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EP3960309A1 - Resonanzverfahren für ein schwingungssystem, einen umrichter, eine anregungseinheit und das schwingungssystem - Google Patents

Resonanzverfahren für ein schwingungssystem, einen umrichter, eine anregungseinheit und das schwingungssystem Download PDF

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Publication number
EP3960309A1
EP3960309A1 EP20193664.8A EP20193664A EP3960309A1 EP 3960309 A1 EP3960309 A1 EP 3960309A1 EP 20193664 A EP20193664 A EP 20193664A EP 3960309 A1 EP3960309 A1 EP 3960309A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phase position
deflection
electrical
speed
sub
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20193664.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Fritsch
Theo Richter
Martin Streubühr
Bernd Wedel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP20193664.8A priority Critical patent/EP3960309A1/de
Priority to US18/023,642 priority patent/US20230311159A1/en
Priority to PCT/EP2021/072685 priority patent/WO2022043108A1/de
Priority to CN202180053757.5A priority patent/CN116033972A/zh
Priority to EP21762685.2A priority patent/EP4149693A1/de
Publication of EP3960309A1 publication Critical patent/EP3960309A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0238—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave
    • B06B1/0246—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal
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    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/72—Welding, joining, soldering

Definitions

  • the invention relates to a resonance method for an oscillating system for resonantly oscillating an excitation unit with an oscillating mass. Furthermore, the invention relates to a converter, the excitation unit and the vibration system.
  • the excitation unit usually includes electromagnets, which can be operated by means of electrical converters and cause the oscillating mass to oscillate based on inductive energy transmission.
  • Such an oscillating system is used, for example, as a friction welding machine or oscillating conveyor.
  • the vibration mass which has a first workpiece carrier and the first workpiece connected to it, is set into forced vibrations by means of an excitation unit.
  • the oscillating mass is usually mounted so that it can swing by means of a spring device.
  • the first workpiece is rubbed against the second workpiece, which is connected to a generally stationary second workpiece carrier, until it welds.
  • the desired vibration can be generated with a particularly low expenditure of energy.
  • This resonant frequency of the vibration system is decisively determined by the vibration mass, which here includes the first workpiece, and the vibration-capable mounting of the vibration mass, ie the spring stiffness of the spring device used.
  • the resonant frequency ie the resonant frequency
  • Vibration state of the excitation unit and vibration mass is mandatory and required with considerable effort.
  • the vibration system does not work optimally, in particular in terms of energy, as a result of which its efficiency is greatly reduced or the desired vibration amplitude cannot be achieved and the required welding quality is rather poor.
  • Previous applications such as friction welding, mainly use pre-operative methods to determine/estimate the resonance frequency in order to then excite the vibration mass using the excitation unit and achieve the required resonant vibration state of the excitation unit and vibration mass.
  • the desired resonant frequency is determined by means of an independent run-up test before the actual production process and then operated with it until a new run-up attempt becomes necessary due to the use of a new first workpiece or unwanted deviations in the production process that have occurred in the meantime make a correction necessary.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a resonance method, a converter, an excitation unit and an oscillating system which have a required resonant oscillation state for the resonant oscillation of the excitation unit with an oscillating mass of the oscillating system continuously determined during production and the vibration system is operated with it.
  • the object is achieved by a resonance method with the features specified in claim 1, by a converter according to the features specified in claim 9, by an excitation unit with the converter according to the features specified in claim 12 and a vibration system with the excitation unit according to the features specified in claim 14 features resolved.
  • a resonance method for an oscillating system for resonantly oscillating an excitation unit with an oscillating mass comprising the steps of deflection detection of a deflection of the oscillating mass, speed formation of a speed of the oscillating mass by differentiating the deflection, phase position generation of a mechanical phase position by means of the deflection and the speed, a phase position correction of the mechanical phase position by means of a correction value to a corrected phase position, a frequency formation of an electrical angular frequency by means of at least one P control based on the corrected phase position, a phase position formation of an electrical phase position by means of integration based on the electrical angular frequency, a factor formation of a Correction factor by means of a trigonometric function based on the electrical phase position and a setpoint application of an excitation ing setpoint with the correction factor to generate a corrected excitation setpoint.
  • the method is advantageously based on the intellectual restriction of the freedom of movement (the degree of freedom) of the oscillating mass and on its resonant frequency (here the electrical circular frequency) compared to the excitation unit.
  • a normalized speed for generating the mechanical phase positions is preferably selected as the speed.
  • the corrected phase position results continuously in an advantageous manner by means of a correction value.
  • P control (with gain component K p )
  • PI control with gain component K p and integral component I
  • PID control with gain component K p , integral component I and differentiation component D
  • P control can also be used for frequency formation of the circular electrical frequency.
  • the electric circular frequency that is formed is also to be understood as the current oscillation frequency (requested resonance frequency) or last current oscillation frequency (last requested resonance frequency). Targeted programming of the control is therefore not necessary.
  • the electrical angular frequency is integrated in an advantageous manner for the phase position formation of the electrical phase position.
  • the excitation setpoint as an electrical value for a vibration-generating force of the excitation unit for exciting the oscillating mass is advantageously corrected with the correction factor, such that a corrected electrical value for the vibration-generating force is generated as a corrected excitation setpoint for the resonant oscillation to be achieved by the excitation unit and oscillating mass will.
  • an electromagnet is electrically excited by the excitation unit, which generates the corresponding resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass.
  • the resonance method has the step of speed normalization of the speed using the electrical circular frequency to a normalized speed, the speed being divided by the electrical circular frequency.
  • the correction value for the phase position correction is the returned electrical phase position, and the returned electrical phase position is preferably subtracted from the mechanical phase position.
  • the electrical phase angle fed back as a correction value to the mechanical phase angle in a control loop can also be added to the mechanical phase angle, taking into account the sign of the mechanical phase angle and the electrical phase angle.
  • an initial Specified angular frequency or last known electrical angular frequency used.
  • the initial circular frequency can preferably be specified as a parameter, for example, which can already correspond to the desired resonance frequency.
  • the mechanical phase position is determined in particular between a deflection amplitude of the deflection and the speed or between a deflection amplitude of the deflection and the deflection.
  • the normalized speed for determining the deflection amplitude is preferably selected as the speed.
  • a deflection signal is detected by a deflection measuring device for deflection detection and the deflection signal is corrected by a direct component depending on the installation location of the deflection measuring device with respect to the vibration mass DC component parameters are specified or determined by a DC component high-pass filter.
