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement zu reagieren.
Als Reaktionszeit ist die Zeit zwischen dem tatsächlichen Zeitpunkt des In-oder-Außer-Kontakt- Tretens und dem Zeitpunkt einer darauf gerichteten Reaktion, wie beispielsweise dem Aufruf eines Steuerbefehls, zu verstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten der Sonotrode mit dem Gegenelement festgestellt, wenn die erfasste Schwingungsamplitude Ao von einer vorbestimmten Referenzamplitude R um mehr als einen vorbestimmten Toleranzwert a abweicht oder wenn die erfasste Schwingungsamplitude Ao außerhalb eines vorbestimmten Toleranzintervalls [Tmm, Tmax] liegt.
Diese Ausführungsform stellt folglich einen Toleranzbereich bereit, der entweder durch eine Referenzamplitude R und einen Toleranzwert a oder ein Toleranzintervall [Tmm, Tmax] definiert ist. Bei diesem Toleranzbereich handelt es sich um einen zusammenhängenden Teilbereich der möglichen Schwingungsamplitude. Es hat sich gezeigt, dass für jede schwingende Sonotrode einer Ultraschallschwingvorrichtung ein solcher Toleranzbereich definiert werden kann, sodass bei einem In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement und insbesondere bei einem In- Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug die Schwingungsamplitude außerhalb eines definierbaren Toleranzbereich liegt und ansonsten bei einer regelmäßigen Schwingung ohne ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement innerhalb dieses Toleranzbereiches liegt.
Bevorzugt wird ein In-oder-Außer-Kontakt treten nur dann festgestellt, wenn die Schwingungsamplitude den Toleranzbereich verlässt.
Dies hat den Vorteil, dass der Einschwingvorgang der Ultraschallschwingvorrichtung nicht gesondert behandelt werden muss. Während des Einschwingens einer Sonotrode kann die Schwingungsamplitude Werte außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches annehmen, obwohl kein entsprechendes In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement erfolgt. Das Bestimmen eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens gemäß der hier diskutierten bevorzugten Ausführungsform setzt abervoraus, dass die Schwingungsamplitude den Toleranzbereich verlässt. In der Regel nimmt die Schwingungsamplitude aber erst mit dem Abschluss des Einschwingvorgangs Werte innerhalb des Toleranzbereiches an. Daher ist durch die Forderung des„Verlassens“ sichergestellt, dass es während des Einschwingvorgangs nicht zu einem falschen Bestimmen eines In- oder-Außer-Kontakt-T retens kommt. Zur Bildung eines redundanten Systems, welches die Gefahr eines falsch-positiven Bestimmens eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens minimiert, ist der Messzeitraum DT zudem bevorzugt derart ausgebildet, dass ein Einschwingvorgang der Sonotrode vor Beginn des Messzeitraums DT abgeschlossen ist.
Die Nutzung eines Toleranzbereiches zur Bestimmung des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens von Sonotrode und Gegenelement ist besonders vorteilhaft, da dadurch das Bestimmen des In-oder-Au- ßer-Kontakt-Tretens sehr einfach und schnell erfolgt und keine zeitaufwendigen Berechnungen auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude ausgeführt werden müssen, welche die Erfassungszeit und die potentielle Reaktionszeit erhöhen würden. Vielmehrwird ein In-oder-Außer- Kontakt-Treten unmittelbar dadurch festgestellt, dass die Schwingungsamplitude außerhalb des Toleranzbereiches liegt bzw. den Toleranzbereich verlässt.
In einer besonders einfachen Ausführungsform kann die Referenzamplitude einfach der vorhergehende erfasste Messwert sein. Sobald die Differenz zwischen dem aktuellen Messwert und dem vorherigem Messwert (als Referenzamplitude) größer als ein vorbestimmter Toleranzwert a wird, wird dies als In-Kontakt-Treten (oder als Außer-Kontakt-Treten) interpretiert. Der Toleranzwert a kann auf Erfahrungswerten beruhen.
