DE4013607A1 - Verfahren und einrichtung zur steuerung und regelung von ultraschall-piezosystemen - Google Patents

Description

1. Stand der Technik

Die Leistungs-Ultraschalltechnik ist aufgeteilt in die Anwendungsbereiche Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen. Für jedes dieser Gebiete sind zur Zeit speziell dafür geeignete Generatorkonzepte entwickelt und eingesetzt.

Bestimmend für Kunststoff- Metallschweißen sind die Parameter schnelles Einschwingverhalten, geringe Temperaturdrift, kurze Schweißzeiten und Amplitudenkonstanz.

Bestimmend für Bohren und Polieren sind die Parameter Dauerschallfestigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Verkürzung der Sonodroden (Hörner) und Leistungskonstanz.

Bestimmend für das Waschen und Reinigen sind die Parameter punkt- oder flächenförmige Schallausbreitung, Gleichschall­ betriebsart, Doppelhalbwelle, Einfachhalbwelle, impulsförmige und/oder frequenzgewobbelte Ultraschallerzeugung und Leistungskonstanz im Bad am Waschgut.

Diese Anforderungen führten bis heute zu jeweils speziell ausgerichteten Generatoren. Diese Systeme sind hierbei dadurch charakterisiert, daß die Regelung typischerweise jeweils einer physikalischen Größe durch unabhängige Regelkreise geregelt werden.

2. Problemstellung

Die Nachteile der heutigen Systeme sind enge Einsatzbereiche in der Frequenznachführung (möglicher Bereich ist kleiner 500 Hz) und damit oftmaliger Sonodrodenwechsel vor allem im Bereich Bohren und Polieren, eine maximale Leistungsnachregelung im Bereich von ca. 30% der Nennleistung, kein Erfassen der Änderung von physikalischen Parametern des Schwingsystemes während Pausenphasen (z. B. Resonanzänderung durch Temperaturdrift, mechanische Verkürzung, Abschleifen durch den Anwender u. s. w.) und mechanischen Abnutzungen während der Schallphasen, daß für jeden Anwendungsbereich ein eigener Generator benötigt wird und daß sämtliche Abweichungen von allen denkbaren systembestimmenden Sollwerten nicht erfaßt werden.

Die Aufgabe ist es, ein Generatorkonzept mit entsprechenden Ausführungseigenschaften zu finden, welches alle Anforderungen aller beschriebenen Anwendungsbereiche ohne Einschränkungen optimal erfüllt und die oben beschriebenen Nachteile vollständig eleminiert.

3. Lösung

Zur Lösung der gestellten Aufgabe, wird die in Fig. 1 dargestellte Generatorstruktur verwendet, welche alle physikalischen Istwerte zentral erfaßt, alle Steuerglieder zentral regelt, alle physikalischen Sollwerte kennt, damit alle Regelkreise mit ihren Soll- und Istwerten in einem Punkt zusammengeführt und damit eine alle Regelkreise umfassende Regelstrategie ermöglicht. Diese beinhaltet die Abhängigkeit einer individuellen Regelgröße von einer oder mehreren anderen Regelgrößen bereits bei der Nachführung des entsprechenden Stellgliedes und erweitert damit die bisher individuelle zweidimensionale Regelung einer Stellgröße zu einer drei- bzw. mehrdimensionalen Regelung einer Stellgröße in Abhängigkeit aller anderen im System bzw. in der zentralen Kontrolleinheit bekannten Ist- und Sollwerten.

Der Generator besteht aus den Funktionsblöcken Linefilter (LF), Netzteil (NT), UB-Steller (UB), Endstufe (ES), Anpassung (AP), Leistungsmesser (LM), zentraler Kontrolleinheit (ZK), Frontplatte (FP) , Kommunikationsschnittstelle (KS), Temperaturkontrolle (TK), Spannungsmesser (UM) und Amplitudenmesser (AM). Weiterhin ist der piezoelektrische Schallwandler (PZ) in Fig. 1 dargestellt.

