CN106457679B - 具有力传感器的超声加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超声加工材料片的设备，其具有超声振动单元和配对工具(16)，所述超声振动单元具有超声波发生器(2)和任选地通过变幅器(4)连接至超声波发生器的转换器(3)，其中使材料片移动经过超声波发生器(2)和配对工具(16)之间的间隙以加工材料片，其中，超声振动单元紧固至托架(7)，所述托架(7)可相对于配对工具(16)移动，从而使得超声振动单元可以与托架(7)一起在作用力方向上、即在朝向或远离配对工具(16)的方向上移动，其中，提供力传感器，所述力传感器用于测量由材料片施加至超声波发生器(2)的力。为了提供在开始时所提及类型的相应设备，所述设备允许更准确地测量焊接力，从而还能够通过超声连续地加工具有极小加工宽度的应用，本发明提出通过传感器组件(6)来将超声波发生器(2)和托架(7)连接在一起，所述传感器组件(6)表现为力传感器。

Description

具有力传感器的超声加工设备

本发明涉及用于超声加工材料片的装置。

这样的超声加工装置具有超声振动单元，其包括超声波发生器、转换器和任选的变幅器。在这种配置中，转换器能够通过变幅器连接至超声波发生器。转换器将交流电压转换为机械振动。超声振动单元的个体元件以这样的方式相互调谐，即超声振动单元在期望的超声频率下具有谐振频率，称为固有频率。因此，如果转换器在恰当的交流电压下作用，那么超声振动单元就会在固有频率下振动。

此外，在超声波发生器的对面设置配对工具。使材料片移动经过超声波发生器和配对工具之间的间隙以加工材料片。在加工操作过程中，在超声频率下振动的超声波发生器在配对工具的方向上被挤压至材料片上，从而在超声波发生器和配对工具之间对材料片进行超声加工。

出于此目的，超声波发生器和配对工具可以相对彼此移动是所必须的。由此，超声波发生器和配对工具之间的间隙例如必须增加至能够将材料片引入所述间隙内。随后，在加工操作期间，所述间隙相应地减小。因此，超声振动单元被固定至托架，该托架可相对于配对工具移动，从而使得超声振动单元可以与托架一起在作用力方向上、即在朝向或远离配对工具的方向上移动。

为了实现最优加工结果，有利地，超声波发生器以预定焊接力被挤压至材料片上。

因此，在DE 197 53 740中已经公开了一种装置，其具有用于测量由材料片施加至超声波发生器的力的力传感器。在这种装置中，托架通过肘杆系统来驱动，并且传感器设置于所述肘杆系统内。

然而，所述装置具有如下的缺陷，由于托架和托架导向件之间以及肘杆系统内的摩擦力，力的测量涉及严重的滞后。此外，横向力，即材料片在垂直于所述作用力的方向上施加于超声波发生器上的力，无法使用已知的装置进行测量。

然而，存在着使用非常小的加工带宽的情况。例如，能够想象需要200N的焊接力的应用，其中仅195N的焊接力无法进行完全的焊接，而205N的焊接力会使材料发生部分损坏。

目前，这些使用情况无法通过连续超声加工的方式进行处理。

因此，将本领域已知的状况作为基本出发点，本发明的目标在于提供在本说明书开始部分中提及种类的装置，其允许更加准确地测量焊接力，从而还能够通过超声的方式连续地加工涉及极小加工带宽的应用情况。

根据本发明的目标如下地实现，超声波发生器和托架通过具有力传感器的传感器组件连接在一起。

因此，根据本发明，力传感器的位置通过肘杆在超声波发生器的方向上移动，更具体地，移至超声波发生器和托架之间的位置。在该位置，力传感器可以直接检测超声波发生器由于焊接力的变化而产生的相对于配对工具的移动。

在一种优选的实施方式中，超声波发生器和托架通过具有两个力传感器的传感器组件连接在一起。在这种情况中，一个力传感器被设置成测量由待加工的材料平行于作用力方向施加至超声波发生器的力，而另一个力传感器被设置成测量由待加工的材料垂直于作用力方向施加至超声波发生器的力。

由于使传感器组件与超声波发生器紧挨着设置，因而甚至能够通过两个力传感器来测量与作用力方向平行的力以及与作用力方向垂直的力两者。将会理解的是，还可以使用多于两个的力传感器。

在一种优选的实施方式中，提供用于使托架平行于作用力方向移动的驱动器，其中优选的是，所述驱动器通过力偏转系统(例如肘杆系统)连接至托架。这样的布置例如公开于如上所述的DE 197 53 740 C1。在这种情况中，托架设置于导向件中，该导向件可以相对于机器支撑结构仅在作用力方向上移动，而无法垂直于作用力方向地移动。