Um kurzzeitige Änderungen der Schwingungsamplitude ignorieren zu können, kann es von Vorteil sein, wenn das Messsignal der Schwingungsamplitude über einen Tiefpassfilter geführt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vor Schritt a) während eines zweiten Messzeitraumes Dί ein zeitlicher Verlauf der Schwingungsamplitude Ao erfasst und aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Dί die Referenzamplitude und/oder das Toleranzintervall berechnet.
Bei dieser Ausführungsform wird der Toleranzbereich auf vorteilhafte Weise im Betrieb ohne eine vorangegangene Festlegung oder Justierung der Ultraschallschwingvorrichtung festgelegt. Folglich findet eine automatisierte Eigen-Kalibrierung der Ultraschallschwingvorrichtung statt, die immer an den laufenden Betrieb bzw. an die Schwingung im laufenden Betrieb angepasst ist, sodass nicht für unterschiedliche Ultraschallschwingvorrichtungen oder unterschiedliche Anwendungen oder unterschiedliche äußere Umstände die jeweils passende Referenzamplitude von außen eingestellt werden muss. Dadurch wird die Handhabung vereinfacht und die Effizienz der betreffenden Ultraschallschwingvorrichtung verbessert. Insbesondere hinsichtlich der Detektion eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug gibt es bei vielen Ultraschallanwendungen, wie zum Beispiel beim Ultraschallschweißen oder Ultraschallschneiden, bekannte Zeiträume, innerhalb derer unter keinen normalen Umständen ein In-Kontakt-Treten der Sonotrode mit dem Gegenwerkzeug zu erwarten ist. Die hier diskutierte Ausführungsform ermöglicht es, einen oder mehrere dieser Zeiträume als zweiten Messzeitraum zu verwenden, um die Referenzamplitude für den Toleranzbereich zu definieren.
Bei entsprechenden Verfahren zur Detektion eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug ist daher der zweite Messzeitraum bevorzugt derart ausgewählt, dass innerhalb des zweiten Messzeitraumes kein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug unter gewöhnlichen Umständen zu erwarten ist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes At eine mittlere Schwingungsamplitude berechnet wird und die berechnete mittlere Schwingungsamplitude in Schritt b) als vorbestimmte Referenzamplitude verwendet wird. Durch die Verwendung eines Mittelwerts der Schwingamplitude, der während des Betriebes berechnet wird, als Referenzamplitude wird sichergestellt, dass der sich aus der Referenzamplitude und dem Toleranzwert ergebene Toleranzbereich immer genau an den laufenden Betrieb angepasst ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes At eine minimale Schwingungsamplitude Amin und eine maximale Schwingungsamplitude Amax bestimmt, wobei aus der minimalen Schwingungsamplitude Amin und der maximalen Schwingungsamplitude Amax das Toleranzintervall mit Tmin sAmin und Tmax äAmax berechnet wird. Diese Ausführungsform stellt im Besonderen sicher, dass der durch das Toleranzintervall gebildete Toleranzbereich alle Werte der Schwingungsamplitude umfasst, die kein In-oder-Außer-Kontakt-Treten der Sonotrode mit einem Gegenelement anzeigen. Dabei ist das Toleranzintervall immer an die besonderen Umstände im Betrieb angepasst. So kann sich das Toleranzintervall einer einzigen Ultraschallschneidvorrichtung aufgrund unterschiedlicher äußerer Umstände dynamisch anpassen. Beispielsweise kann das Toleranzintervall bei einem ersten Schneidprozess breiter ausgebildet sein als bei einem darauffolgenden zweiten Schneidprozess.
Für einen sich immer wieder wiederholenden Prozess, der von einer Ultraschallschwingvorrichtung ausgeführt wird, werden die oben genannten Ausführungsformen zum automatisierten Bestimmen der Referenzamplitude und/oder des Toleranzintervalls bevorzugt einmalig oder nur einige wenige Male ausgeführt. Anschließend werden für weitere gleichartige Prozesse, für die keine Änderungen der äußeren Umstände zu erwarten sind, die auf diese Weise bestimmten Referenzamplituden und/oder Toleranzintervalle verwendet. Unter Prozessen einer Ultraschallschwingvorrichtung sind insbesondere Schneidprozesse eines Ultraschallschneidwerkzeuges und Schweißprozesse eines Ultraschallschweißwerkzeuges zu ver stehen.
