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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Kalibrieren einer Ultraschallschweissvorrichtung, insbesondere einer Ultraschallschweissvorrichtung zum Schweissen von Litzen.
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Ultraschallschweissvorrichtungen zum Schweissen von Litzen enthalten in aller Regel einen Verdichtungsraum, in dem die miteinander zu verschweissenden Litzen oder ein Terminal und eine oder mehrere daran zu schweissende Litzen eingelegt werden können. Der Verdichtungsraum wird üblicherweise begrenzt durch eine Arbeitsfläche einer Sonotrode, eine Arbeitsfläche eines Ambosses sowie zwei weitere Begrenzungsflächen von Seitenbegrenzungselementen. Die vier genannten Flächen sind relativ zueinander verstellbar, sodass die Schweissbreite und die Schweisshöhe des Verdichtungsraumes in gewissen Bereichen einstellbar sind. Die Schweissbreite ist durch den Abstand der Begrenzungsflächen der Seitenbegrenzungselemente gegeben und die Schweisshöhe durch den Abstand der Arbeitsflächen von Sonotrode und Amboss. Um eine definierte Schweissverbindung zu erhalten, müssen Schweissbreite und Schweisshöhe möglichst präzise eingestellt werden können, und zwar auch über einen längeren Nutzungszeitraum.
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Um eine definierte Schweissverbindung zu erhalten, muss die Sonotrode während des eigentlichen Schweissvorgangs mit einer bestimmten Schweisskraft gegen den Amboss gepresst werden. Üblicherweise wird die Sonotrode mit Hilfe eines Pneumatikzylinders gegen den Amboss gepresst, wobei die Schweisskraft indirekt über den im Pneumatikzylinder gemessenen Druck eingestellt wird. Vor allem nach längerer Benutzung der Ultraschallschweissvorrichtung können jedoch Reibungskräfte zunehmen oder abnehmen, die den tatsächlichen Zusammenhang zwischen Druck und Schweisskraft verändern. Auch die Schwingungsamplitude der Sonotrode muss möglichst genau eingestellt werden können, um eine definierte Schweissverbindung erhalten zu können.
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Vor allem Automobilhersteller verlangen von den Herstellern von Kabelbäumen oftmals eine regelmässige Überprüfung der genannten Sensoren und Aktoren, damit eine gleichbleibende Qualität der Schweissverbindungen gewährleistet werden kann.
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Aus der
WO 95/10866 A1 ist es bekannt, die Schweisshöhe und die Schweissbreite des Verdichtungsraumes über einen Wegaufnehmer zu erfassen. Die
WO 2005/116593 A1 offenbart einen Sensor zur Erfassung von Schwingungsamplituden. Bei auftretenden Abweichungen zwischen Ist- und Sollsignalen wird die Erzeugung der Ultraschallschwingungen entsprechend angepasst, sodass eine Regelung stattfindet. Auch zur Bestimmung der Schweisskraft werden entsprechende Sensoren eingesetzt.
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All diese Sensoren und Regelungsmechanismen haben jedoch den Nachteil, dass sich deren Genauigkeit mit der Zeit verändern kann. Mit diesen bekannten Ultraschallschweissvorrichtungen können dann also nach einiger Zeit keine definierten Schweissverbindungen mehr erzeugt werden.
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Aus der
US 6,827,247 B1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwingungsamplitude einer kapillaren Spitze einer Sonotrode für das Ultraschallschweissen bekannt. Die Amplitude wird hier mit Hilfe eines Detektors optisch gemessen und dann einer Steuereinrichtung zugeführt. Beim Ausfall des optischen Detektors muss diese jedoch mühsam von der Ultraschallschweissvorrichtung getrennt werden.
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In der
US 7,819,013 B2 wird zur Bestimmung der Schwingungsamplitude ein piezoelektrischer Ultraschallsensor eingesetzt. Hier muss die Schwingungsamplitude jedoch aufwendig von einem Oszilloskop abgelesen werden. Zudem ist nicht im Detail offenbart, wie die vom Oszilloskop abgelesenen Schwingungsamplituden verwendet werden sollen, um die Ultraschallschweissvorrichtung zu kalibrieren.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Kalibrieren einer Ultraschallschweissvorrichtung bereitzustellen, mit welchem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können. Insbesondere soll das System baulich möglichst einfach ausgestaltet sein. Weiterhin sollte es die Möglichkeit schaffen, eine bereits bestehende Ultraschallschweissvorrichtung auf möglichst einfache Weise kalibrieren zu können, ohne dass diese selbst baulich verändert werden muss. Ferner sollen Bedienfehler weitestgehend reduziert werden.
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Diese und weitere Aufgaben werden in einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein System zum Kalibrieren einer Ultraschallschweissvorrichtung, insbesondere einer Ultraschallschweissvorrichtung zum Schweissen von Litzen. Das System enthält mindestens eine Messeinheit zum Messen eines Ist-Betriebsparameters der Ultraschallschweissvorrichtung sowie mindestens ein Computerprogramm, welches zur Ausführung der folgenden Schritte ausgebildet ist:
- a) Betreiben der Ultraschallschweissvorrichtung mit mindestens einem Soll-Betriebsparameter auf der Basis von in einem Kalibrationsdatenspeicher der Ultraschallschweissvorrichtung gespeicherten Kalibrationsdaten,
- b) Aufnahme des von der Messeinheit gemessenen Ist-Betriebsparameters durch die Ultraschallschweissvorrichtung,
- c) Vergleich des Ist-Betriebsparameters mit dem Soll-Betriebsparameter,
- d) gegebenenfalls Kalibrierung der Ultraschallschweissvorrichtung, insbesondere einer Steuereinrichtung der Ultraschallschweissvorrichtung, durch Anpassung der Kalibrationsdaten.