在一种特别优选的实施方式中，传感器组件包括两个板元件，其通过至少两个弹性连接元件连接在一起，其中，一个板元件连接至超声振动单元，并且另一个板元件连接至托架。在这种情况中，力传感器被最佳地固定至连接元件。

在一种特别优选的实施方式中，一个连接元件比另一个连接元件更靠近配对工具地设置，其中优选地提供两个力传感器，并且一个力传感器设置于距配对工具更远地设置的连接元件上，以使得由待加工的材料平行于作用力方向地施加至超声波发生器的力被测量，并且另一个力传感器设置于距配对工具更近地设置的连接元件上，以使得由待加工的材料垂直于作用力方向地施加至超声波发生器的力被测量。

连接元件例如可以是弹性连接臂的形式，其将两个板元件连接在一起，从而使得在力由材料片施加于超声波发生器上时，发生两个板元件的相对运动，而连接元件会变形。

在另一种优选的实施方式中，至少四个连接元件将板元件连接在一起，其中两个相应的连接元件距配对工具是等间距的。更大的稳定性被赋予传感器板，并且由此，由于成对设置的连接元件，更大的稳定性被赋予超声波发生器和托架之间的连接。

在一种优选的实施方式中，两个板元件相互平行地设置，其中，它们优选在垂直于板平面的方向上以互相移位的关系设置，并且最佳地，板元件具有开口，另一个板元件可设置于该开口中。

在这种情况中，所述开口原则上可以是任意期望的构型。由此，O型开口例如是可行的，也就是说，外板元件围绕内板元件的整个外围，该内板元件设置于O型开口内。然而，取而代之的是，还将能够想到的是U型开口，其中外板元件仅在三侧围绕内板元件，或者L型开口，其中外板元件仅在两侧围绕内板元件。

为了实现良好的焊接效果，原则上，超声波发生器和机器支撑结构之间连接的高程度刚性是必须的。然而，根据本发明的配置，传感器板需要一定的移动性，因为仅在这种情况中，力才可被测量。已经发现，两个板元件相互之间在作用力方向上以及垂直于作用力方向的方向上的移动性应当小于20μm/kN，优选小于10μm/kN并且最优选小于3μm/kN。

在一种优选的实施方式中，力传感器可以具有应变仪，其测量连接元件的变形，并允许由此得出由材料片施加于超声波发生器的力。

在另一种优选的实施方式中，力传感器为压电传感器。

因为压电传感器的刚性与基于应变仪的力传感器相比大70至100倍，所以借助使用压电传感器作为力传感器，两个板元件相互之间的移动性至少在作用力方向上还可被进一步降低。

因此，系统的弹性单独地通过使用压电传感器作为力传感器而可被显著地降低。

然而，压电传感器是存在问题的，由于压电传感器的结构或者与之相联系的使用电荷放大器来测量由压电晶体提供的电荷，经常会发生放电，从而使得通过电荷放大器测量的转化为电压的电荷在静态测量时会减少。

因此，在优选的实施方式中，为了改善压电传感器的测量结果，可以提供控制设备，当超声加工系统并未执行任何材料加工操作时使压电传感器短路，或者将随时间变化的力补偿值添加至由压电传感器测量的力。

由此，例如在某些时刻，更具体地在超声波发生器并未与材料接合的时刻，也就是说，在未发生焊接的时刻，能够使压电传感器短路。此时，超声波发生器不将力施加至材料片，或者仅将较小的力施加至材料片。可以说，压电传感器通过短路操作而归零，从而使得在短路过程之后，仅力的改变可被测量。

因为压电传感器现在并不是基于应变仪的，所以还优选的是，其并不被固定至连接元件。例如，压电传感器可被固定至传感器板的两个板元件，从而使得一个板元件施加于另一个板元件上的力可被检测。在这种情况中，压电传感器会被连接至两个板元件，从而使得力流的主要部分通过压电传感器被转向。

在另一种优选的实施方式中，压电传感器被偏压，以使得即使在材料片不在超声波发生器上施加力的情况下，压电传感器也会测量力。

这例如可以通过借助螺杆将压电传感器压至第二板元件上来实现，该螺杆与第一板元件内的相应的螺纹通孔配合。以此方式，力在任意情况下都被施加至压电传感器上。这特别是在发生超声波发生器的后振动时是有利的，因为此时，不仅仅是压缩力，而且张力也会发生在压电传感器处。“负力”现在也可以借助相应的偏压来测量。

