本發(fā)明涉及一種用超聲波加工系統(tǒng)來對材料進(jìn)行加工的裝置。超聲波加工系統(tǒng)具有超聲發(fā)生器、轉(zhuǎn)換器、超聲焊極和對應(yīng)工具。在許多情況下，振幅變換器附加地被布置在轉(zhuǎn)換器與超聲焊極之間。

超聲發(fā)生器生成交流電壓，該交流電壓借助轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換成聲學(xué)超聲波振動，其頻率與超聲焊極相適配以使得其進(jìn)入諧振狀態(tài)。為了加工期望的材料，這些材料被布置在超聲焊極與對應(yīng)工具之間。由超聲波振動激勵(lì)的超聲焊極隨后將材料壓在對應(yīng)工具上并且對其進(jìn)行加工。

特別是在加工材料薄片時(shí)，超聲焊極和/或?qū)?yīng)工具配備有基本上呈圓柱形或部分圓柱形并且在加工操作期間繞圓柱軸旋轉(zhuǎn)的密封表面。在這種情況下，圓柱形或部分圓柱形密封表面的圓周速度通常與材料進(jìn)給速度一致。

通常，超聲焊極和/或?qū)?yīng)工具具有相應(yīng)的承載表面，該承載表面具有例如突出在承載表面上方的凸起部分的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的頂側(cè)然后形成上述密封表面。在加工材料時(shí)，該結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)移到材料中。

因此，例如，凸起部分可以是細(xì)長的或肋狀的構(gòu)造并且在密封表面上沿軸向延伸。應(yīng)當(dāng)理解，其他形式的凸起部分(例如點(diǎn)狀或圓形的凸起部分)也是可能的。

下面借助于對應(yīng)工具上的凸起部分的示例來描述本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，替代地或附加地，該凸起部分可被設(shè)置在超聲焊極上。應(yīng)當(dāng)理解，提供多個(gè)凸起部分也是可能的。在加工期間，每當(dāng)振動的超生焊極通過材料在凸起部分上施加作用力時(shí)都將產(chǎn)生密封效果。

作為示例，可伴隨相對于材料薄片橫向延伸的細(xì)長凸起部分按上述方式在材料薄片中產(chǎn)生橫向密封接縫。每當(dāng)被布置在對應(yīng)工具上的細(xì)長凸起部分被布置成與超聲焊極相對時(shí)，橫向密封接縫隨后被產(chǎn)生。

然而，凸起部分的使用還具有這樣的結(jié)果，即在對應(yīng)工具的旋轉(zhuǎn)期間，每當(dāng)凸起部分被定位成與超聲焊極相對時(shí)，由超聲焊極通過材料施加在對應(yīng)工具上的作用力突然增加。這涉及振動系統(tǒng)被耦合到對應(yīng)工具。超聲焊極的振動由此被衰減，并且超聲焊極的固有頻率被改變。

為了取得盡可能均勻的焊接結(jié)果，有必要在焊接操作期間(即，在凸起部分與待加工的材料相接觸時(shí))維持恒定的預(yù)定焊接力。然而，鑒于焊接力可能不僅由于材料厚度的波動，而且還由于超聲波振動系統(tǒng)的熱膨脹而發(fā)生變化，所以已知的系統(tǒng)具有力傳感器，該力傳感器借助應(yīng)變儀測量通過超聲焊極或?qū)?yīng)工具施加到材料薄片的作用力。所測得的作用力隨后可與期望的參考值進(jìn)行比較，并且如果在實(shí)際值與參考值之間檢測到偏差，則超聲焊極的相對位置可借助進(jìn)給單元來適配，以使得焊接力被增加或減小，這取決于實(shí)際值與參考值之間的偏差結(jié)果如何。

在這方面，控制系統(tǒng)能夠非?？煽康貙ο到y(tǒng)中的逐漸變化(例如溫度變化和與其相關(guān)聯(lián)的超聲焊極的長度變化)作出反應(yīng)。

然而，尤其是在突然變化的情況下，對控制動作施加了限制。具體而言，在負(fù)載變化的情況下(即，每當(dāng)凸起部分與材料形成加工接合時(shí))，焊接力突然改變。

因此，在de102006020417中已提出根據(jù)加工過程來確定工藝參數(shù)，并且以這種方式被確定的工藝參數(shù)與控制系統(tǒng)的調(diào)整參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