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Die Messeinheit kann an sich bekannt sein. Aufgrund des erfindungsgemässen Zusammenwirkens der Messeinheit mit dem Computerprogramm ergibt sich ein besonders einfaches Kalibrieren der Ultraschallschweissvorrichtung. Denn die Messeinheit muss nicht zwingend fest in der Ultraschallschweissvorrichtung integriert sein oder fest darin integriert werden; bevorzugt ist sie nicht fest in der Ultraschallschweissvorrichtung integriert. Sie kann daher nacheinander zum Kalibrieren mehrerer Ultraschallschweissvorrichtungen verwendet werden, was auch zu einer Kosteneinsparung führt.
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Bevorzugt ist das Computerprogramm von einer Steuereinrichtung der Ultraschallschweissvorrichtung ausführbar und in einem Programmspeicher der Ultraschallschweissvorrichtung vorhanden. Es ist aber auch denkbar und liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Computerprogramm nicht von vornherein im Programmspeicher vorhanden ist. Mit Übertragen des Computerprogramms in den Programmspeicher lässt sich die Ultraschallschweissvorrichtung dann softwaremässig aufrüsten. Alternativ ist es auch möglich, dass das erfindungsgemässe Computerprogramm von der Messeinheit ausführbar oder darauf gespeichert ist.
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Aus den bereits genannten Gründen ist es vorteilhaft, wenn die Messeinheit lösbar in einen Verdichtungsraum der Ultraschallschweissvorrichtung einsetzbar ist. Auf diese Weise kann die Messeinheit auch selbst einfach kalibriert werden, was nicht zwingend am Ort der Ultraschallschweissvorrichtung stattfinden muss, sondern beispielsweise jährlich bei einem Eichamt vollzogen werden kann. Auch ein Austausch der Messeinheit gestaltet sich einfacher, wenn diese nur lösbar in den Verdichtungsraum einsetzbar ist.
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Die Aufnahme des Ist-Betriebsparameters kann auf verschiedene Weisen erfolgen: In einer ersten Variante kann der Benutzer den Ist-Betriebsparameter von der Messeinheit ablesen und im Schritt b) in die Ultraschallweissvorrichtung eingeben, beispielsweise via einen berührungsempfindlichen Monitor oder eine Tastatur der Ultraschallweissvorrichtung. Dabei kann es sich um einen unten noch näher erläuterten Monitor handeln, der Anweisungen zur Benutzung der Messeinheit und/oder der Eicheinheit ausgeben kann. Alternativ kann der Ist-Betriebsparameter auch von einer weiter unten noch beschriebenen Anzeigeeinheit angezeigt und von dort in die Ultraschallschweissvorrichtung eingeben werden. In einer zweiten Variante kann die Messeinheit direkt mit der Ultraschallschweissvorrichtung verbindbar sein, beispielsweise via ein Datenkabel, so dass die Ultraschallschweissvorrichtung den gemessenen Ist-Betriebsparameter im Schritt b) direkt von der Messeinheit aufnehmen kann. Alternativ kann die Messeinheit auch indirekt über eine unten noch beschriebene Übertragungseinheit mit der Ultraschallschweissvorrichtung verbindbar sein.
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Die Schritte a) bis c) werden nachfolgend anhand zweier möglicher Messeinheiten beispielhaft erläutert. Schritt d) kann derart durchgeführt werden, dass die Kalibrierung nur dann durchgeführt wird, wenn die Abweichung zwischen Ist-Betriebsparameter und Soll-Betriebsparameter einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Es können auch ein erster, niedrigerer Schwellenwert und ein zweiter, höherer Schwellenwert vorgesehen sein. In dieser Variante wird die Kalibrierung im Schritt d) nur dann durchgeführt (d. h. es werden neue Kalibrationsdaten nur dann akzeptiert), wenn die Abweichung zwischen Ist-Betriebsparameter und Soll-Betriebsparameter den ersten Schwellenwert überschreitet. Überschreitet sie sogar den zweiten Schwellenwert, so kann das Computerprogramm das Kalibrierverfahren abbrechen, da von einem grundlegenden Fehler auszugehen ist, und die Heranziehung eines Servicetechnikers empfehlen oder fordern.
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Die Messeinheit kann als Kraftmesseinheit zum Messen einer Schweisskraft ausgebildet sein, mit der eine Sonotrode der Ultraschallschweissvorrichtung gegen einen Amboss der Ultraschallschweissvorrichtung gepresst wird. Die Kraftmesseinheit kann eine an sich bekannte Kraftmesseinheit sein.