Eine bevorzugten Ausführungsform sieht vor, dass in Schritt a) die Sonotrode von einem Konverter angeregt wird, wobei der Konverter mit einem Stromerzeuger verbunden ist und der von dem Stromerzeuger bereitgestellte und durch den Konverter fließende Strom IE (t) gemessen wird, wo bei die von dem Stromerzeuger an den Konverter angelegte Spannung UE (t) gemessen wird, und wobei aus der gemessenen Spannung UE (t) und aus dem gemessenen Strom IE (t) die Schwin gungsamplitude oder eine mit der Schwingungsamplitude in Relation stehende Feldgröße des elektrischen Schwingsystems bestehend aus dem Stromerzeuger und dem Konverter berechnet wird.
Insbesondere kann die Schwingungsamplitude mit einem aus der WO 2013/017452 A2 bekannten Verfahren bestimmt werden.
Der Stromerzeuger ist bevorzugt ein Generator und stellt eine periodisch sich ändernde Spannung, vorzugsweise eine Wechselspannung, bereit, die bevorzugt in einem Konverter mit einem piezo elektrischen Element in eine mechanische Schwingung umgewandelt wird, sodass sich innerhalb einer frei schwingenden Ultraschallschwingvorrichtung eine stehende Welle ausbildet, wobei die Sonotrode und die angelegte Spannung derart ausgebildet sind, dass die Position eines Wellen bergs der stehenden Welle mit der Position einer Frontfläche der Sonotrode übereinstimmt. Die Frequenz der angelegten periodisch sich ändernden Spannung ist die Erregerfrequenz, welche derart gewählt wird, dass sie einer Resonanzfrequenz der frei schwingenden, d. h. nicht mit ande ren Elementen in Kontakt befindlichen, Ultraschallschwingvorrichtung entspricht.
Unter Berücksichtigung der hier diskutierten Ausführungsform liegt der vorliegenden Erfindung un ter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass mit dem In-oder-Außer-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenelement das Schwinggebilde der gesamten Ultraschallschwingvorrichtung derart modi fiziert wird, dass sich die Resonanzfrequenz der Ultraschallschwingvorrichtung verschiebt. In der Folge stimmen Erregerfrequenz und Resonanzfrequenz nicht mehr überein. Dies wiederum bewirkt eine Änderung, wie beispielsweise ein„Zittern“, d. h. ein wechselndes Ansteigen und Abfallen der Schwingungsamplitude.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden, weite ren Schritt c) auf: c) Bestimmen eines Zeitpunktes to, bei dem ein in Schritt b) erkanntes In-oder-Außer- Kontakt-Treten erfolgt ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude, wobei der Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude innerhalb des Messzeitraums erstmals den Toleranzbereich verlässt, oder ein um eine vordefinierte Korrekturzeit von diesem Zeitpunkt versetzter Zeitpunkt als Zeitpunkt to des ln-oder- Außer-Kontakt-Tretens festgelegt wird.
Durch das Bestimmen des Zeitpunktes kann auf vorteilhafte Weise eine weitergehende Optimierung des zugrundeliegenden Prozesses erfolgen.
Die erste Alternative, bei welcher der Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude innerhalb des Messzeitraums erstmals den Toleranzbereich verlässt als Zeitpunkt to des In-oder-Außer-Kontakt- Tretens festgelegt wird, stellt ein besonders einfaches Verfahren zum Bestimmen des Zeitpunktes des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens dar, welches ausschließlich eine einfache Abfrage der Schwingungsamplitude und einen Vergleich mit dem Toleranzbereich benötigt. Darüber hinaus sind keine weiteren Verfahrensschritte notwendig, sodass mittels dieses bevorzugten Verfahrens ein besonderes schnelles und effizientes Bestimmen des Zeitpunktes to des In-oder-Außer-Kontakt-Tretens erfolgt.
Mit der zweiten Alternative, die eine Korrekturzeit vorsieht, kann der Zeitpunkt des In-oder-Außer- Kontakt-Tretens in Abhängigkeit von Erkenntnissen, Erfahrungen und Messungen, die mit einzelnen Ultraschallschwingvorrichtungen gemacht werden, sehr genau und spezifisch festgelegt werden.