  • the deflection measuring device measures the deflection of the oscillating mass compared to a rest position of the oscillating mass and provides the deflection in the deflection signal for further processing by the resonance method.
  • the measured deflection value of the deflection associated with the deflection signal can be corrected by means of the direct component parameter or the direct component high-pass filter with regard to the installation location of the deflection measuring device.
  • the desired excitation value is a desired current and the corrected desired excitation value is a corrected desired current.
  • the excitation target value as an electrical value for the vibration-generating force and the corrected excitation target value as a corrected electrical value for the vibration-generating force for controlling the electromagnets, e.g. by means of an electrical converter, are each advantageously designed as a target current for generating a force-generating vibration excitation.
  • a corresponding setpoint voltage is also suitable in each case.
  • the electrical circular frequency is monitored for disturbances during the resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass for disturbance monitoring.
  • the electrical circular frequency can advantageously be monitored by means of a lower frequency limit for falling below the electrical circular frequency and/or an upper frequency limit for falling below the electrical circular frequency.
  • a converter which has a detection means, designed to detect a deflection of a deflection of the oscillating mass, a first generating means, designed to generate a speed of the oscillating mass by differentiating the deflection, a generating means, designed to generate a phase position of a mechanical phase position using the deflection and the speed, a correction means, designed to correct the phase position of the mechanical phase position by means of a correction value to a corrected phase position, a second means of formation, designed to form an electrical angular frequency by means of at least one P controller on the basis of the corrected phase position, a third means of formation, designed to Phase position formation of an electrical phase position by means of integration on the basis of the electrical angular frequency, a fourth formation means, designed for factor formation of a correction factor by means of a trigonometric function on the basis of the electrical phase position and an application means, designed to apply the correction factor to a target value of an excitation target value in order to generate a corrected excitation
  • the converter has a normalization means designed for speed normalization of the speed using the electrical circular frequency to a normalized speed, the speed being divisible by the electrical circular frequency.
  • the returned electrical phase position is provided as a correction value for the phase position correction and the returned electrical phase position can preferably be subtracted from the mechanical phase position.
  • the converter is designed to carry out the resonance method according to the invention as described above.
  • an excitation unit which has at least one electromagnet for exciting the oscillating mass, the converter according to the invention for operating the at least one electromagnet, and a deflection measuring device for measuring the deflection of the oscillating mass compared to a rest position of the oscillating mass.
  • the deflection measured by the deflection measuring device is transmitted by a deflection signal to the detection means of the converter for deflection detection.
  • the excitation unit has at least one spring element, with the at least one spring element being connected to the vibration mass.
  • an oscillating system which has the excitation unit according to the invention and the oscillating mass.
  • the vibration system is designed as a friction welding device or as a transport device.
  • Transport devices are, for example, conveyor devices for material transport (so-called vibrators or oscillating conveyors), which transport their goods on conveyor belts that are set in motion.
  • FIG 1 shows a structogram of the resonance method 1 according to the invention with method steps for resonant oscillation of an excitation unit with an oscillating mass.
  • a deflection signal detected by a deflection measuring device for this purpose can be corrected by a DC component depending on the installation location of the deflection measuring device relative to the vibration mass, with the DC component being specified by a DC component parameter 34 or determined by a DC component high-pass filter 19.
  • a speed of the oscillating mass is formed during speed formation 6, the speed being converted into a normalized speed on the basis of the electrical circular frequency by dividing the speed by the electrical circular frequency.
  • phase position generation 7 a mechanical phase position is generated on the basis of the deflection and the speed.
  • the phase position correction 8 converts the mechanical phase position into a corrected phase position by means of a correction value.
  • the correction value is the electrical phase angle fed back in a control loop, the electrical phase angle fed back preferably being subtracted from the mechanical phase angle.
  • a frequency formation 9 of an electrical circular frequency takes place by means of at least one P control based on the corrected phase position.
  • the P control can also be in the form of a PI control or a PID control.
  • an initial circular frequency can be specified or the last known electrical circular frequency can be used.
  • the electrical circular frequency can be monitored for disturbances in the resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass for a disturbance monitoring 33 .
  • Typical faults can be caused, for example, by mechanical defects when the vibration mass vibrates, so that the required circular electrical frequency can be too low or too high and the resonance process may have to be stopped.
  • phase position formation 10 of an electrical phase position an integration takes place on the basis of the electrical angular frequency.
  • a trigonometric function based on the electrical phase angle is used and the correction factor corrects an excitation setpoint to a corrected excitation setpoint during setpoint application 12 .
  • FIG 2 a schematic control representation of the resonance method 1 according to the invention is shown.
  • the resonance method 1 can be carried out by a converter, in particular by a control unit of the converter.
  • a detection means 21 is designed to detect a deflection 5 of a deflection x of the oscillating mass.
  • a deflection signal detected as deflection x by a deflection measuring device is corrected by a direct component by a direct component high-pass filter 19 by a high-pass filter 37 depending on the installation location of the deflection measuring device relative to the vibration mass.
  • a first formation means 22 differentiates the deflection x by means of the speed formation 6 to a speed v of the oscillating mass.
  • the speed v is further converted into a normalized speed v n by a normalization means 35 in a speed normalization 15 on the basis of a returned angular electrical frequency ⁇ el by dividing the speed v by the angular electrical frequency ⁇ el .
  • a generating means 23 is designed for phase position generation 7 of a mechanical phase position ⁇ m , which takes place on the basis of the deflection x and the speed v.
  • a correction means 24 is designed for the phase position correction 8 of the mechanical phase position ⁇ m , the mechanical phase position ⁇ m being converted into a corrected phase position ⁇ k by means of a correction value k ⁇ .
  • a returned electrical phase position ⁇ el is used as the correction value k ⁇ , the returned electrical phase position ⁇ el being subtracted from the mechanical phase position ⁇ m .
  • a second formation means 25 is designed for frequency formation 9 of the angular electrical frequency ⁇ el by means of a P control, which can also be a PI control or a PID control, on the basis of the corrected phase angle ⁇ k .
  • the electrical angular frequency ⁇ el is returned to the normalization means 35 for the speed normalization 15 at this point.
  • An initial circular frequency ⁇ in can be specified by an initialization means 36 for method initialization 16 .
  • a phase position 10 of the electrical phase position ⁇ el is formed by a third formation means 26 by means of integration on the basis of the electrical angular frequency ⁇ el .