在一种优选的实施方式中，压电传感器设置在传感器组件上，从而测量由待加工的材料与作用力方向平行地施加至超声波发生器的力。

将会理解的是，还能够测量由待加工的材料垂直于作用力方向地施加至超声波发生器的力。这例如可以通过第二传感器来实现。然而，在这种情况中已经发现，对于用于测量由待加工的材料垂直于作用力方向地施加至超声波发生器的力的传感器来说，优选采用应变仪，其被设置在连接元件上，并且更具体地，优选设置在更靠近配对工具设置的连接元件上。

本发明的其它优点将根据下文对优选实施方式的说明以及附图而显而易见，其中：

图1示出根据本发明一种实施方式的透视图，

图2示出图1的实施方式的截面图，

图3、3a和3b示出如在图1和2中所示的实施方式中使用的传感器组件的透视图和放大详细视图，

图4示出在纵向方向上，图4的传感器组件在变形期间的透视图，

图5示出图3的传感器组件在由于横向力而变形期间的透视图，

图6和6a示出根据本发明的第二实施方式的平面图和局部放大图，

图7示出压电传感器的平面图，

图8和8a示出根据本发明的第二实施方式的后视图和局部放大图，并且

图9示出根据本发明的第二实施方式的侧视图。

图1示出根据本发明的加工装置1的透视图。

图2示出图1的局部截面侧视图。所述装置具有超声波发生器2，其通过变幅器4连接至转换器3。包括超声波发生器2、变幅器4和转换器3的超声振动单元固定于支持架5内。支持架5进而通过传感器组件6固定于托架7，传感器组件6为传感器板的形式。托架7可以在竖直方向上相对于机器支撑结构移动。出于此目的，托架7通过肘杆机构9连接至驱动马达8。

驱动马达8使连接至其的螺杆移动，并进而通过肘杆机构9导致托架7的竖直移动。

图2示意性地示出辊形式的配对工具16。一个或多个材料片经过超声波发生器2和围绕其轴旋转的配对工具16之间，以进行加工操作。在这种情况中，所要加工的材料在超声波发生器2上施加作用力方向上的力，其实际上为焊接力，以及与作用力方向垂直的力，其基本上通过使材料向前运动经过超声波发生器2和配对工具16之间的间隙而产生，如在图2中由箭头所示的。

根据本发明，力传感器提供于传感器板6内。

在图3、3a和3b中示出传感器板的透视图和两幅详细视图。传感器板6包括外板元件10和内板元件11。两个板元件几乎设置在一个平面内，从而使得外板元件10基本上完全包围内板元件11。

内板元件11和外板元件10均具有固定孔。两个板元件之一(例如内板元件11)被固定至托架7，而另一个板元件(例如外板元件10)被固定至支持架5。两个板元件10、11通过连接元件13、14连接在一起。

然而，将注意到在所示的实施方式中，两个板元件以相互之间稍微偏置的关系来设置，也就是说，它们并未精确地设置在一个平面内。这样的构型允许固定至托架和超声波发生器，其确保由材料片的力所产生的任何力传递均仅简单地通过连接元件12、14来实现。

图3a示出图3的细节A的放大视图。其中所示的为连接元件14，其将内板元件11连接至外板元件10。此外，应变仪15形式的两个力传感器在这里设置于连接元件14上。

图3b为图3中细节B的视图。在这里将看到，两个连接元件12将内板元件11连接至外板元件10。在这里，力传感器13还与每个连接元件12相关联。传感器组件为相对于纵轴基本上呈镜像对称配置的，也就是说，如在图3b中所示的，存在两对连接元件，并且如在图3a中所示的，存在两个相对设置的连接元件14。

图4示出传感器板6的示意图，其表示在纵向方向上或作用力方向上，与施加至超声波发生器的力相关的情况。该方向在附图中由箭头标识。如果在纵向方向上作用的力通过材料片施加至超声波发生器2，那么由于超声波发生器2或支持架5与外板元件10之间的连接，就会产生连接元件12、14的变形。内板元件11被连接至固定设置的托架7。特别地，将会看到在连接元件14的区域内，臂形式的连接元件产生变形。这种变形可以借助在连接元件14上设置的力传感器15来测量。

图5示出当垂直于作用力方向的力被施加至超声波发生器时所发生的情况。该方向在附图中由箭头标识。

因为超声波发生器2通过支持架5连接至外板元件10，而内板元件11连接至托架7，所以在超声波发生器上的垂直于作用力方向的力会导致在图5中所示的变形。这基本上在下部区域，也就是说，在连接元件14的区域内发生，因为在这里由于肘杆作用会产生最大的力传递。因此，基本上横向的力可以通过固定至连接元件14的力传感器15进行测量，而基本上在作用力方向上作用的力可以通过固定至连接元件12的力传感器13进行测量。