例如，工藝參數(shù)可以是超聲焊極作用在材料上的力，其通常與超聲焊極加工力成比例。如果在操作期間確定超聲焊極的偏轉(zhuǎn)或加工力增加(這尤其是在凸起部分形成加工接合時(shí)的情況)，則該改變可能在適當(dāng)?shù)谋壤s放之后被添加到調(diào)整參數(shù)。以這種方式，由于負(fù)載變化導(dǎo)致的對振動幅度的干擾可被顯著減小。

然而，將注意到振動幅度發(fā)生波動。因此，不僅在凸起部分與材料相接合之后，而且還在凸起部分與材料再次脫離接合之后，發(fā)生后振動現(xiàn)象。這實(shí)質(zhì)上是因?yàn)樨?fù)載的突然增加或減小以及與之相關(guān)聯(lián)的包括進(jìn)給單元并且包括基于應(yīng)變儀的傳感器的超聲焊極的保持裝置的突然的彈性形變或松弛，超聲焊極圍繞其靜止位置執(zhí)行阻尼振動。

尤其是當(dāng)兩個(gè)橫向密封接縫要被快速連續(xù)地產(chǎn)生時(shí)(即，兩個(gè)軸向延伸的凸起部分被設(shè)置在對應(yīng)工具上)，與其相關(guān)聯(lián)的焊接循環(huán)頻率可以在保持裝置也呈現(xiàn)諧振的數(shù)量級上。

后果是非最優(yōu)的焊接力以及不可接受的焊接結(jié)果。

因此，由于保持系統(tǒng)的彈性，對加工速度的增加施加了限制。

因此，以所描述的現(xiàn)有技術(shù)為基本出發(fā)點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種允許更大的加工速度的相應(yīng)的超聲波加工裝置。

根據(jù)本發(fā)明，該目的是通過所述力傳感器是壓電式傳感器來實(shí)現(xiàn)的。壓電式傳感器的剛度要比基于應(yīng)變儀的力傳感器大70至100倍。

因此，僅通過使用壓電式傳感器來代替基于應(yīng)變儀的力測量傳感器，有可能顯著降低系統(tǒng)的彈性，并因此顯著降低超聲焊極的后振動。

然而，壓電式傳感器被認(rèn)為不適合于靜力測量，這是由于壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)或者使用電荷放大器來測量由壓電晶體產(chǎn)生的電荷，因而總是發(fā)生放電從而使得在靜態(tài)測量的情況下由電荷放大器測得的并且被轉(zhuǎn)換成電壓的電荷減少。

因此，現(xiàn)有技術(shù)中的超聲波加工裝置放棄將壓電式傳感器用作力測量設(shè)備。

盡管如此，為了能夠使用壓電式傳感器，根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種控制設(shè)備，其在超聲波加工系統(tǒng)不在執(zhí)行任何材料加工時(shí)將壓電式傳感器短路，或者將時(shí)變的力補(bǔ)償值添加到由壓電式傳感器測得的作用力。

因此，例如有時(shí)，更具體而言在凸起部分不處于與材料接合的時(shí)刻(即，在不發(fā)生焊接的時(shí)刻)將壓電式傳感器短路是可能的。在那時(shí)，超聲焊極在材料薄片上不施加或僅施加輕微的作用力。由于短路，壓電式傳感器可以說是被歸零了，從而使得在短路操作之后，只有作用力的變化可被測得。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在超聲波加工裝置的操作中，精確的作用力值的測量實(shí)際上不太重要(當(dāng)開始加工操作時(shí)設(shè)置一次)，而主要是作用力差異的測量是重要的考慮因素。

以類似的方式，也可以替代地將時(shí)變的力補(bǔ)償值添加到由電荷放大器提供的電壓。例如，如果已知在室溫下所使用的壓電式傳感器具有大約48n/h的漂移，則相應(yīng)地增加的力補(bǔ)償值可被添加。

以這種方式，由壓電式傳感器遞送的信號被校正，以獲得最大精度的測量值。

憑借所描述的措施，現(xiàn)在可以將壓電式傳感器用于超聲波加工裝置中的作用力測量，并且在這種情況下可以從相比于應(yīng)變儀更高的剛度獲益。

在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，超聲焊極和/或?qū)?yīng)工具具有基本上圓柱形的承載表面，該承載表面具有至少一個(gè)凸起部分并且是可旋轉(zhuǎn)的，以使得凸起部分在加工期間繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，并且在密封時(shí)間期間與材料薄片接觸，其中提供了確定該凸起部分的位置的觸發(fā)設(shè)備，其中控制設(shè)備被適配成取決于位置確定來將壓電式傳感器短路。