Von der ZK werden alle Größen erfaßt und alle Stellglieder gesteuert. Über die Frontplatte (FP) bzw. über die Kommunikationsschnittstelle (z. B. V24, Ethernet, GPIB u. s. w.) sind damit alle systemspezifischen Parameter eingebbar bzw. ausgebbar (Eingabe aller Parameter durch den Benutzer, Ausgabe aller aktuellen Systemparameter, Anzeige von Fehlerzuständen, Ultraschall einschalten/ausschalten, Auswahl bestimmter vorgegebener Datensätze usw.). Damit sind die Betriebsweisen "Remote Control" und "Lokale Frontplattenbedienung" möglich. Die Funktionen der ZK sind typischerweise mit Hilfe eines Mikroprozessors (UP) und entsprechender Software realisiert. Mit Hilfe der Kommunikationsschnittstelle können alle aktuellen Betriebsdaten auf Drucker protokolliert oder auf nachgeschalteten Rechnern oder Massenspeicher gespeichert werden. Desweiteren ist die vollständige Programmierung des ZK mit Konfigurationsdaten (Leistung, Frequenzen u. s. w.) als auch mit Bearbeitungsstrategien möglich. Die zeitweilige Speicherung dieser Daten in nichtflüchtigen Speicher (z. B. EEPROM) ist möglich.

Mit Hilfe von UB erfolgt die Einstellung der Leistung über die Ausgabe einer vom ZK einstellbaren Spannung. Hierzu wird ein entsprechendes Steuersignal von ZK an UB ausgegeben (wahlweise in digitaler bitserieller oder bitparalleler Form oder über Impulsbreitensteuerung oder in analoger Strom- oder Spannungsform). Die von UB ausgegebene Spannung wird mit UM sensiert. Die UB basiert auf dem Prinzip der getakteten Spannungsstellung wobei bei der impulsbreitengesteuerten Lösung gleichzeitig Pulsfrequenz und Pulsbreite vom ZK geregelt und variiert werden. Dies ermöglicht die Einstellung einer Spannung von 0 bis maximaler Spannung.

Mit Hilfe von ES erfolgt die Verstärkung des von ZK ausgegebenen Frequenzsignales. Das Frequenzsignal wird im ZK typischerweise mit Hilfe eines VCO (voltage controlled oscillator) oder einer PLL (phase locked loop) oder eines starr kapazitiv gesteuerten Oszillators erzeugt. Die Steuerung der Frequenz erfolgt durch den UP und ist damit auf keinen Frequenzbereich eingeschränkt. Mit Hilfe handelsüblicher Bausteine ist eine lineare Frequenz im Bereich von 1 Hz bis 100 KHz garantiert, welcher vollständig vom UP gesteuert werden kann.

AP paßt den piezoelektrischen Schallwandler impedanzmäßig an die ES an.

Mit Hilfe von LM erfolgt die Sensierung der (absoluten/relativen) ausgegebenen Leistung (in Watt) auf der Basis eines Wirkleistungsmesser (typischerweise mit Hilfe eines Vierquadrantenmultiplizierers) oder mit Hilfe einer Wirkstromrückkopplungsmessung. Die Wirkstromrückkopplungsmessung wird bei Bedarf von einem Sample- und Hold-Glied unterstützt werden. Die Berechnung der ausgegebenen Energie (in Wattsekunden) erfolgt in ZK.

Mit Hilfe von AM erfolgt die Sensierung der tatsächlichen Schwingungsamplitude (in Meter), typischerweise mit Hilfe einer Lorenzsonde, eines Hallelementes, eines geeichten Piezoaufnehmers oder eines optischen Längenmessers.

Durch diese Systemstruktur ist der Einsatzbereich in der Frequenznachführung nicht eingeschränkt (siehe Frequenzerzeugung) und eine Leistungsnachregelung im Bereich von 0 bis 100% der Nennleistung möglich (siehe Spannungserzeugung).