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Im Schritt a) kann die Ultraschallschweissvorrichtung mit einer Soll-Schweisskraft betrieben werden. Dabei kann auf den oben bereits erläuterten Zusammenhang zwischen dem in einem Pneumatikzylinder herrschenden Druck und der Kraft zurückgegriffen werden. Dieser Zusammenhang wird durch Kalibrationsdaten hergestellt, die im Kalibrationsdatenspeicher gespeichert sind. Im Schritt b) bestimmt die Kraftmesseinheit die tatsächliche Schweisskraft, mit der die Sonotrode beim Schweissvorgang gegen den Amboss gepresst wird. Ein Vergleich der gemessenen Ist-Schweisskraft mit der Soll-Schweisskraft erfolgt dann im Schritt c). Die Kalibrierung im Schritt d) kann beispielsweise nur dann erfolgen, wenn die Abweichung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Alternativ kann das Computerprogramm eine Information oder eine Warnmeldung ausgeben, die den Benutzer beispielsweise zur Heranziehung eines Servicetechnikers auffordern kann. Insbesondere können ein erster, niedrigerer Schwellenwert und ein zweiter, höherer Schwellenwert vorgesehen sein. In dieser Variante wird die Kalibrierung im Schritt d) nur dann durchgeführt (d. h. es werden neue Kalibrationsdaten nur dann akzeptiert), wenn die Abweichung zwischen Ist-Betriebsparameter und Soll-Betriebsparameter den ersten Schwellenwert überschreitet. Überschreitet sie sogar den zweiten Schwellenwert, so kann das Computerprogramm das Kalibrierverfahren abbrechen, da von einem grundlegenden Fehler auszugehen ist, und die Heranziehung eines Servicetechnikers empfehlen oder fordern.
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Ist die Messeinheit eine Kraftmesseinheit, so werden die Schritte a) bis c) bevorzugt mehrfach nacheinander mit verschiedenen Soll-Schweisskräften durchgeführt, und bei der Kalibrierung im Schritt d) werden die Vergleiche aller Ist-Schweisskräfte mit den entsprechenden Soll-Schweisskräften berücksichtigt. Die genannte mehrfache Durchführung mit verschiedenen Soll-Schweisskräften kann dabei ebenfalls durch das Computerprogramm gesteuert werden. Auf diese Weise kann eine Kalibrierung über einen ganzen Bereich von möglichen Schweisskräften durchgeführt werden. Die Kalibrierung im Schritt d) kann beispielsweise mittels einer linearen Regression durchgeführt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Messeinheit des Systems als Amplitudenmesseinheit zum Messen einer Schwingungsamplitude einer Sonotrode der Ultraschallschweissvorrichtung ausgebildet sein. Auch hierbei kann es sich um eine an sich bekannte Amplitudenmesseinheit handeln.
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Ist die Messeinheit eine Amplitudenmesseinheit, so enthält das System bevorzugt ein Positionierelement, mittels dessen die Amplitudenmesseinheit in einer definierten Position relativ zur Ultraschallschweissvorrichtung positionierbar ist, insbesondere zu einer Sonotrode der Ultraschallschweissvorrichtung. Hierdurch findet die Messung immer an der gleichen Position der Sonotrode statt, was angesichts der lokal variierenden Amplituden der Sonotrode für eine höhere Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Messung sorgt. Das Positionierelement kann beispielsweise magnetisch an der Ultraschallschweissvorrichtung lösbar befestigbar sein, beispielsweise an einer Schweisszange der Ultraschallschweissvorrichtung.
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Die Amplitudenmesseinheit kann zum rein mechanischen Messen der Schwingungsamplitude der Sonotrode ausgebildet sein. Somit kann beispielsweise auf baulich aufwendigere optische Detektoren verzichtet werden, wie sie etwa in
US 6,827,247 B1 beschrieben sind. Natürlich kann die Amplitudenmesseinheit alternativ zum berührungslosen Messen der Schwingungsamplitude ausgebildet sein und zu diesem Zweck beispielsweise einen Laser und/oder einen berührungslosen Sensor enthalten.
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Im Schritt a) kann dann die Ultraschallschweissvorrichtung mit einer Soll-Schwingungsamplitude betrieben werden. Dabei werden Kalibrationsdaten berücksichtigt, die im Kalibrationsdatenspeicher gespeichert sind. Im Schritt b) bestimmt die Amplitudenmesseinheit die tatsächliche Schwingungsamplitude der Sonotrode. Ein Vergleich der gemessenen Ist-Schwingungsamplitude mit der Soll-Schwingungsamplitude erfolgt dann im Schritt c). Die Kalibrierung im Schritt d) kann beispielsweise nur dann erfolgen, wenn die Abweichung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Alternativ kann das Computerprogramm eine Information oder eine Warnmeldung ausgeben, die den Benutzer beispielsweise zur Heranziehung eines Servicetechnikers auffordern kann. Insbesondere können ein erster, niedrigerer Schwellenwert und ein zweiter, höherer Schwellenwert vorgesehen sein. In dieser Variante wird die Kalibrierung im Schritt d) nur dann durchgeführt (d. h. es werden neue Kalibrationsdaten nur dann akzeptiert), wenn die Abweichung zwischen Ist-Betriebsparameter und Soll-Betriebsparameter den ersten Schwellenwert überschreitet. Überschreitet sie sogar den zweiten Schwellenwert, so kann das Computerprogramm das Kalibrierverfahren abbrechen, da von einem grundlegenden Fehler auszugehen ist, und die Heranziehung eines Servicetechnikers empfehlen oder fordern.
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Die Schritte a) bis c) können mehrfach nacheinander mit verschiedenen Soll-Schwingungsamplituden durchgeführt werden, beispielsweise ein ersten Mal mit der maximal von der Ultraschallschweissvorrichtung unterstützten Schwingungsamplitude und ein zweites Mal mit der Hälfte dieser maximalen Schwingungsamplitude. Im Schritt d) können dann die Vergleiche aller Ist-Schwingungsamplituden mit den entsprechenden Soll-Schwingungsamplituden berücksichtigt werden, wofür auch hier eine lineare Regression verwendet werden kann.