  • the electrical phase angle ⁇ el is fed back to the correction means 24 for the phase angle correction 8 .
  • a factor formation 11 of a correction factor k F is carried out by a fourth formation means 27 by means of a trigonometric function on the basis of the electrical phase angle ⁇ el .
  • An application means 28 designed to apply a setpoint value 12 to an excitation setpoint 13 in the form of a setpoint current I s with the correction factor k F , generates a corrected excitation setpoint 14 in the form of a corrected setpoint current I sk .
  • an electromagnet which is included in the excitation unit and excites the oscillating mass to resonant oscillation, is operated with this corrected setpoint current I sk .
  • means 3 a schematic representation of a friction welding device 32 with the converter 20 according to the invention, the excitation unit 4 according to the invention and the vibration system 2 according to the invention is shown.
  • the vibration system 2 is designed here, for example, as a friction welding device 32 with the excitation unit 4 and an oscillating mass 3 .
  • a first fastening means 41 for a first workpiece 43 is arranged on the vibration mass 3 .
  • the oscillating mass 3 with the first fastening means 41 and the first workpiece 43 is mounted so as to be able to oscillate.
  • a second workpiece 44 is connected to a second fastening means 42 directly opposite the first workpiece 43 .
  • the second workpiece 44 on the second fastening means 42 is firmly fixed in relation to the first workpiece 43 and is not mounted so that it can swing.
  • the excitation unit 4 for exciting vibrations in the oscillating mass 3 comprises the converter 20, an electromagnet 29, another electromagnet 30, a first and second spring element 38, 39 for the oscillating mounting of the oscillating mass 3, a deflection measuring device 18 and a deflection measuring device 18 connected to the converter 20 transmitted deflection signal, which has a measured actual value of the deflection.
  • the deflection is measured by means of the deflection measuring device 18 in relation to a rest position 31 of the oscillating mass 3.
  • control method according to the invention can be carried out by means of the converter 20, in particular by means of the control unit 40 of the converter 20.
  • the first workpiece 43 fastened to the first fastening means 41 of the vibration mass 3 is set in resonant vibrations with the excitation unit 4 .
  • the first workpiece 43 which is set in motion, rubs against the firmly fixed and non-vibrating second workpiece 44, with frictional heat being generated and the two workpieces 43, 44 being welded to one another in an energy-efficient manner and with high manufacturing quality.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Resonanzverfahren (1) für ein Schwingungssystem (2) zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit (4) mit einer Schwingungsmasse (3), aufweisend die Schritte einer Auslenkungserfassung (5) einer Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3), einer Geschwindigkeitsbildung (6) einer Geschwindigkeit (v) der Schwingmasse (3) mittels Differenzierung der Auslenkung (x), einer Phasenlageerzeugung (7) einer mechanischen Phasenlage (θ<sub>m</sub>) mittels der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v), einer Phasenlagekorrektur (8) der mechanischen Phasenlage (θ<sub>m</sub>) mittels eines Korrekturwerts (k<sub>θ</sub>) zu einer korrigierten Phasenlage (θ<sub>k</sub>), einer Frequenzbildung (9) einer elektrischen Kreisfrequenz (ω<sub>el</sub>) mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage (θ<sub>k</sub>), einer Phasenlagebildung (10) einer elektrischen Phasenlage (θ<sub>el</sub>) mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz (ω<sub>el</sub>), einer Faktorbildung (11) eines Korrekturfaktors (k<sub>F</sub>) mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage (θ<sub>el</sub>) und einer Sollwertbeaufschlagung (12) eines Anregungssollwerts (13) mit dem Korrekturfaktor (k<sub>F</sub>) zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts (14). Ferner betrifft die Erfindung einen Umrichter (20), eine Anregungseinheit (4) mit dem Umrichter (20) und das Schwingungssystem (2) mit der Anregungseinheit (4) und der Schwingungsmasse (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Resonanzverfahren für ein Schwingungssystem zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Umrichter, die Anregungseinheit und das Schwingungssystem.
  • Industrielle Anwendungen mit einer elektromechanischen Anregungseinheit zum Erzeugen von Schwingungen einer Schwingungsmasse, bei denen ein schwingfähiges System, im Weiteren Schwingungssystem genannt, mit der Schwingungsmasse im Bereich einer Resonanzfrequenz angeregt werden soll, bedürfen grundsätzlich einer Ermittlung bzw. Abschätzung dieser Resonanzfrequenz bzw. der Herstellung des Zustands des resonanten Schwingens von Anregungseinheit und der in Schwingungen zu versetzenden Schwingungsmasse, um das Betriebsverhalten des Schwingungssystems energieeffizient, zuverlässig und aufwandsarm steuern bzw. regeln zu können.
  • Dabei umfasst die Anregungseinheit üblicherweise Elektromagneten, welche mittels elektrischer Umrichter betreibbar sind, und die Schwingungsmasse basierend auf einer induktiven Energieübertragung in Schwingungen versetzen.
  • Selbst geringe Abweichungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse können zu erheblichen Einbußen bei der Energieeffizienz/ dem Wirkungsgrad bzw. der Güte des angestrebten Betriebsverhaltens/ der Zuverlässigkeit der jeweiligen Anwendung führen.
  • So bedingt die bisher separat zum eigentlichen Betrieb auszuführende Ermittlung der Resonanzfrequenz bzw. des eingeschwungenen, resonanten Schwingungszustands von Anregungseinheit und Schwingungsmasse bei entsprechenden Maschinen und Geräten im Produktionseinsatz oftmals erhebliche Stillstandszeiten, die grundsätzlich einen zusätzlichen Aufwand zum jeweiligen Produktionsprozess erfordern und somit auch nicht zu vernachlässigende Kosten verursachen.
  • Ein solches Schwingungssystem wird beispielsweise als Reibschweißmaschine oder Schwingförderer eingesetzt.
  • Am Beispiel der Reibschweißmaschine kann der prinzipielle Prozess eines derartigen Schwingungssysteme kurz umrissen werden. Zum Verschweißen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück wird die Schwingungsmasse, welche einen ersten Werkstückträger und das damit verbundenen ersten Werkstück aufweist, mittels einer Anregungseinheit in erzwungene Schwingungen versetzt. Die Schwingungsmasse ist in der Regel mittels einer Federvorrichtung schwingbar gelagert.