In einer Ausführungsform wird in Schritt a) eine Abtastrate zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufes der Schwingungsamplitude von mindestens 2.000 Samples/Sekunde, vorzugsweise von mindestens 5.000 Samples/Sekunde und besonders bevorzugt von mindestens 15.000 Samples/Sekunde verwendet. So wurde in einer bevorzugten Ausführungsform alle 50 ps ein Messwert aufgenommen, was 20.000 Samples/Sekunde entspricht.
Durch die oben genannten Abtastraten wird sichergestellt, dass die Zeit zwischen dem Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude tatsächlich den Toleranzbereich verlässt, und dem Zeitpunkt, bei dem ein Verlassen des Toleranzbereiches festgestellt wird, genügend kurz ist. Zum Beispiel liegen bei einer Abtastrate von 5 000 Samples/Sekunde zwischen dem Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude tatsächlich den Toleranzbereich verlässt, und dem bestimmten Zeitpunkt, bei dem das Verlassen des Toleranzbereiches erkannt wird, immer weniger als 200 ps, bei einer Abtastrate von 10 000 Samples/Sekunde immer weniger als 100 ps und bei einer Abtastrate von 20 000 Samples/Sekunde immer weniger als 50 ps. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Gegenelement ein Gegenwerkzeug ver wendet, wobei zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug ein zu bearbeitendes Material anordbar ist und das in Kontakt treten der Sonotrode mit dem Gegenwerkzeug detektiert wird.
Dadurch kann beispielsweise beim Ultraschallschneiden auf vorteilhafte Weise detektiert werden, wann ein Schnitt abgeschlossen ist, da das In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug den eingetretenen Erfolg eines Schneidprozesses anzeigt.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Steuern einer Ultraschallschwingvorrichtung gelöst, wobei die Ultraschallschwingvorrichtung eine Sonotrode und ein Gegenwerkzeug aufweist, und wobei das Gegenwerkzeug im Betrieb derart der Sonotrode ge genüberliegend angeordnet ist, dass ein Material zur Bearbeitung durch die Sonotrode zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug anordbar ist, mit den Schritten:
A) Anregen der Sonotrode mit einer Schwingung während einer vorbestimmten Zeitdauer td, darauffolgend
B) Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 8 (gemäß der zuvor diskutierten Ausfüh
rungsform, und
C) Beenden der Anregung der Sonotrode oder Wegbewegen der Sonotrode vom Gegen werkzeug, falls in Schritt B) ein In-Kontakt-Treten zwischen Sonotrode und Gegenwerk zeug detektiert wurde.
Das mittels des zuvor diskutierten Verfahrens bestimmte In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug wird durch das in dieser Ausführungsform beschriebene Verfahren zum Steuern der Ultraschallschwingvorrichtung genutzt. Die Verfahrensschritte erfolgen dabei bevorzugt auto matisiert.
Da die Erfassungszeiten des zuvor diskutierten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des In-Kontakt-Tretens von Sonotrode und Gegenwerkzeug deutlich geringer sind als die aus dem Stand der Technik bekannten Erfassungszeiten, ist auch die potentielle Reaktionszeit des Steuer befehls, der sich an das Bestimmen des In-Kontakt-Tretens anschließt, deutlich kürzer.
Da das In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug unter einer schwingenden Sonot rode aufgrund des dabei erfolgenden Gegeneinander-Stoßens oder Aneinander-Reibens mit ei nem erhöhten Verschleiß einhergeht, wird mit dem Beenden (Ausschalten) der Anregung oder dem Wegbewegen der Sonotrode nach dem ersten erkannten In-Kontakt-Treten der Verschleiß von Sonotrode und Gegenwerkzeug auf ein minimales Maß begrenzt, wobei die dabei verwendbare Reaktionszeit deutlich kleiner ist - nämlich im Bereich von ca. 100 ps - als bei den bisher verwen deten Verfahren, die auf einer Metallkontakt-Detektion beruhen. Bei diesen Verfahren ergeben sich minimal erreichbare Reaktionszeiten von 2 ms auf der Basis der dabei erreichbaren Erfassungs zeiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird Schritt C) erst nach einer vordefi nierten Nachlaufzeit tN nach erfolgter Detektion eines In-Kontakt-Tretens durchgeführt, wobei vor zugsweise unmittelbar nach dem Erkennen des In-Kontakt-Tretens eine Reduzierung der Schwin gungsamplitude bewirkt wird.