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Das System kann ferner mindestens eine Anzeigeeinheit und/oder mindestens eine Übertragungseinheit enthalten, welche mit einer oder mehreren der Messeinheiten verbunden oder verbindbar ist, insbesondere mit einer Kraftmesseinheit und/oder einer Amplitudenmesseinheit. Die Anzeigeeinheit kann zur Anzeige des von der/den Messeinheit(en) gemessenen Ist-Betriebsparameters ausgebildet sein. Die Übertragungseinheit kann zur Übertragung des von der/den Messeinheit(en) gemessenen Ist-Betriebsparameters an die Ultraschallschweissvorrichtung ausgebildet sein. Die Übertragung kann beispielsweise über eine USB-Schnittstelle erfolgen. Auch als Anzeigeeinheit und als Übertragungseinheit können an sich bekannte Geräte eingesetzt werden. Das erfindungsgemässe Computerprogramm kann auch von der Anzeigeeinheit oder von der Übertragungseinheit ausgeführt werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ebenfalls ein System zum Kalibrieren einer Ultraschallschweissvorrichtung, insbesondere einer Ultraschallschweissvorrichtung zum Schweissen von Litzen. Insbesondere kann es sich dabei um ein wie bereits oben beschriebenes System gemäss dem ersten Aspekt handeln. Das System gemäss dem zweiten Aspekt enthält mindestens eine Eicheinheit sowie mindestens ein Computerprogramm. Die Eicheinheit ist derart ausgebildet, dass sie die Ultraschallschweissvorrichtung beim Zusammenwirken mit ihr in einen vorgegebenen Betriebszustand versetzen kann, der durch einen Eich-Betriebsparameter charakterisiert ist. Dieser Eich-Betriebsparameter ist also durch die Eicheinheit und nicht durch die Ultraschallvorrichtung vorgegeben. Das Computerprogramm ist zur Ausführung der folgenden Schritte ausgebildet:
- a) Betreiben der Ultraschallschweissvorrichtung, während die Eicheinheit mit der Ultraschallschweissvorrichtung zusammenwirkt,
- b) Bestimmung eines gemessenen Betriebsparameters mittels einer Messeinheit der Ultraschallschweissvorrichtung auf der Basis von in einem Kalibrationsdatenspeicher der Ultraschallschweissvorrichtung gespeicherten Kalibrationsdaten,
- c) Vergleich des gemessenen Betriebsparameters mit dem Eich-Betriebsparameter,
- d) gegebenenfalls Kalibrierung der Ultraschallschweissvorrichtung, insbesondere einer Steuereinrichtung der Ultraschallschweissvorrichtung, durch Anpassung von Kalibrationsdaten.
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Die Eicheinheit kann dabei an sich bekannt sein. Das Zusammenwirken mit dem Computerprogramm erlaubt ein besonders einfaches Kalibrieren der Ultraschallschweissvorrichtung. Denn auch die Eicheinheit muss nicht zwingend fest in der Ultraschallschweissvorrichtung integriert sein oder fest darin integriert werden; bevorzugt ist sie nicht fest in der Ultraschallschweissvorrichtung integriert. Sie kann daher nacheinander zum Kalibrieren mehrerer Ultraschallschweissvorrichtungen verwendet werden.
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Aus den bereits genannten Gründen ist es vorteilhaft, wenn die Eicheinheit lösbar in einen Verdichtungsraum der Ultraschallschweissvorrichtung einsetzbar ist. Auf diese Weise kann die Eicheinheit auch selbst einfach kalibriert werden, was nicht zwingend am Ort der Ultraschallschweissvorrichtung stattfinden muss, sondern beispielsweise jährlich bei einem Eichamt vollzogen werden kann. Auch ein Austausch der Eicheinheit gestaltet sich einfacher, wenn diese nur lösbar in den Verdichtungsraum einsetzbar ist.
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Bevorzugt ist das Computerprogramm von einer Steuereinrichtung der Ultraschallschweissvorrichtung ausführbar.
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Schritt d) kann derart durchgeführt werden, dass die Kalibrierung nur dann durchgeführt wird, wenn die Abweichung zwischen dem gemessenen Betriebsparameter und dem Eich-Betriebsparameter einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Alternativ kann das Computerprogramm eine Information oder eine Warnmeldung ausgeben, die den Benutzer beispielsweise zur Heranziehung eines Servicetechnikers auffordern kann. Es können auch bei diesem Aspekt der Erfindung ein erster, niedrigerer Schwellenwert und ein zweiter, höherer Schwellenwert vorgesehen sein. In dieser Variante wird die Kalibrierung im Schritt d) nur dann durchgeführt (d. h. es werden neue Kalibrationsdaten nur dann akzeptiert), wenn die Abweichung zwischen Ist-Betriebsparameter und Soll-Betriebsparameter den ersten Schwellenwert überschreitet. Überschreitet sie sogar den zweiten Schwellenwert, so kann das Computerprogramm das Kalibrierverfahren abbrechen, da von einem grundlegenden Fehler auszugehen ist, und die Heranziehung eines Servicetechnikers empfehlen oder fordern.