  • Zur Erzeugung der Reibungswärme für diesen Produktionsprozess wird das erste Werkstück an dem zweiten Werkstück, welches mit einem im Allgemeinen feststehenden zweiten Werkstückträger verbunden ist, bis zum Verschweißen gerieben.
  • Erfolgt diese Anregung mit der Resonanzfrequenz, also in Schwingungsresonanz zwischen Anregungseinheit und Schwingungsmasse, lässt sich die gewünschte Schwingung mit einem besonders niedrigem Energieaufwand erzeugen.
  • Diese Resonanzfrequenz des Schwingungssystems wird maßgeblich durch die Schwingungsmasse, welche hier das erste Werkstück umfasst, und der schwingungsfähigen Lagerung der Schwingungsmasse, also der Federsteifigkeit der verwendeten Federvorrichtung bestimmt.
  • Da das erste Werkstück zur Schwingungsmasse beiträgt, ist nach einem Werkstückwechsel des ersten Werkzeugs, sofern sich insbesondere die Masse des ersten Werkstücks ändert, ein erneutes Bestimmen der Resonanzfrequenz, also des resonanten Schwingungszustands von Anregungseinheit und Schwingungsmasse zwingend und mit erheblichem Aufwand erforderlich.
  • Andernfalls arbeitet das Schwingungssystem insbesondere energetisch nicht optimal, wodurch sich dessen Wirkungsgrad stark verringert bzw. ggf. auch die gewünschte Schwingamplitude nicht erreicht werden kann und die geforderte Schweißqualität eher mangelhaft wird.
  • Bisherige Anwendungen, wie die des Reibschweißens, verwenden überwiegend präoperative Methoden zur Ermittlung/Abschätzung der Resonanzfrequenz, um anschließend damit die Schwingungsmasse mittels der Anregungseinheit anzuregen und den geforderten resonanten Schwingungszustand von Anregungseinheit und Schwingungsmasse zu erreichen.
  • So wird die gesuchte Resonanzfrequenz mittels eines eigenständigen Hochlaufversuchs vor dem eigentlichen Produktionsprozess ermittelt und danach damit betreibt, bis eine erneuter Hochlaufversuch aufgrund des Einsatzes eines neuen ersten Werkstücks notwendig wird oder zwischenzeitlich auftretende unerwünschte Abweichungen beim Produktionsprozess eine Korrektur notwendig machen.
  • Das bedeutet, dass hier die Anregung der Schwingung nur auf Basis der durch den Hochlaufversuch ermittelten Frequenz erfolgt, welche die im tatsächlichen Produktionsprozess geforderte Resonanzfrequenz für den resonanten Schwingungszustand von Anregungseinheit und Schwingungsmasse, welche sich aufgrund von Verschleiß, Temperaturunterschieden, Materialabtrag etc. auch während des Betriebs im Produktionsprozess ändern kann, oftmals nur unzureichend trifft.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Resonanzverfahren, einen Umrichter, eine Anregungseinheit und ein Schwingungssystem vorzuschlagen, welche einen erforderlichen resonanten Schwingungszustand zur resonanten Schwingung von der Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse des Schwingungssystems während des Produktionsbetriebs kontinuierlich ermitteln und das Schwingungssystem damit betrieben wird.
  • Die Aufgabe wird durch ein Resonanzverfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, durch einen Umrichter nach den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen, durch eine Anregungseinheit mit dem Umrichter nach den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen und ein Schwingungssystem mit der Anregungseinheit nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Für die Lösung der Aufgabe wird ein Resonanzverfahren für ein Schwingungssystem zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse vorgeschlagen, aufweisend die Schritte einer Auslenkungserfassung einer Auslenkung der Schwingungsmasse, einer Geschwindigkeitsbildung einer Geschwindigkeit der Schwingmasse mittels Differenzierung der Auslenkung, einer Phasenlageerzeugung einer mechanischen Phasenlage mittels der Auslenkung und der Geschwindigkeit, einer Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage mittels eines Korrekturwerts zu einer korrigierten Phasenlage, einer Frequenzbildung einer elektrischen Kreisfrequenz mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage, einer Phasenlagebildung einer elektrischen Phasenlage mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz, einer Faktorbildung eines Korrekturfaktors mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage und einer Sollwertbeaufschlagung eines Anregungssollwerts mit dem Korrekturfaktor zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts.
  • Das Verfahren basiert in vorteilhafter Weise auf der gedanklichen Einschränkung der Bewegungsfreiheit (dem Freiheitsgrad) der Schwingungsmasse und auf deren Resonanzfrequenz (hier der elektrischen Kreisfrequenz) gegenüber der Anregungseinheit.
  • Die Istposition der mittels der Auslenkungserfassung erfassten Auslenkung der Schwingungsmasse wird dazu in einen Vektor überführt, die Abszisse ist die erfasste Auslenkung und die Ordinate ist die mittels der Geschwindigkeitsbildung gebildete Geschwindigkeit der Schwingmasse als Differenzierung der Auslenkung gemäß der Formel v t = dx dt
    Figure imgb0001
     wobei v die Geschwindigkeit, x die erfasste Auslenkung und t die Zeit ist.
  • Die durch die Phasenlageerzeugung erzeugte mechanische Phasenlage ergibt sich beispielsweise vorteilhaft mittels einer arctan2-Funktion auf Basis der Auslenkung und der Geschwindigkeit gemäß der Formel θm = arctan 2 x v
    Figure imgb0002
     wobei θm die mechanische Phasenlage, v die Geschwindigkeit und x die Auslenkung ist.
  • In bevorzugter Weise wird als Geschwindigkeit eine normierte Geschwindigkeit zur Erzeugung der mechanischen Phasenlagen gewählt.
  • Mittels der Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage ergibt sich kontinuierlich in vorteilhafter Weise durch einen eines Korrekturwert die korrigierte Phasenlage.
  • Für die Frequenzbildung der elektrischen Kreisfrequenz kann anstatt der P-Reglung (mit Verstärkungsanteil Kp) auch eine PI-Reglung (mit Verstärkungsanteil Kp und Integralanteil I) oder auch eine PID-Reglung (mit Verstärkungsanteil Kp, Integralanteil I und Differenzieranteil D) auf Basis der korrigierten Phasenlage eingesetzt werden, was die P-Reglung qualitativ im Sinne mehr Reglungsqualität erhöhen kann.
  • Die sich bildende elektrische Kreisfrequenz ist dabei auch als aktuelle Schwingfrequenz (angeforderte Resonanzfrequenz) bzw. letzte aktuelle Schwingfrequenz (letzte angeforderte Resonanzfrequenz) zu verstehen. Ein gezieltes Einlernen der Reglung ist somit nicht notwendig.