Das Erfassen der Änderung von physikalischen Parametern des Schwingsystemes während Pausenphasen wie z. B. Resonanzänderung durch Temperaturdrift, mechanische Verkürzung, Abschleifen durch den Anwender usw. erfolgt durch Ausgabe einer Minimalleistung, d. h. eine abgesenkte Leistung, typischerweise im Bereich von 5% bis 20% der Nennleistung und Erfassen aller typischer Schwingsystem­ parameter durch den ZK. Der ZK regelt nun mit Hilfe der Stellgröße Istleistung (siehe UB) die Leistung auf die vom Anwender vorgegebene 5-20% Solleistung. Der ZK regelt parallel hierzu mit Hilfe der Stellgröße Istfrequenz die Arbeitsfrequenz des Generators auf die sich nun neu einstellende Resonanzfrequenz des Schwingsystemes ein, indem durch nach oben oder nach unten hin variierendes stufenweises Steppen der Frequenz und Messung der sich jeweils nun ergebenden Leistung und Speicherung dieser Leistung bei dieser Frequenz diejenige Frequenz bestimmt wird, bei welcher die maximale Leistung abgegeben wird. Dies entspricht allgemein einem Suchen des Resonanzpunktes eines Parallel- oder Serienschwingkreises. Ein aufwendiges Suchen der Resonanzfrequenz zu Beginn einer Impulsphase entfällt damit. Eine Impulsphase ist hierbei durch das Ausgeben einer vom Anwender vorgegebenen Ultraschalleistung über eine bestimmte Zeit hinweg definiert, wobei sich die hierbei ausgegebene Leistung typischerweise dadurch von der minimalen Leistung unterscheidet, daß sie größer ist als die minimale Leistung. Fig. 4 zeigt ein typisches Beispiel.

Während einer Impulsphase treten typischerweise durch Belastung der Sonodroden oder Hörner Impedanzveränderungen oder Resonanzveränderungen im Piezosystem auf.

Resonanzveränderungen werden durch die bereits oben beschriebenen Suchvorgänge mit Hilfe von Steppen der Frequenz ausgeregelt. Impedanzveränderungen und damit Veränderungen der ausgegebenen Leistung werden durch entsprechendes Gegensteuern mit Hilfe des UB ausgeregelt und damit konstant gehalten. Bei kleiner werdender Ausgangsleistung wird die UB-Spannung entsprechend erhöht, bei größer werdender Ausgangsleistung wird die UB-Spannung reduziert.

Das hier vorgestellte System zeichnet sich dadurch aus, daß quasiparallel sowohl eine Leistungsnachregelung sowohl über die Frequenzoptimierung (Resonanzpunkt) als auch über die von der ES bereitgestellten Leistung in Folge der Regelung von UB erfolgt. Damit wird erreicht, daß das System für alle Betriebsarten und Arbeitspunkte immer im optimalen Resonanzpunkt des Piezosystemes arbeitet und die vom Anwender vorgegebene Ausgangsleistung abgestrahlt wird. Damit eignet sich dieser Generator automatisch sowohl zum Schweißen, Bohren und Waschen mit einem Piezosystem oder mit mehreren parallel oder seriell geschalteten Piezosystemen.

Durch die Steuerung von UB ist eine beliebig vorgebbare Anstiegs- und Abfallflanke der Ausgangsleistung der Impulsphase möglich, wobei weiterhin auch in diesen Zeitbereichen der Flanken die Arbeitsfrequenz des Generators auf die Resonanzfrequenz des Piezosystemes oder auf eine beliebig andere Sollfrequenz nachgestellt wird. Durch Kombination mehrerer Impulsphasen mit individuellen Impulslängen, Impulspausen, Anstiegsflanke, Abfallflanken und Leistungsausgaben mit beliebiger vorgebbarer Abhängigkeit von der Zeit sind beliebig vorgebbare Impulsperioden einstellbar. Diese beliebige Abhängigkeit der Ausgangsleistung ist auch in den Impulsphasen und in den Pausen gegeben. Fig. 3 zeigt ein typisches Beispiel auf.