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Mindestens eine Eicheinheit kann als Schablone zum Vorgeben einer Schweissbreite und/oder einer Schweisshöhe eines Verdichtungsraumes der Ultraschallschweissvorrichtung ausgebildet sein. Die Schweissbreite bzw. die Schweisshöhe stellt in diesem Ausführungsbeispiel den vorgegebenen Eich-Betriebsparameter dar. Bevorzugt enthält das System mehrere als Schablone ausgebildete Eicheinheiten, die mehrere verschiedene Schweissbreiten und/oder mehrere verschiedene Schweisshöhen vorgeben können. Die Schweissbreite ist durch den Abstand der Begrenzungsflächen der Seitenbegrenzungselemente gegeben und die Schweisshöhe durch den Abstand der Arbeitsflächen von Sonotrode und Amboss.
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Eine solche Schablone kann in den geöffneten Verdichtungsraum eingelegt werden. Anschliessend kann im Schritt a) der Verdichtungsraum zumindest teilweise geschlossen werden, bis zwei ihn begrenzende und einander gegenüberliegende Flächen an der Schablone anliegen. Dies kann geschehen, indem der Amboss in Richtung der Sonotrode bewegt wird, bis sowohl die Sonotrode als auch der Amboss an der Schablone anliegen. Alternativ oder zusätzlich können ein oder zwei Seitenbegrenzungselemente bewegt werden, bis sie beide an der Schablone anliegen. Die Schablone hat dann im obigen Sinne die Ultraschallschweissvorrichtung in einen vorgegebenen Betriebszustand versetzt.
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Anschliessend wird mittels einer Messeinheit der Ultraschallschweissvorrichtung die Schweissbreite und/oder die Schweisshöhe bestimmt, die den gemessenen Betriebsparameter gemäss Schritt b) darstellt. Daraufhin erfolgt im Schritt c) ein Vergleich der von der Messeinheit bestimmten Schweissbreite und/oder Schweisshöhe mit der durch die Schablone vorgegebenen Schweissbreite und/oder Schweisshöhe. Überschreitet die Abweichung einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird die Steuereinrichtung im Schritt d) durch Anpassung der Kalibrationsdaten kalibriert. Anschliessend kann der Verdichtungsraum wieder geöffnet werden, und die Schablone kann entnommen werden.
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Vor Schritt a) kann das Computerprogramm Anweisungen zur Benutzung der Messeinheit und/oder der Eicheinheit ausgeben. Dies kann beispielsweise via einen Monitor der Ultraschallschweissvorrichtung erfolgen. Die Anweisungen können etwa beinhalten, wie die Schablone in den Verdichtungsraum eingelegt werden soll, in welcher Reihenfolge mehrere Schablonen eingelegt werden sollen, wie die Kraftmesseinheit in den Verdichtungsraum eingeführt werden soll oder wie ein Positionierelement zum Positionieren einer Amplitudenmesseinheit befestigt werden soll. Zu diesem Zweck können die Anweisungen beispielsweise auch Fotos oder Zeichnungen enthalten, beispielsweise des Verdichtungsraumes oder der Schablonen. Hierdurch können Bedienfehler weitestgehend reduziert werden.
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In baulich besonders einfachen und daher bevorzugten Ausführungsformen hat die Schablone im Wesentlichen die Form eines länglichen Quaders. Natürlich sind auch andere Formen möglich und liegen im Rahmen der Erfindung. Beispielsweise kann die Schablone im Wesentlichen die Form eines Zylinders oder eines Prismas mit einem beispielsweise 8-eckigen Querschnitt aufweisen. Mindestens eine der Flächen der Schablone kann eine Struktur oder ein Profil enthalten, die/die zur genauen Positionierung dienen kann. Beispielsweise kann eine Seite, insbesondere eine Unterseite, der Schablone eine Vertiefung aufweisen, deren Form komplementär zur Form der Arbeitsfläche der Sonotrode ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Seite, insbesondere eine Oberseite, der Schablone ein Profil aufweisen, dessen Form komplementär zur Form der Arbeitsfläche des Ambosses ist.
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Bevorzugt ist das Computerprogramm in einem Programmspeicher der Ultraschallschweissvorrichtung gespeichert.
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Das System kann alternativ auch einen Datenträger enthalten, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist und von dem es beispielsweise in einen Programmspeicher der Ultraschallschweissvorrichtung übertragbar ist. Bei dem Datenträger kann es sich beispielswiese um einen USB-Dongle oder eine CD-ROM handeln. Ein USB-Dongle ist dabei bevorzugt, da viele Ultraschallschweissvorrichtungen bereits über eine USB-Schnittstelle verfügen. Alternativ ist es natürlich auch denkbar, dass das Computerprogramm via ein Datennetz übertragbar ist, beispielsweise in den Programmspeicher der Ultraschallschweissvorrichtung.
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Es kann eine Authentifizierung vorgesehen sein, die die Durchführung des Computerprogramms nur dann erlaubt, wenn sich der Benutzer vorher identifiziert hat. Zu diesem Zweck kann das System ein Hardware-Authentifizierungsmittel enthalten, welches über eine geeignete Schnittstelle mit der Steuereinrichtung verbindbar ist. Als Hardware-Authentifizierungsmittel kann ein USB-Dongle verwendet werden, da viele Ultraschallschweissvorrichtungen bereits über eine USB-Schnittstelle verfügen. Alternativ ist es auch denkbar, dass sich der Benutzer durch ein Administratorpasswort identifizieren muss, um das Computerprogramm durchführen zu können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mehrerer Zeichnungen im Detail erläutert. Dabei zeigen
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1: eine schematische Darstellung einer Ultraschallschweissvorrichtung;
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2: ein Foto eines erfindungsgemässen Systems zum Kalibrieren;
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3: eine Kraftmesseinheit des erfindungsgemässen Systems in einer perspektivischen Ansicht;
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4a: eine Amplitudenmesseinheit zusammen mit einem Positionierelement des erfindungsgemässen Systems in einer Seitenansicht;
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4b: die Amplitudenmesseinheit zusammen mit dem Positionierelement in einer Draufsicht;
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5: eine Schablone des erfindungsgemässen Systems in einer perspektivischen Ansicht.