  • Für die Phasenlagebildung der elektrischen Phasenlage wird in vorteilhafter Weise die elektrische Kreisfrequenz integriert.
  • Die Faktorbildung des Korrekturfaktors erfolgt mittels der trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage, beispielsweise durch eine Sinus-Funktion gemäß der Formel kF = sin θel
    Figure imgb0003
     wobei kF der Korrekturfaktur und θel die elektrische Phasenlage ist.
  • Mittels der Sollwertbeaufschlagung wird der Anregungssollwerts als elektrischer Wert für eine schwingungserzeugende Kraft der Anregungseinheit zur Anregung der Schwingungsmasse mit dem Korrekturfaktor vorteilhaft korrigiert, derart, dass für die zu erzielende resonante Schwingung von Anregungseinheit und Schwingungsmasse ein korrigierter elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft als korrigierter Anregungssollwert erzeugt wird.
  • Mit diesem korrigierter Anregungssollwert wird beispielsweise ein Elektromagnet von der Anregungseinheit elektrisch angeregt, was die entsprechende resonante Schwingung von Anregungseinheit und Schwingungsmasse erzeugt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Resonanzverfahren sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens weist das Resonanzverfahren den Schritt Geschwindigkeitsnormierung der Geschwindigkeit mittels der elektrischen Kreisfrequenz zu einer normierten Geschwindigkeit auf, wobei die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividiert wird.
  • Um die Geschwindigkeit in vorteilhafter Weise auf die elektrische Kreisfrequenz abzubilden, wird die Geschwindigkeit auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz in die normierte Geschwindigkeit überführt gemäß der Formel vn t = 1 ωel ∗ dx dt
    Figure imgb0004
     wobei vn die normierte Geschwindigkeit, ωel die elektrische Kreisfrequenz, x die Auslenkung und t die Zeit ist.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist zur Phasenlagekorrektur der Korrekturwert die rückgeführte elektrische Phasenlage und wird vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahiert.
  • Somit stellt sich aus Sicht der Reglung eine ausgeregelte Phasenlage ein, wobei die mechanische Phasenlage solang korrigiert wird, bis die korrigierten Phasenlage einen Wert von annähernd 0 annimmt.
  • Die in einer Reglungsschleife zur mechanischen Phasenlage als Korrekturwert zurückgeführte elektrische Phasenlage kann auch unter Berücksichtigung der Vorzeichen der mechanischen Phasenlage und der elektrischer Phasenlage auf die mechanische Phasenlage addiert werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Verfahrensinitialisierung eine initiale Kreisfrequenz vorgegeben oder die letzte bekannte elektrische Kreisfrequenz verwendet.
  • Um das Resonanzverfahren z.B. bei dessen Start zu initialisieren, kann bei der Verfahrensinitialisierung bevorzugt die initiale Kreisfrequenz als z.B. ein Parameter vorgegeben werden, welcher auch schon der gewünschten Resonanzfrequenz entsprechen kann.
  • Es ist ebenso vorteilhaft möglich, z.B. bei Störungen oder einem Neuaufsetzen der Reglung nach einem Ausfall des Resonanzverfahrens, auf die letzte bekannt elektrische Kreisfrequenz zurückzugreifen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist die mechanische Phasenlage insbesondere zwischen einer Auslenkungsamplitude der Auslenkung und der Geschwindigkeit oder zwischen einer Auslenkungsamplitude der Auslenkung und der Auslenkung bestimmt.
  • Die Auslenkungsamplitude kann ermittelt werden gemäß der Formel xa = x 2 + v 2
    Figure imgb0005
     wobei xa die Auslenkungsamplitude, x die Auslenkung und v die Geschwindigkeit ist.
  • In bevorzugter Weise wird als Geschwindigkeit die normierte Geschwindigkeit zur Ermittlung der Auslenkungsamplitude gewählt.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Auslenkungserfassung ein Auslenkungssignal von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasst und das Auslenkungssignal in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse um einen Gleichanteil korrigiert, wobei der Gleichanteil durch einen Gleichanteilparameter vorgegeben oder durch einen Gleichanteilhochpass ermittelt wird.
  • Die Auslenkungsmessvorrichtung misst dabei die Auslenkung der Schwingungsmasse gegenüber einer Ruheposition der Schwingungsmasse und stellt die Auslenkung in dem Auslenkungssignal für eine Weiterverarbeitung dem Resonanzverfahren bereit.
  • Mittels des Gleichanteilparameter oder des Gleichanteilhochpasses kann eine Korrektur des mit dem Auslenkungssignal behafteten Auslenkungsmesswerts der Auslenkung bzgl. des Einbauortes der Auslenkungsmessvorrichtung vorgenommen werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist der Anregungssollwert ein Sollstrom und der korrigierte Anregungssollwert ein korrigierter Sollstrom.
  • Der Anregungssollwert als elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft und der korrigierte Anregungssollwert als korrigierter elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft zur Ansteuerung der Elektromagneten, z.B. mittels eines elektrischen Umrichters, ist jeweils in vorteilhafter Weise als Sollstrom zur Erzeugung einer kraftbildenten Schwingungsanregung ausgebildet. Grundsätzlich ist dazu jeweils auch eine entsprechende Sollspannung geeignet.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Störungsüberwachung die elektrische Kreisfrequenz auf Störungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse überwacht.
  • Die elektrische Kreisfrequenz kann dazu in vorteilhafter Weise durch eine Frequenzuntergrenze auf eine Unterschreitung der elektrischen Kreisfrequenz und oder eine Frequenzobergrenze auf eine Unterschreitung der elektrischen Kreisfrequenz überwacht werden.
  • Für die Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Umrichter vorgeschlagen, welcher ein Erfassungsmittel, ausgebildet zur Auslenkungserfassung einer Auslenkung der Schwingungsmasse, ein erstes Bildungsmittel, ausgebildet zur Geschwindigkeitsbildung einer Geschwindigkeit der Schwingmasse mittels Differenzierung der Auslenkung, ein Erzeugungsmittel, ausgebildet zur Phasenlageerzeugung einer mechanischen Phasenlage mittels der Auslenkung und der Geschwindigkeit, ein Korrekturmittel, ausgebildet zur Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage mittels eines Korrekturwerts zu einer korrigierten Phasenlage, ein zweites Bildungsmittel, ausgebildet zur Frequenzbildung einer elektrischen Kreisfrequenz mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage, ein drittes Bildungsmittel, ausgebildet zur Phasenlagebildung einer elektrischen Phasenlage mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz, ein viertes Bildungsmittel, ausgebildet zur Faktorbildung eines Korrekturfaktors mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage und ein Beaufschlagungsmittel, ausgebildet zur Sollwertbeaufschlagung eines Anregungssollwerts mit dem Korrekturfaktor zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts aufweist.
  • Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform des Umrichters weist der Umrichter ein Normierungsmittel auf, ausgebildet zur Geschwindigkeitsnormierung der Geschwindigkeit mittels der elektrischen Kreisfrequenz zu einer normierten Geschwindigkeit, wobei die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividierbar ist.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Umrichters ist zur Phasenlagekorrektur als Korrekturwert die rückgeführte elektrische Phasenlage vorgesehen und ist vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahierbar.
  • Grundsätzlich ist der Umrichter dazu ausgebildet, das oben dargestellt erfindungsgemäße Resonanzverfahren auszuführen.
  • Für die Lösung der Aufgabe wird ebenfalls eine Anregungseinheit vorgeschlagen, welche mindestens einen Elektromagneten zur Anregung der Schwingungsmasse, den erfindungsgemäßen Umrichter zum Betrieb des mindestens einen Elektromagneten und eine Auslenkungsmessvorrichtung zur Messung der Auslenkung der Schwingungsmasse gegenüber einer Ruheposition der Schwingungsmasse aufweist.
  • Die mittels der Auslenkungsmessvorrichtung gemessene Auslenkung wird durch ein Auslenkungssignal an das Erfassungsmittel des Umrichters zur Auslenkungserfassung übertragen.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Anregungseinheit weist die Anregungseinheit zumindest ein Federelement auf, wobei das zumindest eine Federelement mit der Schwingungsmasse verbunden ist.
  • Denkbar sind hier auch Lösungen mit zwei oder mehreren Federelementen, mittels derer die Schwingungsmasse schwingbar gelagert ist.
  • Für die Lösung der Aufgabe wird auch ein Schwingungssystem vorgeschlagen, welches die erfindungsgemäße Anregungseinheit und die Schwingungsmasse aufweist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Schwingungssystems ist das Schwingungssystem als Reibschweißvorrichtung oder als Transportvorrichtung hergerichtet.
  • Transportvorrichtung sind z.B. Fördervorrichtungen zum Materialtransport (sogenannte Rüttler oder Schwingförderer), welche ihr Transportgut durch in Schwingungen gesetzte Transportbänder befördern.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:
    • FIG 1
    ein Struktogramm des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens,
    FIG 2
    eine schematische Regelungsdarstellung des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens und
    FIG 3
    eine schematische Darstellung einer Reibschweißvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Umrichter, der erfindungsgemäßen Anregungseinheit und dem erfindungsgemäßen Schwingungssystem.
  • Die FIG 1 zeigt ein Struktogramm des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens 1 mit Verfahrensschritten für ein resonantes Schwingen einer Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse.
  • Während der Auslenkungserfassung 5 wird eine Auslenkung der Schwingungsmasse erfasst. Ein dazu von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasstes Auslenkungssignal kann in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse um einen Gleichanteil korrigiert werden, wobei der Gleichanteil durch einen Gleichanteilparameter 34 vorgegeben oder durch einen Gleichanteilhochpass 19 ermittelt werden kann.
  • Mittels Differenzierung der Auslenkung wird bei der Geschwindigkeitsbildung 6 eine Geschwindigkeit der Schwingmasse gebildet, wobei die Geschwindigkeit auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz in eine normierte Geschwindigkeit überführt wird, indem die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividiert wird.
  • Bei der Phasenlageerzeugung 7 wird eine mechanischen Phasenlage auf Basis der Auslenkung und der Geschwindigkeit erzeugt.
  • Über die Phasenlagekorrektur 8 wird die mechanische Phasenlage durch einen Korrekturwert in eine korrigierte Phasenlage gewandelt. Der Korrekturwert ist dabei die in einer Reglungsschleife rückgeführte elektrische Phasenlage, wobei vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahiert wird.
  • Eine Frequenzbildung 9 einer elektrischen Kreisfrequenz erfolgt mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage. Für die Frequenzbildung 9 kann die P-Reglung auch als PI-Reglung oder auch als PID-Reglung ausgebildet sein.
  • Für eine Verfahrensinitialisierung 16 kann eine initiale Kreisfrequenz vorgegeben werden oder die letzte bekannte elektrische Kreisfrequenz verwendet werden.
  • Weiterhin kann zu einer Störungsüberwachung 33 die elektrische Kreisfrequenz auf Störungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse überwacht werden. Typische Störungen können ihre Ursache z.B. in mechanischen Defekten beim Schwingen der Schwingungsmasse haben, so dass sich die geforderte elektrische Kreisfrequenz zu gering oder zu hoch werden kann und das Resonanzverfahren ggf. abgebrochen werden muss.
  • Bei der Phasenlagebildung 10 einer elektrischen Phasenlage erfolgt eine Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz.
  • Während der Faktorbildung 11 eines Korrekturfaktors kommt eine trigonometrische Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage zum Einsatz und der Korrekturfaktor korrigiert während einer Sollwertbeaufschlagung 12 einen Anregungssollwerts auf einen korrigierten Anregungssollwerts.
  • In FIG 2 wird eine schematische Regelungsdarstellung des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens 1 gezeigt. Dabei kann das Resonanzverfahren 1 von einem Umrichter, insbesondere von einer Reglungseinheit des Umrichters, ausgeführt werden.
  • Ein Erfassungsmittel 21 ist zur Auslenkungserfassung 5 einer Auslenkung x der Schwingungsmasse ausgebildet. Ein als Auslenkung x von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasstes Auslenkungssignal wird, in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse, durch ein Hochpassmittel 37 von einem Gleichanteilhochpass 19 um einen Gleichanteil korrigiert.
  • Ein erstes Bildungsmittel 22 differenziert die Auslenkung x mittels der Geschwindigkeitsbildung 6 zu einer Geschwindigkeit v der Schwingmasse. Die Geschwindigkeit v wird weiterhin durch ein Normierungsmittel 35 in einer Geschwindigkeitsnormierung 15 auf Basis einer zurückgeführten elektrischen Kreisfrequenz ωel in eine normierte Geschwindigkeit vn überführt, indem die Geschwindigkeit v durch die elektrische Kreisfrequenz ωel dividiert wird.