例如，控制設(shè)備可被適配成當(dāng)凸起部分不與待加工的材料接觸時(shí)將壓電式傳感器短路。

應(yīng)當(dāng)理解，每當(dāng)凸起部分與待加工的材料脫離接合時(shí)，短路不必發(fā)生。

因此，例如在優(yōu)選實(shí)施例中可以提供的是，控制設(shè)備被適配成每當(dāng)由于任何原因而在材料加工期間存在中斷(例如由于卷料中的故障或變化)時(shí)將壓電式傳感器短路。

在優(yōu)選實(shí)施例中還可提供的是，控制設(shè)備被適配成當(dāng)最近的短路之后的預(yù)定時(shí)間段已屆滿時(shí)將壓電式傳感器短路。

應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)凸起部分不與待加工的材料接觸時(shí)，應(yīng)當(dāng)實(shí)施短路。如果對應(yīng)工具具有這么多凸起部分以使得原則上凸起部分每時(shí)每刻與材料薄片接觸，則優(yōu)選地，為了短路過程，超聲焊極被從材料薄片移開以使得在壓電式傳感器處不存在作用力。

作為替換方案，控制設(shè)備還可被適配成當(dāng)觸發(fā)設(shè)備已經(jīng)記錄了材料與凸起部分之間預(yù)定數(shù)量的接觸時(shí)將壓電式傳感器短路。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，控制設(shè)備不僅有時(shí)將壓電式傳感器短路，并且還將時(shí)變的力補(bǔ)償值添加到由壓電式傳感器測得的作用力值。該措施意味著個(gè)體短路之間的時(shí)間間隔可被增加。

每當(dāng)短路已發(fā)生時(shí)，力補(bǔ)償值被重置為零。力補(bǔ)償值隨后把從短路的時(shí)刻起是否發(fā)生漂移考慮在內(nèi)。一般而言，由于該措施，關(guān)于漂移的線性力補(bǔ)償將是足夠的。公認(rèn)地，漂移是非線性的，但是在壓電式傳感器的短路之后的短時(shí)間內(nèi)，線性補(bǔ)償對于本發(fā)明的目的而言是足夠的。力補(bǔ)償值可例如從先前所執(zhí)行的對壓電式傳感器的漂移的測量中導(dǎo)出。

本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、特征和可能的使用將從下面對優(yōu)選實(shí)施例和附圖的描述中變得顯而易見，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的圖解視圖。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的超聲波加工裝置的電路圖。其具有加工系統(tǒng)10，加工系統(tǒng)10具有轉(zhuǎn)換器12、幅度變換器14、超聲波超聲焊極16和對應(yīng)工具18。在這方面，轉(zhuǎn)換器12、幅度變換器14和對應(yīng)工具18形成振動系統(tǒng)。待加工的材料(例如材料薄片)被布置在超聲焊極16與對應(yīng)工具18之間。借助超聲發(fā)生器(未示出)向轉(zhuǎn)換器12提供交流電壓。信號(u)被獲取自加工系統(tǒng)10并且通過反饋部分22被饋送到閉環(huán)控制設(shè)備24。該控制設(shè)備24具有pid控制器26?？刂圃O(shè)備24產(chǎn)生調(diào)整值(s)，該調(diào)整值(s)被饋送給加工系統(tǒng)10，具體而言被饋送給轉(zhuǎn)換器12。具有控制設(shè)備24的加工系統(tǒng)10形成受控的電氣和機(jī)械振蕩電路28。控制設(shè)備24可被集成在超聲發(fā)生器中。

附圖標(biāo)記30表示處于振蕩電路28之外的加工過程(具體而言焊接過程)，因?yàn)槠洳恢苯邮茈姎夂蜋C(jī)械參數(shù)的影響。該加工過程30被連接至力傳感器32，其中焊接力的模式用力傳感器32來檢測。根據(jù)本發(fā)明，該力傳感器32是壓電式傳感器的形式。力傳感器32確定被饋送到縮放單元34的工藝參數(shù)(p)?？s放單元34遞送被饋送到連接位置的經(jīng)比例縮放的工藝參數(shù)(p')。該連接位置被設(shè)置在控制設(shè)備24和加工系統(tǒng)10之間，使得不僅經(jīng)比例縮放的工藝參數(shù)(p')還有調(diào)整值(s)都被饋送到連接位置36。被關(guān)聯(lián)在一起的參數(shù)(p')和(s)被饋送到加工系統(tǒng)10，具體而言超聲發(fā)生器。