Bei Bedarf wird durch Wählen einer oberen und/oder unteren Eckfrequenz erreicht, daß das System nicht auf Nebenresonanzen einschwingt.

Durch die direkte Steuerung von UB und der Arbeitsfrequenz durch ZK kann der Generator auch gezielt mit beliebig vom Anwender vorgebbarer Ausgangsleistung neben dem Resonsanzpunkt des Piezosystemes betrieben werden. Desweiteren erlaubt die starre Frequenzsteuerung durch den UP bei einer fest vorgegebenen, konstanten UB-Spannung ein Durchfahren des gesamten Frequenzbereiches und Messung und Speicherung der jeweiligen sich einstellenden Ausgangsleistungen. Damit wird ein Leistungsspektrum in Abhängigkeit von der Frequenz erstellt. Dies ermöglich die automatische Einstellung des Gesamtsystemes auf den optimalen Arbeitsbereich.

Nebenresonanzen können damit automatisch ausgeklammert werden, indem zuerst der optimale Arbeitsbereich automatisch ermittelt wird und automatisch/manuell die oberen und/oder unteren Eckfrequenzen festgelegt werden.

Durch Vorgabe und Abspeicherung entsprechender Sollwerte ist der ZK in der Lage, sämtliche Abweichungen der system­ bestimmenden Istwerte von diesen Sollwerten zu erfassen, zu speichern, zu melden und zu protokollieren.

Bei mehreren Piezosystemen kann durch die direkte Steuerung von UB und der Arbeitsfrequenz durch ZK der Generator gezielt mit beliebig vom Anwender vorgebbarer Ausgangsleistung bei mehreren Resonanzpunkten (z. B. bei 20 KHz und bei 30 KHz) betrieben werden. Hierbei erfolgt z. B. durch Piezosystem 1 eine Leistungsausgabe auf 20 KHz und durch Piezosystem 2 eine Leistungsausgabe bei 30 KHz. Hierbei können durch den Anwender (wie bereits oben beschrieben für ein Piezosystem) beliebige Impulsfolgen für die jeweiligen Piezosysteme vorgegeben werden. Für alle Piezosysteme sind gemeinsame Impulsfolgen wie ebenso piezosystemindividuelle Impulsfolgen mit jeweils individueller Anstiegsflanke, Abfallflanke, Nennaus­ gangsleistung in Abhängigkeit von der Zeit und Betrieb im Resonanzpunkt oder neben dem Resonanzpunkt möglich. Eine beispielhafte Anordnung zeigt hierzu Fig. 2.

Sind mehrere Piezosysteme parallel- oder seriellgeschaltet, dann ist durch die starre Regelung der Frequenz durch den ZK ein Frequenzsweep möglich, welcher alle Resonanzpunkte der einzelnen Piezosysteme erfaßt.

Durch Vorgabe von unteren und/oder oberen Frequenzeckpunkten für den Frequenzsweep wird erreicht, daß in kürzestmöglicher Zeit alle Resonanzpunkte durchfahren werden. Dieser Frequenzsweep ist von der Anzahl der angeschlossenen Piezosystem unabhängig.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metall­ schweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelverfahren zur Steuerung von Piezosystemen verwendet wird, welche alle physikalischen Ist- und Sollwerte und alle davon abgeleiteten Werte zentral erfaßt, alle Steuerglieder zentral regelt, alle physikalischen Sollwerte kennt, alle einzelnen Regelkreise mit ihren Soll- und Istwerten in einem oder mehreren Punkten zu einem Regelkreis zusammengeführt, eine, eine alle Regelkreise umfassende allgemeine Regelstrategie besitzt, die Nachführung einer individuellen Stell-/Regelgröße in Abhängigkeit von einer oder mehreren anderen Stell-/Regelgrößen und Ist-/Sollgrößen beinhaltet und gleichzeitig quasiparallel diese eine Stell-/Regelgröße und/oder andere Stell-/Regelgrößen quasiparallel in direkter gegenseitiger Abhängigkeit in einer gemeinsamen Regelschleife steuert.

2. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und polieren, Waschen und Reinigen dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassen der Änderung von physikalischen Parametern eines oder mehrerer Piezosysteme während den Pausenphasen durch Ausgabe einer Minimalleistung oder einer abgesenkten Leistung und durch das Erfassen aller typischer Schwingsystemparameter erfolgt und ein Nachführen der Schwingungsamplitude auf die Nennamplitude und/oder ein Nachführen der Arbeitsfrequenz auf die sich verändernde Resonanzfrequenzen und/oder ein Nachführen der tatsächlich ausgegebenen Leistung auf eine Nennleistung durch Regeln von Stellgrößen auch während den Pausenphasen durchgeführt wird.

3. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß für ein oder mehrere Piezosysteme eine Leistungsnach­ regelung und/oder eine Amplitudennachregelung sowohl über die Frequenzoptimierung auf den und/oder die Resonanz­ punkte als auch über die vom Generator bereitgestellten Leistung in Folge der Regelung der generatorinternen Leistungs- bzw. Energiequelle und Sensierung der tat­ sächlich ausgegebenen Leistung(en) und/oder Schwingungs­ amplitude(n) quasiparallel in einer Regelschleife er­ folgt.

4. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuerung der generatorinternen Leistungs- bzw. Energiequelle und quasiparallelem Sensieren der tatsächlichen Leistungsausgabe und/oder Schwingsungsamplitude eine beliebig vorgebbare Anstiegs- und Abfallflanke der Ausgabeleistung und/oder der Ausgabeenergie und/oder der Schwingungsamplitude in Abhängigkeit von der Zeit oder in Abhängigkeit von einer beliebigen anderen Systemgröße, und eine beliebig vorgebbare Leistungsausgabe und/oder Energieausgabe und/oder Schwingungsamplitude auch während der Impulsphase und während der Pausenphase in Abhängigkeit von der Zeit oder in Abhängigkeit von einer beliebigen anderen Systemgröße möglich ist, wahlweise auch in den Zeitbereichen der Impulsphasen bzw. Pausenphasen und den Zeitbereichen der Flanken die Arbeitsfrequenz des Generators auf die Resonanzfrequenz des Piezosystemes oder auf eine beliebig vorgegebene, von der Resonanzfrequenz abweichende Sollfrequenz in Abhängigkeit von der Zeit oder in Abhängigkeit von einer beliebigen anderen Systemgröße nachgestellt wird, und durch Kombination mehrerer Impulsphasen mit individuellen, beliebig vorgebbaren Impulslängen, Impulspausen, Anstiegsflanken, Abfallflanken, Sollfrequenzausgaben und Leistungsausgaben und/oder Schwingungsamplituden und/oder Energieausgaben mit beliebiger vorgebbarer Abhängigkeiten von der Zeit oder in beliebiger Abhängigkeit von anderen Systemparametern damit beliebig vorgebbare Impulsperioden einstellbar sind.

5. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine obere und/oder untere Eckfrequenz, welche sich beliebig innerhalb des gesamt möglichen Frequenzbandes zur Einstellung auf die Resonanzfrequenz befinden können, das Einschwingen des Systemes auf Nebenresonanzen verhindert wird.

6. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen dadurch gekennzeichnet, daß das Suchen eines unbekannten neuen Resonanzmaximums nach einer Pausenphase durch Wegspringen von dem zuletzt gefundenen und während der Pausenphase gespeicherten Resonanzmaximums nach einem bestimmten Algorithmus erfolgt und damit eine vom letzten Frequenzmaximum unabhängige und beliebige und/oder entsprechend des Algorithmus festgelegte neue Startfrequenz für den Suchvorgang festgelegt wird.

7. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die direkte Steuerung der generatorinternen Leistungs- bzw. Energiequelle und der Arbeitsfrequenz bzw. Istfrequenz und Sensierung der Leistungsausgabe oder der Schwingungsamplitude gezielt eine beliebig vom Anwender vorgebbare Ausgabeleistung und/oder Energie neben dem Resonanzpunkt des Piezosystemes ausgegeben wird.

8. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch bei konstanter vorgegebener generatorinternen Leistungs- bzw. Energiequelle und einer direkten starren Steuerung der Arbeitsfrequenz bzw. Istfrequenz gezielt eine beliebig vom Anwender vorgebbare Ausgangsleistung durch Einstellung der Abweichung der Istfrequenz von der Resonanzfrequenz einstellbar ist und die Leistungsausgabe und/oder die Energieausgabe des Pioezosystemes damit frequenzmäßig über die Flanke der Resonanz-Abstimmkurve bestimmt wird.

9. Verfahren zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren parallel oder seriell geschalteten Piezosysteme durch die starre Regelung der Frequenz ein Frequenzsweep möglich ist, welcher alle Resonanzpunkte der einzelnen Piezosysteme erfaßt, und durch Vorgabe von unteren und/oder oberen Frequenzeckpunkten innerhalb des gesamt zur Regelung zur Verfügung stehenden Frequenzbereiches das Durchfahren aller Resonanzfrequenzen in kürzestmöglichster Zeit ermöglicht und über den gesamten Frequenzsweep durch direkte Steuerung der generatorinternen Leistungs- bzw. Energiequelle eine konstante Ausgangsleistung unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Piezosysteme und Resonanzfrequenzen gewährleistet.

10. Einrichtung zur Regelung und Steuerung von Piezosystemen in den Anwendungsbereichen Kunststoff- und Metallschweißen, Bohren und Polieren, Waschen und Reinigen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung entsprechend Fig. 1 aus den Funktionsblöcken Linefilter (LF), Netzteil (NT), UB-Steller (UB), Endstufe (ES), Anpassung (AP), Leistungsmesser (LM), zentraler Kontrolleinheit (ZK), Frontplatte (FP), Kommunikationsschnittstelle (KS), Temperaturkontrolle (TK), Spannungsmesser (UM) und Amplitudenmesser (AM) besteht, wobei von der ZK alle Größen erfaßt und alle Stellglieder gesteuert werden, über die Frontplatte (FP) bzw. über die Kommunikationsschnittstelle alle systemspezifischen Parameter eingebbar bzw. ausgebbar sind und die vollständige Programmierung des ZK mit Konfigurationsdaten als auch mit unterschiedlichsten Bearbeitungsstrategien möglich ist, die zeitweilige Speicherung dieser Daten in nichtflüchtigen Speicher lokal möglich ist, mit Hilfe von UB die Einstellung der abgegebene Leistung von 0 bis 100% über die Ausgabe einer vom ZK einstellbaren Steuersignal erfolgt, die von UB ausgegebene Spannung mit UM sensiert wird, mit Hilfe von ES die Verstärkung des von ZK ausgegebenen Frequenzsignales erfolgt, mit Hilfe von AS der piezoelektrischer Schallwandler impedanzmäßig an die ES angepaßt wird, mit Hilfe von LM die Sensierung der ausgegebenen Leistung erfolgt, die Berechnung der ausgegebenen Energie im ZK erfolgt, mit Hilfe von AM die Sensierung der tatsächlichen Schwingungsamplitude erfolgt und die Temperatur bzw. der Überlastfall eines Funktions­ blockes sensiert wird.