  • Ein Erzeugungsmittel 23 ist zur Phasenlageerzeugung 7 einer mechanischen Phasenlage θm ausgebildet, was auf Basis der Auslenkung x und der Geschwindigkeit v erfolgt.
  • Ein Korrekturmittel 24 ist zur Phasenlagekorrektur 8 der mechanischen Phasenlage θm ausgebildet, wobei die mechanische Phasenlage θm mittels eines Korrekturwerts kθ in eine korrigierte Phasenlage θk überführt wird. Als Korrekturwert kθ wird eine rückgeführte elektrische Phasenlage θel eingesetzt, wobei die rückgeführte elektrische Phasenlage θel von der mechanischen Phasenlage θm subtrahiert wird.
  • Ein zweites Bildungsmittel 25 ist zur Frequenzbildung 9 der elektrischen Kreisfrequenz ωel mittels hier einer P-Reglung, welche auch eine PI-Reglung oder eine PID-Reglung sein kann, auf Basis der korrigierten Phasenlage θk ausgebildet. Die elektrischen Kreisfrequenz ωel wird an dieser Stelle zum Normierungsmittel 35 für die Geschwindigkeitsnormierung 15 zurückgegeben.
  • Von einem Initialisierungsmittel 36 kann zur Verfahrensinitialisierung 16 eine initiale Kreisfrequenz ωin vorgegeben werden.
  • Durch ein drittes Bildungsmittel 26 erfolgt eine Phasenlagebildung 10 der elektrischen Phasenlage θel mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz ωel. Die elektrischen Phasenlage θel wird an dieser Stelle zum Korrekturmittel 24 für die Phasenlagekorrektur 8 zurückgeführt.
  • Von einem vierten Bildungsmittel 27 wird eine Faktorbildung 11 eines Korrekturfaktors kF mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage θel durchgeführt.
  • Ein Beaufschlagungsmittel 28, ausgebildet zur Sollwertbeaufschlagung 12 eines Anregungssollwerts 13 in Form eines Sollstroms Is mit dem Korrekturfaktor kF, erzeugt einen korrigierten Anregungssollwerts 14 in Form eines korrigierten Sollstroms Isk. Mit diesem korrigierten Sollstroms Isk wird insbesondere ein Elektromagnet betrieben, welcher von der Anregungseinheit umfasst ist und die Schwingungsmasse zum resonanten Schwingen anregt.
  • Mittels FIG 3 wird eine schematische Darstellung einer Reibschweißvorrichtung 32 mit dem erfindungsgemäßen Umrichter 20, der erfindungsgemäßen Anregungseinheit 4 und dem erfindungsgemäßen Schwingungssystem 2 dargestellt.
  • Das Schwingungssystem 2 ist hier beispielhaft als Reibschweißvorrichtung 32 mit der Anregungseinheit 4 und einer Schwingmasse 3 ausgebildet.
  • An der Schwingungsmasse 3 ist ein erstes Befestigungsmittel 41 für ein erstes Werkstück 43 angeordnet. Die Schwingungsmasse 3 mit dem ersten Befestigungsmittel 41 und dem ersten Werkstück 43 ist schwingungsfähig gelagert.
  • Unmittelbar gegenüber dem ersten Werkstück 43 ist ein zweites Werkstück 44 mit einem zweiten Befestigungsmittel 42 verbunden. Das zweite Werkstück 44 am zweiten Befestigungsmittel 42 ist dabei gegenüber dem ersten Werkstück 43 fest fixiert und nicht schwingbar gelagert.
  • Die Anregungseinheit 4 zur Schwingungsanregung der Schwingmasse 3 umfasst den Umrichter 20, einen Elektromagnet 29, einen weiteren Elektromagneten 30, eine erstes und zweites Federelement 38,39 zur schwingungsfähigen Lagerung der Schwingungsmasse 3, eine Auslenkungsmessvorrichtung 18 sowie ein von der Auslenkungsmessvorrichtung 18 an den Umrichter 20 übermitteltes Auslenkungssignal, welches einen gemessenen Istwert der Auslenkung aufweist.
  • Die Messung der Auslenkung mittels der Auslenkungsmessvorrichtung 18 erfolgt gegenüber einer Ruheposition 31 der Schwingungsmasse 3.
  • Mittels des Umrichters 20, insbesondere mittels der Reglungseinheit 40 des Umrichters 20, ist das erfindungsgemäße Reglungsverfahren ausführbar.
  • Im Betrieb der Reibschweißvorrichtung 32 wird das am ersten Befestigungsmittel 41 der Schwingungsmasse 3 befestigte erste Werkstück 43 in resonante Schwingungen mit der Anregungseinheit 4 versetzt. Das in Schwingungen versetzte erste Werkstück 43 reibt sich an dem fest fixierten und nicht schwingbaren zweiten Werkstück 44, wobei Reibungswärme entsteht und beide Werkstücke 43,44 miteinander energieeffizient und in hoher Herstellungsqualität verschweißt werden.

Claims (15)

  1. Resonanzverfahren (1) für ein Schwingungssystem (2) zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit (4) mit einer Schwingungsmasse (3), aufweisend die Schritte
    - Auslenkungserfassung (5) einer Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3),
    - Geschwindigkeitsbildung (6) einer Geschwindigkeit (v) der Schwingmasse (3) mittels Differenzierung der Auslenkung (x),
    - Phasenlageerzeugung (7) einer mechanischen Phasenlage (θm) mittels der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v),
    - Phasenlagekorrektur (8) der mechanischen Phasenlage (θm) mittels eines Korrekturwerts (kθ) zu einer korrigierten Phasenlage (θk),
    - Frequenzbildung (9) einer elektrischen Kreisfrequenz (ωel) mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage (θk),
    - Phasenlagebildung (10) einer elektrischen Phasenlage (θel) mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz (ωel),
    - Faktorbildung (11) eines Korrekturfaktors (kF) mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage (θel) und
    - Sollwertbeaufschlagung (12) eines Anregungssollwerts (13) mit dem Korrekturfaktor (kF) zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts (14).
  2. Resonanzverfahren (1) nach Anspruch 1, aufweisend den Schritt Geschwindigkeitsnormierung (15) der Geschwindigkeit (v) mittels der elektrischen Kreisfrequenz (ωel) zu einer normierten Geschwindigkeit (vn), wobei die Geschwindigkeit (v) durch die elektrische Kreisfrequenz (ωel) dividiert wird.