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1 zeigt in einer schematischen und nicht massstabsgetreuen Darstellung eine Ultraschallschweissvorrichtung 60 zum Schweissen von Litzen. Diese enthält einen Verdichtungsraum 67, der von der Arbeitsfläche einer Sonotrode 63, der Arbeitsfläche eines Ambosses 64 sowie von den Begrenzungsflächen zweier Seitenbegrenzungselemente 65, 66 begrenzt ist. Das linke Seitenbegrenzungselement 65 ist in horizontaler Richtung relativ zur Sonotrode 63 verschiebbar angeordnet, während das rechte Seitenbegrenzungselement 66 in vertikaler Richtung relativ zur Sonotrode 63 verschiebbar angeordnet ist. Der Amboss 64 ist in horizontaler Richtung relativ zum rechten Seitenbegrenzungselement 66 verschiebbar angeordnet. Insgesamt ist also der Amboss 64 in Richtung der Sonotrode 63 verschiebbar, wodurch eine Schweisshöhe h des Verdichtungsraumes 67 eingestellt werden kann. Durch Verschiebung des linken Seitenbegrenzungselementes 65 ist auch eine Schweissbreite b des Verdichtungsraumes 67 einstellbar.
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In den Verdichtungsraum 67 können zwei oder mehr hier nicht dargestellte Litzen eingelegt werden, um dort unter Einwirkung der Sonotrode 63 miteinander verschweisst zu werden. Alternativ können eine oder mehrere Litzen sowie ein Terminal in den Verdichtungsraum 67 eingelegt werden, so dass die Litzen mit dem Terminal verschweisst werden können.
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Die Ultraschallschweissvorrichtung 60 enthält ferner eine Steuereinrichtung 61 zum Steuern des Schweissvorgangs. Die Steuereinrichtung 61 steuert beispielsweise die Bewegung der Sonotrode 63, des Ambosses 64 und der Seitenbegrenzungselement 65, 66, die Schweisskraft, mit der die Sonotrode 63 beim Schweissvorgang gegen den Amboss 64 gepresst wird, die Schwingungsamplitude der Sonotrode 63 und auch die Dauer des Schweissvorgangs. Diese Steuerung erfolgt auf der Basis von Kalibrationsdaten, die in einem Kalibrationsdatenspeicher 62 der Ultraschallschweissvorrichtung 60 gespeichert sind. Ausserdem erfolgt die Steuerung auf der Basis von Sensoren und Aktoren der Ultraschallschweissvorrichtung 60, die hier nicht dargestellt sind.
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In regelmässigen Abständen sollten die genannten Sensoren und Aktoren überprüft werden, um die Qualität der Schweissverbindungen gewährleisten zu können. Hierzu kann das erfindungsgemässe System eingesetzt werden, welches im Folgenden erläutert wird.
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2 zeigt ein Foto eines erfindungsgemässen Systems 10 zum Kalibrieren einer Steuereinrichtung 61 einer Ultraschallschweissvorrichtung 60 zum Schweissen von Litzen. Das System 10 enthält einen Koffer 15. Darin aufgenommen sind drei Schablonen 40 zum Vorgeben einer Schweissbreite b und einer Schweisshöhe h des Verdichtungsraumes 67, eine Kraftmesseinheit 20 zum Messen einer Schweisskraft, mit der die Sonotrode 63 gegen den Amboss 64 gepresst wird, eine Amplitudenmesseinheit 30 zum Messen einer Schwingungsamplitude der Sonotrode 63, ein Positionierelement 31, mittels dessen die Amplitudenmesseinheit 30 relativ zur Sonotrode 63 positionierbar ist, eine über ein erstes Datenkabel 81 mit der Kraftmesseinheit 30 verbindbare Übertragungseinheit 50 sowie ein Hardware-Authentifizierungsmittel in Form eines USB-Dongles 80.
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In einem Programmspeicher 69 der Steuereinrichtung 61 ist ein Computerprogramm des erfindungsgemässen Systems gespeichert, welches die unten erläuterten Verfahrensschritte durchführen kann. Dies erlaubt das Computerprogramm einem Benutzer jedoch nur dann, wenn er sich vorher mittels des USB-Dongles 80 identifiziert hat, welches er zu diesem Zweck mit einem USB-Anschluss der Ultraschallschweissvorrichtung 60 verbinden muss.
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Um die beim Schweissen herrschende Schweisskraft kalibrieren zu können, kann die Kraftmesseinheit 20 verwendet werden, die im Detail in 3 dargestellt ist. Sie enthält eine Ankerplatte 21, welche mit Hilfe zweier Schrauben 22 an einem U-förmigen Abstützbügel 23 befestigt ist. Mit Hilfe eines Zugringes 24 und einer Einstellmutter 25 ist ein Kraftsensor 26 an der Ankerplatte 21 gehalten. Bei dem Kraftsensor 26 handelt es sich um einen Präzisions-Miniatur-Kraftsensor vom Typ 8431-6005, erhältlich von der Messtechnik Schaffhausen GmbH, CH-8260 Stein am Rhein. Die spezielle Gestaltung dieser Kraftmesseinheit 20 erlaubt eine Messung der Schweisskraft direkt im Verdichtungsraum 67, ohne dass ein aufwändiger Ausbau der Sonotrode 63 oder anderer Bauteile der Ultraschallschweissvorrichtung 60 nötig ist.