Eine solche vordefinierte Nachlaufzeit tN ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mit dem In-Kon- takt-Treten von Gegenwerkzeug und Sonotrode der Prozess der Ultraschallanwendung, beispiels weise ein Ultraschallschweißvorgang oder ein Ultraschallschneidvorgang, nicht vollständig abge schlossen ist. So können Sonotrode und Gegenwerkzeug abschnittsweise bei einem Schneidvor gang in Kontakt treten, obwohl das zu zerschneidende Material noch nicht 100%ig durchtrennt ist. Daher ist es für Ultraschallschwingvorrichtungen vorteilhaft, dass eine solche vordefinierte Nach laufzeit vorgesehen und einstellbar ist.
Zudem kann es auch Vorkommen, dass ein In-Kontakt-Treten bestimmt wird kurz bevor es zu ei nem tatsächlichen In-Kontakt-Treten kommt. In einem solchen Fall wäre die Erfassungszeit folglich negativ. Für diese Fälle ist eine Nachlaufzeit daher ebenfalls sinnvoll, um sicherzustellen, dass die gewünschte Anwendung, zum Beispiel ein Ultraschallschneidvorgang, erfolgreich abgeschlossen wird.
Bevorzugt wird die Schwingungsamplitude innerhalb der Nachlaufzeit stetig verkleinert, sodass es nicht zu einem abrupten Beenden der Schwingung sondern zu einem„fading out“ der Schwingung kommt. Dadurch werden beim Ultraschall-Schweißen die Schneidränder und beim Ultraschall- Schneiden die Schweißnähte besonders sauber ausgearbeitet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der Beginn des Messzeitraumes DT vom Zeitpunkt eines Beginns (Einschaltens) der Schwingung der Sonotrode ausgesehen erst nach Ab lauf einer Verzögerungszeit td, sodass ein Einschwingen der Schwingung der Sonotrode außerhalb des Messzeitraumes DT erfolgt.
Dadurch wird der bereits erwähnte Einschwingvorgang der Sonotrode, innerhalb dessen die Schwingung in der Regel auch außerhalb eines gegebenenfalls definierten Toleranzbereiches liegt, vom Messzeitraum ausgeschlossen, sodass es nicht zu einem falsch-positiven Bestimmen eines In-Kontakt-Tretens auf der Basis des zeitlichen Verlaufs der Amplitude der Schwingung der Sonotrode kommen kann. Eine derartige Festlegung des Messzeitraumes ist hinsichtlich der Ge fahr, ein außerhalb des Messzeitraums stattfindendes In-Kontakt-Treten nicht zu bestimmen, in den allermeisten Fällen unkritisch, da während des Einschwingvorganges ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug bei Ultraschallschwingvorrichtungen bzw. Ultraschallschall- Anwendungen in der Regel nicht zu erwarten ist.
Alle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren sind bevorzugt als computerimplemen- tierte Verfahren ausgebildet.
Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Ultraschallschwingvorrichtung mit ei ner Sonotrode, einem Gegenwerkzeug, wobei ein von der Sonotrode zu bearbeitendes Material zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug anordbar ist und umfassend Mittel zur Ausführung eines computerimplementierten Verfahrens gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Bevorzugt weist die Ultraschallschwingvorrichtung dabei einen Generator zum Bereitstellen einer hochfrequenten elektrischen Spannung, einen Konverter mit mindestens einem piezo-elektrischen Element zur Umwandlung der hochfrequenten elektrischen Spannung in eine mechanische Schwingung auf, wobei der Konverter mit der Sonotrode derart verbunden ist, dass sich eine me chanische Schwingung des Konverters auf die Sonotrode überträgt.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Ultraschallschwingvorrichtung eine Ultraschallschneidvorrich tung. Bei solchen Ultraschallschneidvorrichtungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Reakti onszeit zum Steuern der Ultraschallschwingvorrichtung in Folge eines bestimmten In-Kontakt-Tre- tens von Sonotrode und Gegenwerkzeug besonders kurz ist, da ein In-Kontakt-Treten von Sonot rode und Gegenwerkzeug gleichbedeutend mit einem Abschluss des Schneidvorgangs ist. Schneidprozesse können dadurch effizienter und werkzeugschonender durchgeführt werden.
Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programmes durch einen Computer oder Prozessor diesen veranlassen, ein Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
Die Erfindung umfasst zudem ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zuge hörigen Figur. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer Sonotrode und einem Amboss vor dem In-Kontakt- Treten (links) und beim In-Kontakt-Treten und
Figur 2: ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude einer Sonotrode bei
Verwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Sonotrode 4 und eines Gegenwerkzeuges 5 dargestellt. Zwischen der Sonotrode 4 und dem Gegenwerkzeug 5 ist ein zu durchtrennendes Ma terial 7 angeordnet. Das Gegenwerkzeug 5 weist eine Erhöhung 6 auf.
Auf der linken Seite von Figur 1 ist die Situation unmittelbar vor der Bearbeitung dargestellt. Zum Durchtrennen des Materials 7 wird die Sonotrode 4 in Richtung des Gegenwerkzeuges 5 bewegt. Das Material 7 wird zwischen Sonotrode 4 und der Erhöhung 6 zusammengedrückt bis sich Sono trode 4 und Erhöhung 6 berühren, wie in Figur 1 rechts dargestellt. Beim In-Kontakt-treten der Erhöhung 6 mit der Sonotrode 4 ist das Material 7 durchtrennt und der Bearbeitungsschritt abge schlossen. In dem in Figur 1 rechts gezeigten Zustand führt das In-Kontakt-treten der Erhöhung 6mit der Sonotrode 4 zu einer Veränderung der Schwingungsamplitude der Sonotrode 4, welche erfindungsgemäß detektiert wird.
Figur 2 zeigt ein zweiachsiges Diagramm, bei dem auf der horizontalen Achse die Zeit t und auf der vertikalen Achse die Schwingungsamplitude Ao angegeben wird. Die mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnete Linie stellt folglich den zeitlichen Verlauf 1 der Schwingungsamplitude Ao dar.
Bei dem dargestellten zeitlichen Verlauf 1 der Schwingungsamplitude Ao handelt es sich um den zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude einer Sonotrode einer Ultraschallschneidvorrichtung, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion eines In-Kontakt-Tretens einer Sonotrode mit einem Gegenwerkzeug angewendet wurde. Bei dem zu Grunde liegenden Schneidprozess wurde zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug ein Material angeordnet, das anschlie ßend von der Sonotrode durch Ultraschallbearbeitung zerschnitten wurde. Der in Figur 2 gezeigte zeitliche Verlauf 1 zeigt dabei die Schwingungsamplitude Ao der Sonotrode von dem Zeitpunkt des Beginns bzw. Einschaltens der dabei verwendeten Schwingung der Sonotrode ausgehend bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Schwingung der Sonotrode endet.
Im zeitlichen Verlauf 1 der Schwingungsamplitude Ao ist im linken Bereich der Einschwingvorgang zu erkennen, bei dem die Schwingungsamplitude Ao der Sonotrode von einer Nullstellung zunächst stetig ansteigt bevor sie dann im mittleren Bereich des Diagramms einen um einen festen Wert leicht oszillierenden Verlauf annimmt, der anzeigt, dass der Einschwingvorgang abgeschlossen ist.
Bei dem in der Figur 2 gezeigten zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude Ao wurde eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angewandt, bei der eine derart ausgebildete Verzögerungszeit td vorgesehen ist, dass der Messzeitraum DT erst nach dem Beenden des Einschwingvorgangs startet. Die zeitliche Ausdehnung der Verzögerungszeit td ist in dem in Figur 2 dargestellten Diagramm mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet.