可以看出，呈輥?zhàn)有问降膶?yīng)工具18的承載表面具有形成密封表面的兩個(gè)相對設(shè)置的凸起部分45。它們可例如是被設(shè)置在軸向上的細(xì)長肋部。在材料薄片20的加工期間，對應(yīng)工具18繞其軸線旋轉(zhuǎn)，使得當(dāng)材料薄片被夾緊在超聲焊極16與凸起部分45之間時(shí)，兩個(gè)凸起部分45連續(xù)地與材料薄片20相接觸，并且產(chǎn)生橫向密封接縫。

每當(dāng)兩個(gè)突出部45中的一者通過材料薄片20壓靠到超聲焊極16時(shí)，這將導(dǎo)致作用力的突然變化通過力傳感器32被測得。然而，如果焊接力增加，則超聲焊極必須提供相應(yīng)的反作用力，也就是說，這種情況引起超聲焊極保持器、被連接到超聲焊極保持器的進(jìn)給單元(未示出)以及被布置在作用力區(qū)段內(nèi)的壓力傳感器的輕微的彈性形變。一旦凸起部分45不再壓靠超聲焊極16，超聲焊極就將再次移回到其原始位置。

由于所述彈性性質(zhì)，尤其是力傳感器的彈性性質(zhì),這將導(dǎo)致振動過沖，使得焊接力的時(shí)間模式為阻尼振動的形式。然而，由于焊接力通過力傳感器32被連續(xù)地測得，因而在現(xiàn)有技術(shù)中，經(jīng)改變的焊接力也通過連接位置36被不間斷地饋送，使得即使當(dāng)凸起部分45不與材料薄片20接觸時(shí)，衰減的振動作為按比例縮放的工藝參數(shù)(p')被饋送到連接位置并且影響控制。因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了觸發(fā)設(shè)備44，其借助位置傳感器43確定凸起部分45的位置，并且取決于由控制設(shè)備執(zhí)行的確定操作來將壓電式傳感器短路，其中，在該實(shí)施例中，開關(guān)46附加地被致動，使得連接位置36被連接至經(jīng)比例縮放的工藝參數(shù)p'或者被連接至恒定的參考值ref。

在該實(shí)施例中，每當(dāng)凸起部分45不再在超聲焊極16上施加任何作用力時(shí)，連接位置36被連接到恒定的參考值ref?；旧贤瑫r(shí)，壓電傳感器可被短路。不受凸起部分45影響而發(fā)生的焊接力的任何變化不會突然地發(fā)生，并且可借助控制設(shè)備34來調(diào)節(jié)。在這方面，參考值被確定使對應(yīng)于經(jīng)比例縮放的工藝參數(shù)p'，該經(jīng)比例縮放的工藝參數(shù)p'對應(yīng)于緊接在關(guān)聯(lián)到工藝值之前被測得的參數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明，在此提供了被連接到觸發(fā)設(shè)備44的控制設(shè)備46。每當(dāng)觸發(fā)設(shè)備發(fā)信號通知凸起部分45不與材料薄片相接觸時(shí)，控制設(shè)備46就將壓電式傳感器形式的力傳感器32短路。在短路之后，時(shí)變的補(bǔ)償作用力值被添加到由力傳感器32提供的測量信號，以便補(bǔ)償在兩次短路操作之間的壓電式傳感器的本征漂移。

附圖標(biāo)記列表

10加工系統(tǒng)

12轉(zhuǎn)換器

14振幅變換器

16超聲波超聲焊極

18對應(yīng)工具

20材料薄片

22反饋部分

24閉環(huán)控制設(shè)備

26pid控制器

28振蕩電路

30加工過程，焊接過程

32力傳感器

34縮放單元

36連接位置

43位置傳感器

44觸發(fā)設(shè)備

45凸起部分

46控制設(shè)備

ref參考值

u信號

p工藝參數(shù)

p'經(jīng)比例縮放的工藝參數(shù)