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Über das in 3 nicht dargestellte erste Datenkabel 81 ist die Kraftmesseinheit 20 mit der Übertragungseinheit 50 verbunden. Die Übertragungseinheit 50 ist ein „USB Sensor Interface” vom Typ 9206-V00I, erhältlich von der Messtechnik Schaffhausen GmbH, CH-8260 Stein am Rhein. Diese Übertragungseinheit 50 enthält auch einen Kraftmessverstärker sowie ein zweites Datenkabel 82 (siehe 2), mittels dessen die gemessene Ist-Schweisskraft über eine USB-Schnittstelle an die Ultraschallschweissvorrichtung 60 übertragen werden kann.
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Das von der Steuereinrichtung 61 ausgeführte Computerprogramm gibt zunächst Anweisungen via einen Monitor 68 der Ultraschallschweissvorrichtung 60 aus, wie die Kraftmesseinheit 20 in den Verdichtungsraum 67 einzusetzen ist. Anschliessend wird in einem Schritt a) die Ultraschallschweissvorrichtung 60 mit einer Soll-Schweisskraft betrieben, wobei die im Kalibrationsdatenspeicher 62 gespeicherten Kalibrationsdaten berücksichtigt werden. Typischerweise wird der Druck gemessen, der in einem Pneumatikzylinder herrscht, welcher die Sonotrode 63 gegen den Amboss 64 presst. Dieser gemessene Druck hängt mit der Soll-Schweisskraft zusammen und wird von der Steuereinrichtung 61 derart eingestellt, um die Soll-Schweisskraft zu erzeugen. Die Übertragungseinheit 50 verstärkt die von der Kraftmesseinheit 20 gemessene Ist-Schweisskraft und überträgt sie über das zweite Datenkabel 82 an die Ultraschallschweissvorrichtung 60. In einem Schritt b) nimmt die Steuereinrichtung 61 diese Ist-Schweisskraft auf. Alternativ ist es denkbar, dass anstelle der Übertragungseinheit 50 eine Anzeigeeinheit vorgesehen ist, von der der Benutzer die gemessene Ist-Schweisskraft ablesen kann. Diese abgelesene Ist-Schweisskraft kann dann über den genannten Monitor 68 eingegeben werden, der zu diesem Zweck als berührungsempfindlicher Monitor 68 ausgebildet sein kann.
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In einem anschliessenden Schritt c) wird die von der Kraftmesseinheit 20 gemessene Ist-Schweisskraft mit der vorgegebenen Soll-Schweisskraft verglichen.
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Bevorzugt werden die Schritte a) bis c) mehrfach nacheinander mit verschiedenen Soll-Schweisskräften durchgeführt. Beispielsweise können im genannten Pneumatikzylinder Drücke von 2 bar bis 6 bar in Schritten von jeweils 1 bar eingestellt werden, die von der Steuereinheit rechnerisch mit jeweiligen Soll-Schweisskräften in Beziehung gesetzt werden.
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In einem nachfolgenden Schritt d) wird überprüft, ob die Abweichung zwischen Ist-Schweisskräften und Soll-Schweisskräften einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Hierbei werden die Vergleiche aller Ist-Schweisskräfte mit den entsprechenden Soll-Schweisskräften berücksichtigt, wofür beispielsweise eine lineare Regression eingesetzt werden kann. Ist dies der Fall, so wird die Steuereinrichtung 61 durch Anpassung der im Kalibrationsdatenspeicher 62 gespeicherten Kalibrationsdaten kalibriert. Optional kann das Computerprogramm vorab eine Abfrage durchführen, in der der Benutzer zur Eingabe aufgefordert wird, ob er tatsächlich eine Anpassung der Kalibrationsdaten wünscht.
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Zur Bestimmung der Schwingungsamplitude der Sonotrode 63 kann die rein mechanische Amplitudenmesseinheit 30 verwendet werden. Hierbei handelt es sich um einen Feinzeiger Millimess 1003 vom Typ: 123630.200, erhältlich von der Brütsch/Rüegger Werkzeuge AG in CH-8902 Urdorf. Mit Hilfe des Positionierelementes 31 kann die Amplitudenmesseinheit 30 in einer definierten relativen Position zur Sonotrode 63 positioniert werden, wodurch die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Messung gesteigert werden können. Die Befestigung des Positionierelementes 31 erfolgt dabei magnetisch. Auch hierzu kann das Computerprogramm vor einem Schritt a) Anweisungen via den Monitor 68 ausgeben.
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In den 4a und 4b ist in zwei verschiedenen Ansichten die Amplitudenmesseinheit 30 zusammen mit dem Positionierelement 31 dargestellt. Das Positionierelement 31 enthält einen Deckel 32 mit Federdruckstücken 37, mit denen das Positionierelement 31 relativ zur Sonotrode 63 positioniert werden kann. Am Deckel 32 ist ein Haltebügel 34 befestigt. Der Haltebügel 34 hält mittels einer Senkschraube 35 einen Schaltmagnet 33, mittels dessen das Positionierelement 31 magnetisch an einer Schweisszange und damit relativ zur Sonotrode 63 befestigt werden kann. Am Haltebügel 34 sind ausserdem zwei Haltearme 35 vorgesehen, zwischen denen die Amplitudenmesseinheit 30 mit Hilfe einer weiteren Schraube 36 eingeklemmt ist. An der Amplitudenmesseinheit 30 ist ein geformter Messeinsatz 38 befestigt, dessen Spitze zur Messung der Schwingungsamplitude mit der Sonotrode 63 in Kontakt gebracht wird.