Zudem ist in dem in Figur 2 gezeigten Diagramm ein Toleranzbereich 3 eingezeichnet, der durch eine Referenzamplitude R und eine Toleranzwert a definiert wird. Der Toleranzbereich 3 reicht von einer unteren Grenze der Schwingungsamplitude R-a bis zu einer oberen Grenze der Schwingungsamplitude R+a. Das zugrundeliegende erdfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein In- Kontakt-Treten von Gegenwerkzeug und Sonotrode dann bestimmt ist, wenn die Schwingungsamplitude innerhalb des Messzeitraums DT, hier also nach der Verzögerungszeit td, den Toleranzbereich 3 verlässt und damit Werte größer als R+a oder kleiner als R-a annimmt.
Es ist ersichtlich, dass an der mit der Bezugszahl 2 gekennzeichneten Stelle des zeitlichen Verlaufs 1 der Schwingungsamplitude Ao die Schwingungsamplitude Ao innerhalb des Messzeitraums DT, der nach der Verzögerungszeit td begonnen hat, einen Wert außerhalb des Toleranzbereichs 3 einnimmt, nachdem sie zuvor noch einen Wert innerhalb des Toleranzbereichs 3 eingenommen hatte. Der dazugehörige Zeitpunkt to ist folglich durch den Zeitpunkt bestimmt, bei dem die Schwingungsamplitude Ao erstmals außerhalb des Toleranzbereichs 3 liegt. Der Zeitpunkt to wird nun als der Zeitpunkt bestimmt, bei dem ein In-Kontakt-Treten von Sonotrode und Gegenwerkzeug erfolgt ist.
Bei der dem in Figur 2 gezeigten Diagramm zu Grunde liegenden Ausführungsform der Erfindung wird als Reaktion auf das bestimmte In-Kontakt-Treten von Gegenwerkzeug und Sonotrode die Ultraschallschwingvorrichtung nach einer Nachlaufzeit tN abgeschaltet, sodass die Schwingung der Sonotrode endet. Die Nachlaufzeit tN ist ausgehend vom Zeitpunkt to des In-Kontakt-Tretens ebenfalls in der Figur 2 mit einem Doppelpfeil eingezeichnet. Das dem gezeigten Verlauf 1 der Schwingungsamplitude Ao zu Grunde liegende Verfahren sieht dabei vor, dass innerhalb der Nachlaufzeit tN die Schwingungsamplitude stetig verkleinert wird. Mit dem Ablauf der Nachlaufzeit tN endet die Schwingung der Sonotrode innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums, innerhalb dessen die Schwingungsamplitude auf die Nullstellung der Schwingungsamplitude abfällt.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode (4), welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude Ao versetzt ist, mit einem Gegenelement (5). Um ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein In-oder-Außer-Kontakt-Treten einer Sonotrode mit einem Gegenelement besonders schnell und kostengünstig detektiert werden kann, wird erfindungsge mäß vorgeschlagen, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Erfassen eines zeitli- chen Verlaufs der Schwingungsamplitude Ao (1) während eines ersten Messzeitraumes DT, und (b) Bestimmen aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude Ao (1), ob ein In-oder-Außer- Kontakt-Treten innerhalb des Messzeitraums DT erfolgt ist.
