Unser Kunde benötigte eine Leistungstreiberkarte für Ultraschallschweißen für eine kundenspezifische Maschine zum Fügen thermoplastischer Bauteile. Im vorhandenen Aufbau verschob sich der Resonanzpunkt, wenn Sonotrode, Bauteilgeometrie oder Betriebstemperatur wechselten. Dadurch konnte ein System mit fester Ansteuerfrequenz von Charge zu Charge unterschiedliche Schweißergebnisse liefern.
Die Anforderung beschränkte sich nicht auf die Erzeugung hochfrequenter Leistung. Benötigt wurde eine Elektronikarchitektur, die beim Start die zum eingesetzten Wandler passenden Resonanzbedingungen findet, während des Betriebs die elektrische Last überwacht, die Leistungsstufe bei unzulässigen Zuständen schnell schützt und sich in die Produktionsautomatisierung einbinden lässt.
Ziel war somit eine kompakte Treiberkarte, die dem Kunststofffügeprozess kontrolliert Energie zuführt, sich an Laständerungen anpasst und sich im Fehlerfall selbst schützt.
Revan Technology entwickelte eine anwendungsspezifische Treiberkarte, die Steuerungs- und Leistungselektronik in einer Systemarchitektur vereint. Vor dem Zyklus ermittelt die Karte mit einem kurzen Frequenzscan den Arbeitspunkt der Wandler-Sonotroden-Einheit. Während des Schweißens wertet sie Strom, Spannung und Phasenlage aus und korrigiert die Ansteuerfrequenz innerhalb eines definierten Fensters.
Der Schweißzyklus lässt sich über Dauer, Amplitude und eine optionale Energiegrenze parametrieren. Dadurch werden validierte Prozesswerte für unterschiedliche Bauteiltypen gespeichert; das Bedienpersonal muss lediglich das passende Rezept auswählen.
Die Lösung wurde nicht nur als Ultraschallgenerator konzipiert, sondern als Prozesskomponente, die während des gesamten Zyklus die für die Schweißqualität relevanten elektrischen Kenngrößen überwacht.
Der Gleichspannungszwischenkreis wird über eine MOSFET-Vollbrücke in eine anwendungsspezifische hochfrequente Wechselspannung umgesetzt. Galvanisch getrennte Gate-Treiber, kontrollierte Totzeiten und induktivitätsarme Strompfade wurden gemeinsam für einen sicheren Schaltbetrieb ausgelegt. Auf der Leiterplatte sind Leistungs- und Steuerungsbereiche getrennt; Isolationsabstände, die Anordnung der Zwischenkreiskondensatoren, Stromrückwege und die Luftführung am Kühlkörper wurden berücksichtigt.
Am Ausgang passen ein Übertrager und anwendungsspezifisch dimensionierte Resonanzbauteile die elektrische Ansteuerung an die Wandlergruppe an. Eine mechanische Abdeckung gegen den Zugriff auf hochspannungsführende Bereiche sowie eine Entladeschaltung wurden zusammen mit dem Einbau der Karte in den Schaltschrank betrachtet.
Strom und Spannung werden gleichzeitig abgetastet, um Phasenverschiebung und Scheinlast zu berechnen. Der beim Startscan ermittelte Arbeitspunkt wird während des Schweißens in begrenzten Schritten nachgeführt. Verlässt er das definierte Fenster, wird der Zyklus nicht als erfolgreich abgeschlossen gewertet und ein Fehler protokolliert. Eine gemeinsame Zustandsmaschine steuert Sanftanlauf, Amplitudenrampe, Schweißzeit und Haltesignal.
Ein Hardware-Überstromkomparator deaktiviert die Gate-Treiber unabhängig vom Softwarezyklus. Die Embedded Software überwacht Unter- und Überspannung des Zwischenkreises, Kühlkörpertemperatur, Wandlerstrom und Kommunikationsstatus. Galvanisch getrennte Ein- und Ausgänge übertragen die SPS-Zyklussignale; über RS-485/Modbus gelangen Rezeptnummer, Zyklusergebnis, Energieindikator und Fehlercodes an das übergeordnete System.
Mit der neuen Treiberarchitektur wurde der Ultraschallschweißzyklus von einem festfrequenten, bedienerabhängigen Aufbau in einen kontrollierten Prozess mit messbarer elektrischer Rückmeldung überführt.
Dieses Projekt verbindet die Kompetenzen von Revan Technology in kundenspezifischer Leiterplattenentwicklung, Embedded-Regelung und Leistungselektronik mit den Zielen Qualität, Effizienz und Risikoreduzierung beim Kunststofffügen.
Aus Gründen der Kundenvertraulichkeit werden Firmenname, Maschinenmodell, Leistungsstufe und Produktnamen nicht genannt. Die Abbildungen sind repräsentativ und veranschaulichen den funktionalen Aufbau.
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