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Im Schritt a) wird dann die Ultraschallschweissvorrichtung 60 mit einer vorgegebenen Soll-Schwingungsamplitude betrieben, wobei auf die im Kalibrationsdatenspeicher 62 gespeicherten Kalibrationsdaten zurückgegriffen wird. Die Ist-Schwingungsamplitude kann dann von der Amplitudenmesseinheit 30 abgelesen werden. In einem Schritt b) wird diese gemessene Ist-Schwingungsamplitude via den berührungsempfindlichen Monitor 68 aufgenommen. In einem anschliessenden Schritt c) wird die Ist-Schwingungsamplitude mit der Soll-Schwingungsamplitude verglichen. Überschreitet die Abweichung einen vorgegebenen Schwellenwert, so erfolgt in einem Schritt d) eine Kalibrierung der Steuereinrichtung 61 durch Anpassung der Kalibrationsdaten.
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Weiterhin kann mit dem erfindungsgemässen System 10 eine Kalibrierung der Schweissbreite b und der Schweisshöhe h des Verdichtungsraumes 67 durchgeführt werden. Bei Anwahl eines entsprechenden Menüpunktes fordert das Computerprogramm den Benutzer via den Monitor 68 auf, eine erste Schablone 40 in den Verdichtungsraum 67 einzulegen. Eine solche Schablone 40 ist in 5 gezeigt. Sie hat im Wesentlichen die Form eines länglichen Quaders. Die Breite B der Schablone definiert die Schweissbreite b, und ihre Höhe H definiert die Schweisshöhe h. An einer Unterseite 41 ist eine Vertiefung 42 vorgesehen, deren Form komplementär zur Form der Arbeitsfläche der Sonotrode 63 ist. An der gegenüberliegenden Oberseite 43 sind durch Laserbeschriftung eine Seriennummer und die Breite B der Schablone 40 angegeben, die bei dieser Schablone 40 mit der Höhe H übereinstimmt und 6 mm beträgt. Die Oberseite 43 der Schablone 40 enthält ferner eine Kerbe 45, die mit einem Zahn des Ambosses 64 in Eingriff gebracht werden kann. Auf diese Weise kann die Schablone 40 präzise im Verdichtungsraum 67 platziert werden. Eine Seitenfläche 44 der Schablone 40 enthält eine ebenfalls per Laserbeschriftung erzeugte Artikelnummer.
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Anschliessend wird in einem Schritt a) der Verdichtungsraum 67 geschlossen, indem der Amboss 64 durch Verschieben des rechten Seitenbegrenzungselemente 65 in Richtung auf die Sonotrode 64 bewegt wird und das linke Seitenbegrenzungselement 65 in Richtung auf das rechte Seitenbegrenzungselement 66 bewegt wird, bis die Sonotrode 63, der Amboss 64 und die Seitenbegrenzungselement 65, 66 an der Schablone 40 anliegen. Auf diese Weise versetzt die Schablone 40 die Ultraschallschweissvorrichtung 60 in einen vorgegebenen Betriebszustand, der durch die Schweissbreite und die Schweisshöhe charakterisiert ist, welche durch die Schablone 40 vorgegeben sind.
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Eine Messeinheit 70 der Ultraschallschweissvorrichtung 60 bestimmt in diesem Betriebszustand gemessene Werte der Schweissbreite b und der Schweisshöhe h. Diese gemessenen Werte können auf dem Monitor 68 ausgegeben werden. Anschliessend werden sie in einem Schritt c) mit den bekannten Dimensionen der Schablone 40 verglichen. Die Schritte a) bis c) werden dann mit den beiden weiteren Schablonen 40 wiederholt. Ergibt der Vergleich zwischen den durch die Schablonen 40 vorgegebenen Eich-Schweissbreiten und Eich-Schweisshöhen einerseits und den von der Messeinrichtung der Ultraschallschweissvorrichtung bestimmten Schweissbreiten und Schweisshöhen andererseits eine Abweichung, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, so wird in einem nachfolgenden Schritt d) eine Kalibrierung der Steuereinrichtung 61 durch Anpassung der Kalibrationsdaten vollzogen. Um alle drei Schablonen 40 und die von ihnen vorgegebenen Schweissbreiten und Schweisshöhen berücksichtigen zu können, kann eine lineare Regression durchgeführt werden.
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Insgesamt erlaubt es das erfindungsgemässe System 10 also, die Ultraschallschweissvorrichtung 60 auf besonders einfache Weise zu kalibrieren, ohne dass diese hierfür dauerhaft aufgerüstet werden müsste. Das System 10 kann stattdessen nacheinander zur Kalibrierung mehrerer Ultraschallschweissvorrichtungen 60 eingesetzt werden. Weiterhin können Bedienfehler weitestgehend reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 95/10866 A1 [0005]
- WO 2005/116593 A1 [0005]
- US 6827247 B1 [0007, 0021]
- US 7819013 B2 [0008]