Bezugszeichenliste
Zeitlicher Verlauf der Schwingungsamplitude
Stelle im Wertebereich der Schwingungsamplitude
Toleranzbereich
Sonotrode
Gegenwerkzeug
Erhöhung
Material
Referenzamplitude
Toleranzwert
td Verzögerungszeit
tN Nachlaufzeit
to Zeitpunkt
t Zeit
Ao Schwingungsamplitude (Amplitude der Schwingung der Sonotrode)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Detektion eines In-oder-Außer-Kontakt-Tretens einer Sonotrode (4), welche in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Schwingungsamplitude Ao versetzt ist, mit einem Gegenelement (5)
mit den Schritten:
a) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude Ao (1 ) während eines ersten Messzeitraumes DT,
b) Bestimmen aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude Ao (1), ob ein In- oder-Außer-Kontakt-Treten innerhalb des Messzeitraums DT erfolgt ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein ln-oder Außer-Kontakt-Treten der Sonotrode (4) mit dem Gegenelement (5) festgestellt wird, wenn die erfasste Schwingungsamplitude Ao von einer vorbestimmten Referenzamplitude R um mehr als einen vorbestimmten Toleranzwert a abweicht oder wenn die erfasste Schwingungsamplitude Ao außerhalb eines vorbestimmten Toleranzintervalls [Tmin, Tmax] liegt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) während eines zweiten Messzeitraumes Dί ein zeitlicher Verlauf der Schwingungsamplitude Ao erfasst wird und aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Dί die Referenzamplitude und/oder das Toleranzintervall berechnet werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass i) aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Dί eine mittlere Schwingungsamplitude berechnet wird und die berechnete mittlere Schwingungsamplitude in Schritt b) als vorbestimmte Referenzamplitude verwendet wird
und/oder dass
ii) aus der Erfassung während des zweiten Messzeitraumes Dί eine minimale Schwingungsamplitude Amin und eine maximale Schwingungsamplitude Amax bestimmt wird und aus der minimalen Schwingungsamplitude Amin und der maximalen Schwingungsamplitude Amax das Toleranzintervall mit Tmin ^ Amin und Tmax ^ Amax berechnet wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Sonotrode (4) von einem Konverter angeregt wird, wobei der Konverter mit einem Stromerzeuger verbunden ist und der von dem Stromerzeuger bereitgestellte und durch den Konverter fließende Strom IE(Ϊ) gemessen wird, wobei die von dem Stromerzeuger an den Konverter angelegte Spannung UE(t) gemessen wird, und wobei aus der ge- messenen Spannung UE(t) und aus dem gemessenen Strom IE(Ϊ) die Schwingungs amplitude oder eine mit der Schwingungsamplitude in Relation stehende Feldgröße des elektrischen Schwingsystems bestehend aus dem Stromerzeuger und dem Konverter be rechnet wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver fahren den folgenden, weiteren Schritt aufweist:
c) Bestimmen eines Zeitpunktes to, bei dem ein in Schritt b) erkanntes In-Kontakt-Tre- ten erfolgt ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude (1 ), wobei der Zeitpunkt, bei dem die Schwingungsamplitude innerhalb des Messzeitraums DT erstmals einen Toleranzbereich [Tmin, Tmax] oder [R- a, R+ a] (3) verlässt, oder ein um eine vordefinierte Korrekturzeit von diesem Zeitpunkt versetzter Zeitpunkt als Zeitpunkt to des In-Kontakt-Tretens festgelegt wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Abtastrate zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Schwingungs amplitude von mindestens 2 000 Samples/s, vorzugsweise von mindestens 5000 Samp- les/s und besonders bevorzugt von mindestens 15 000 Samples/s verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ge genelement ein Gegenwerkzeug (5) verwendet wird, wobei zwischen Sonotrode (4) und Gegenwerkzeug (5) ein zu bearbeitendes Material (7) anordbar ist, und wobei das In-Kon- takt-Treten der Sonotrode (4) mit dem Gegenwerkzeug (5) detektiert wird.
9. Verfahren zum Steuern einer Ultraschallschwingvorrichtung,
die eine Sonotrode (4) und ein Gegenwerkzeug (5) aufweist und wobei das Gegenwerk zeug (5) im Betrieb derart der Sonotrode (4) gegenüberliegend angeordnet ist, dass ein Material (7) zur Bearbeitung durch die Sonotrode (4) zwischen Sonotrode (4) und Gegen werkzeug (5) anordbar ist,
mit den Schritten:
A) Anregen der Sonotrode (4) mit einer Schwingung während einer vorbestimmten Zeit dauer td, darauffolgend
B) Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 8, und
C) Beenden der Anregung der Sonotrode (4) oder Wegbewegen der Sonotrode (4) vom Gegenwerkzeug (5), falls in Schritt B) ein In-Kontakt-Treten zwischen Sonotrode (4) und Gegenwerkzeug (5) detektiert wurde.
0. Verfahren gemäß Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C) erst nach Ablauf einer vordefinierten Nachlaufzeit tN nach erfolgter Detektion eines In-Kontakt-tretens durch geführt wird, wobei vorzugsweise unmittelbar nach dem Erkennen des In-Kontakt-Tretens eine Reduzierung der Schwingungsamplitude bewirkt wird.
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