  3. Resonanzverfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zur Phasenlagekorrektur (8) der Korrekturwert (kθ) die rückgeführte elektrische Phasenlage (θel) ist und vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage (θel) von der mechanischen Phasenlage (θm) subtrahiert wird.
  4. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Verfahrensinitialisierung (16) eine initiale Kreisfrequenz (ωin) vorgegeben oder die letzte bekannte elektrische Kreisfrequenz (ωel) verwendet wird.
  5. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Phasenlage (θm) zwischen einer Auslenkungsamplitude (xa) der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v) oder als Phasenlage zwischen einer Auslenkungsamplitude (xa) der Auslenkung (x) und der Auslenkung (x) bestimmt ist.
  6. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Auslenkungserfassung (5) ein Auslenkungssignal (17) von einer Auslenkungsmessvorrichtung (18) erfasst und das Auslenkungssignal (17) in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung (18) gegenüber der Schwingungsmasse (3) um einen Gleichanteil korrigiert wird, wobei der Gleichanteil durch einen Gleichanteilparameter (34) vorgegeben oder durch einen Gleichanteilhochpass (19) ermittelt wird.
  7. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anregungssollwert (13) ein Sollstrom (Is) und der korrigierte Anregungssollwert (14) ein korrigierter Sollstrom (Isk) ist.
  8. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Störungsüberwachung (33) die elektrische Kreisfrequenz (ωel) auf Störungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit (4) und Schwingungsmasse (3) überwacht wird.
  9. Umrichter (20), aufweisend
    - ein Erfassungsmittel (21), ausgebildet zur Auslenkungserfassung (5) einer Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3),
    - ein erstes Bildungsmittel (22), ausgebildet zur Geschwindigkeitsbildung (6) einer Geschwindigkeit (v) der Schwingmasse (3) mittels Differenzierung der Auslenkung (x),
    - ein Erzeugungsmittel (23), ausgebildet zur Phasenlageerzeugung (7) einer mechanischen Phasenlage (θm) mittels der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v),
    - ein Korrekturmittel (24), ausgebildet zur Phasenlagekorrektur (8) der mechanischen Phasenlage (θm) mittels eines Korrekturwerts (kθ) zu einer korrigierten Phasenlage (θk),
    - ein zweites Bildungsmittel (25), ausgebildet zur Frequenzbildung (9) einer elektrischen Kreisfrequenz (ωel) mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage (θk),
    - ein drittes Bildungsmittel (26), ausgebildet zur Phasenlagebildung (10) einer elektrischen Phasenlage (θel) mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz (ωel),
    - ein viertes Bildungsmittel (27), ausgebildet zur Faktorbildung (11) eines Korrekturfaktors (kF) mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage (θel) und
    - ein Beaufschlagungsmittel (28), ausgebildet zur Sollwertbeaufschlagung (12) eines Anregungssollwerts (13) mit dem Korrekturfaktor (kF) zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts (14).
  10. Umrichter (20) nach Anspruch 9, aufweisend ein Normierungsmittel (35), ausgebildet zur Geschwindigkeitsnormierung (15) der Geschwindigkeit (v) mittels der elektrischen Kreisfrequenz (ωel) zu einer normierten Geschwindigkeit (vn), wobei die Geschwindigkeit (v) durch die elektrische Kreisfrequenz (ωel) dividierbar ist.
  11. Umrichter (20) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei zur Phasenlagekorrektur (8) als Korrekturwert (kθ) die rückgeführte elektrische Phasenlage (θel) vorgesehen ist und vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage (θel) von der mechanischen Phasenlage (θm) subtrahierbar ist.
  12. Anregungseinheit (4), aufweisend
    - mindestens einen Elektromagneten (29) zur Anregung der Schwingungsmasse (3),
    - einen Umrichter (20) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zum Betrieb des mindestens einen Elektromagneten (29) und
    - eine Auslenkungsmessvorrichtung (18) zur Messung der Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3) gegenüber einer Ruheposition (31) der Schwingungsmasse (3).
  13. Anregungseinheit (4) nach Anspruch 12, aufweisend zumindest ein Federelement (38), wobei das zumindest eine Federelement (38) mit der Schwingungsmasse (3) verbunden ist.
  14. Schwingungssystem (2), aufweisend eine Anregungseinheit (4) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 und die Schwingungsmasse (3).
  15. Schwingungssystem (2) nach Anspruch 14, hergerichtet als Reibschweißvorrichtung (32) oder als Transportvorrichtung.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4001367A1 (de) * 1990-01-18 1991-09-19 Branson Ultraschall Vorrichtung zum einstellen eines maschinenparameters beim reibungsschweissen
EP1216760A2 (de) * 2000-12-20 2002-06-26 Digitec S.r.l. Leistungsgenerator für Ultraschallschweissgerät mit digitaler Kontrolle der Frequenz und Leistung
US7148636B2 (en) * 2002-05-31 2006-12-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Motor drive control apparatus
DE102011119949A1 (de) * 2011-12-01 2013-06-06 Northrop Grumman Litef Gmbh Regelungsvorrichtung, Drehratensensor und Verfahren zum Betrieb einer Regelungsvorrichtung mit harmonischem Sollwertsignal
US20190165247A1 (en) * 2017-07-19 2019-05-30 Branson Ultrasonics Corporation Method of controlling amplitude of mechanical excitation of a piezoelectric powered ultrasonic stack including under load

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4001367A1 (de) * 1990-01-18 1991-09-19 Branson Ultraschall Vorrichtung zum einstellen eines maschinenparameters beim reibungsschweissen
EP1216760A2 (de) * 2000-12-20 2002-06-26 Digitec S.r.l. Leistungsgenerator für Ultraschallschweissgerät mit digitaler Kontrolle der Frequenz und Leistung
US7148636B2 (en) * 2002-05-31 2006-12-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Motor drive control apparatus
DE102011119949A1 (de) * 2011-12-01 2013-06-06 Northrop Grumman Litef Gmbh Regelungsvorrichtung, Drehratensensor und Verfahren zum Betrieb einer Regelungsvorrichtung mit harmonischem Sollwertsignal
US20190165247A1 (en) * 2017-07-19 2019-05-30 Branson Ultrasonics Corporation Method of controlling amplitude of mechanical excitation of a piezoelectric powered ultrasonic stack including under load

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