图6至9示出根据本发明的第二实施方式，其中压电传感器17被用作力传感器。图6示出这种实施方式的平面图。在这里，传感器板也具有两个板元件10、11。根据在图6a中以放大比例示出的局部视图将会看到，压电传感器17被设置于内板元件11和外板元件10之间的传感器板的纵向方向上。压电传感器17在图7中示意性地示出。其包括恰当的压电圆盘和连接件18，通过这种方式，由压电晶体产生的电荷就可被测量。

图8和8a示出这种实施方式的后视图。在这里将看到，连接件18经过外板元件10。内板元件通过固态铰链12、14固定于外板元件10。铰链或者连接部分提供形状稳定性。然而，特别地，在作用力方向上，这种配置确保力流的主要部分是通过压电传感器进行的。

最后，图9示出俯视图。在这里能够看到两个螺杆19，其在外板元件10的相应螺纹通孔内引导。它们配合经过外板元件10，并相对于内板元件11挤压压电传感器17，由此确保力总是施加于压电传感器上。

在装配压电传感器后，必须校准所述传感器。

附图标记列表

1加工装置

2超声波发生器

3转换器

4变幅器

5支持架

6传感器板/传感器组件

7托架

8驱动马达

9肘杆机构

10外板元件

11内板元件

12、14连接元件

13、15力传感器

16配对工具

17压电传感器

18连接件

19螺杆

Claims (16)

1.一种用于超声加工材料片的装置，所述装置具有超声振动单元和配对工具，所述超声振动单元具有超声波发生器和任选地通过变幅器连接至所述超声波发生器的转换器，其中使材料片移动经过所述超声波发生器和所述配对工具之间的间隙以加工所述材料片，其中所述超声振动单元被固定至托架，所述托架能相对于所述配对工具移动，从而使得所述超声振动单元能够与所述托架一起在作用力方向上、也就是说在朝向或远离所述配对工具的方向上移动，其中提供用于测量由所述材料片施加至所述超声波发生器的力的力传感器，其中所述超声波发生器和所述托架通过具有所述力传感器的传感器组件连接在一起，其特征在于，所述传感器组件包括通过至少两个连接元件连接在一起的两个板元件，其中一个板元件连接至所述超声振动单元，并且另一个板元件连接至所述托架，其中至少一个力传感器固定至连接元件。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波发生器和所述托架通过具有两个力传感器的传感器组件连接在一起，其中，一个力传感器被设置成测量由待加工的材料平行于所述作用力方向施加至所述超声波发生器的力，并且另一个力传感器被设置成测量由待加工的材料垂直于所述作用力方向施加至所述超声波发生器的力。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，提供用于使所述托架平行于所述作用力方向移动的驱动器，其中所述驱动器通过力偏转系统连接至所述托架。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述力偏转系统包括肘杆系统。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，一个连接元件与另一个连接元件相比更接近于所述配对工具地设置，其中提供两个力传感器，并且一个力传感器设置于距所述配对工具更远地设置的连接元件上，以使得由待加工的材料平行于所述作用力方向施加至所述超声波发生器的力被测量，并且另一个力传感器设置于距所述配对工具更近地设置的连接元件上，以使得由待加工的材料垂直于所述作用力方向施加至所述超声波发生器的力被测量。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，提供至少四个连接元件，所述板元件通过所述至少四个连接元件连接在一起，其中两个相应的连接元件距所述配对工具是等间距的。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个板元件基本上设置于相同的平面内，其中一个板元件具有开口，另一个板元件设置于所述开口内。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力传感器具有应变仪。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个板元件相互之间在所述作用力方向上以及在垂直于所述作用力方向的方向上的移动性小于20μm/kN。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个板元件相互之间在所述作用力方向上以及在垂直于所述作用力方向的方向上的移动性小于10μm/kN。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个板元件相互之间在所述作用力方向上以及在垂直于所述作用力方向的方向上的移动性小于3μm/kN。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力传感器为压电传感器。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，压电传感器固定至两个板元件，从而使得一个板元件施加于另一个板元件的力被检测，其中所述压电传感器被偏压，以使得即使在所述材料片不在所述超声波发生器上施加力的情况下，所述压电传感器也测量力。

14.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于，压电传感器设置于所述传感器组件上，以使得由待加工的材料平行于所述作用力方向施加至所述超声波发生器的力被测量。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，提供两个力传感器，其中一个力传感器为压电传感器，该压电传感器固定至传感器板，以使得由待加工的材料平行于所述作用力方向施加至所述超声波发生器的力被测量，并且具有应变仪的另一个力传感器设置在连接元件上，以使得由待加工的材料垂直于所述作用力方向施加至所述超声波发生器的力被测量。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述另一个力传感器设置在与所述配对工具更接近地设置的连接元件上。