CZ2020351A3

CZ2020351A3 - Ultrazvuková svařovací jednotka

Info

Publication number: CZ2020351A3
Application number: CZ2020-351A
Authority: CZ
Inventors: Radim Žďárský; Radim Ing. Žďárský; Pavel Trojan; Luboš Polák
Original assignee: Radim Žďárský; Radim Ing. Žďárský; Pavel Trojan
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-29

Abstract

Ultrazvuková svařovací jednotka, určená zejména pro bodové svařování plastových dílů, sestává ze dvou nebo tří celků. První dílčí celek (A) se skládá z ultrazvukového konvertoru (1), na který je namontována sonotroda (5) a konvertor (1) je propojen s ultrazvukovým generátorem pomocí vysokofrekvenčního kabelu (2). Druhý dílčí celek (B) se skládá ze zpětnovazebního krokového motoru (9) s několika možnostmi nastavení mikrokroku, který je vybaven enkodérem s rozlišením min. 1000 pulsů během plného otočení enkodéru o 360 stupňů, tj. min 1000 ppr. Další součástí celku (B) je lineární osa (7) a elektromagnetická brzda (11). Případný třetí dílčí celek (C) je tvořen z krokového motoru (10) propojeného pomocí řemenic a řemene s hřídelí (6), na kterou je namontován celek (A), tedy ultrazvukový konvertor (1) a sonotroda (5). Hřídel (6) je dále osazena elektromagnetickou brzdou (4).

Description

Ultrazvuková svařovací jednotka

Oblast techniky

Vynález se týká ultrazvukové svařovací jednotky, určené zejména pro bodové svařování plastových dílů, používaných například v automobilovém průmyslu.

Dosavadní stav techniky

Princip ultrazvukového bodového svařování je založen na přenosu ultrazvukové energie v podobě vysokofrekvenčních kmitů ze sonotrody přes kontaktní díl do styčné plochy, ve které se vlivem tření generuje teplo a následně pomocí tlaku sonotrody vzniká molekulová vazba mezi dvěma plastovými díly. Vlastní zařízení pro ultrazvukové svařování obvykle sestávají ze svisle uspořádaného ultrazvukového rezonátoru, tvořeného ultrazvukovým generátorem, spojeným přes měnič (konvertor) a zesilovač (booster) se sonotrodou, která působí vibrační energií přímo na povrch svařovaných plastových dílů. Pomocí tření se plast nataví a hrot sonotrody je protlačen materiálem horního plastového dílu směrem ke spodnímu plastovému dílu. V současné době jsou pak tato zařízení vesměs opatřena servosystémy s elektricky řízeným posuvem sonotrody, umožňujícím řídit přímo rychlost posuvu sonotrody, kterou lze navíc pomocí příslušného softwaru i libovolně naprogramovat a docílit tak optimálního průběhu svařovací síly a celého svařovacího procesu.

Jedním z největších světových výrobců, zabývajících se vývojem a výrobou těchto ultrazvukových svařovacích zařízení, využívajících při jejich konstrukci kompletně elektrické servopohony, výrazně eliminující odchylky, způsobené pohybem nástroje, a tím i zkvalitňující především opakovatelnost a přesnost ultrazvukového svařování je firma Dukane, která je také majitelem řady patentů jak na tato vlastní zařízení, tak i na způsoby ultrazvukového svařování. Z evropského spisu EP 2106899 A2 je známé například její řešení ultrazvukového lisu se servomotorem a technikou zpožděného pohybu, z dalšího spisu EP 2290182 AI obdobné řešení pod názvem ultrazvukový svařovací systém se zpožděným pohybem a ze spisu EP 3068604 AI pak známý i způsob pro ultrazvukové svařování termoplastových součástí. Z patentových spisů je dále známý spis US 10549481 Bl a spis US 2017129162 AI nebo i řešení profilování rychlosti v závislosti na dráze sonotrody resp. jejího svařovacího hrotu, neboť bez tohoto profilování není možné svařit tenkostěnné materiály tak, aby byl svar dostatečně pevný a na pohledové straně bez viditelných vzhledových poškození. Tohoto cíle je dosaženo velmi jemnými změnami rychlosti sonotrody po její dráze během svařovacího pochodu právě pomocí poměrně nákladných a složitých servopohonů, vyžadujících zároveň značně vysoký příkon.

Úkolem nyní předkládaného vynálezu je proto kromě dalších zlepšení stávajících zařízení pro ultrazvukové svařování zejména vyřešení náhrady těchto servomotorů jinými pohony a snížení energetické náročnosti zařízení.

Podstata vynálezu

Tento úkol je do značné míry vyřešen ultrazvukovou svařovací jednotkou, určenou zejména pro bodové svařování plastových dílů, která sestává dle obr. 1 ze tří celků.

První dílčí celek (A) se skládá z ultrazvukového konvertoru, na který je namontována sonotroda. Konvertor je propojen s ultrazvukovým generátorem pomocí vysokofrekvenčního kabelu.

-1 CZ 2020 - 351 A3

Druhý dílčí celek (B) se skládá ze zpětnovazebního krokového motoru s několika možnostmi nastavení mikrokroku, který je vybaven enkodérem s rozlišením min. lOOOppr. Další součástí celku (B) je lineární osa a elektromagnetická brzda.

Třetí dílčí celek (C) je tvořen z krokového motoru propojeného pomocí řemenic a řemene s hřídelí, na kterou je namontován celek (A), tedy ultrazvukový konvertor a sonotroda. Hřídel je dále osazena elektromagnetickou brzdou.

Součástí tohoto celku (C) je i rotační konektor sloužící pro přenos vysokofrekvenčního signálu mezi generátorem a konvertorem. Celek (A) je propojen s celkem (B) pevným a tuhým spojem a přímo se účastní samotné fáze svařování.

Celek (C) je propojen s celkem (A) a jeho funkce spočívá v manipulaci celku (A) mezi jednotlivými pozicemi svařování a přenosu vysokofrekvenčního signálu mezi generátorem a konvertorem.

Zpětnovazební krokový motor zajišťuje axiální pohyb sestavy celku (A) a (C) a je využíván pro samotné svařování. Jeho otáčky jsou řízeny dle informací od ultrazvukového generátoru a řídícího systému.

Zpětnovazební krokový motor je propojen s ostatními částmi sestavy přes lineární osu. Hřídel zpětnovazebního krokového motoru je propojena s elektromagnetickou brzdou, která slouží k zastavení pohybu v případě potřeby - nouzového vypnutí stroje a také k zamezení nechtěného pohybu sestavy v případě, vypnutí stroje nebo výpadku elektrické energie.

Funkce druhého - krokového - motoru spočívá v manipulaci s celkem (A) mezi jednotlivými pozicemi svařování. Elektromagnetická brzda doplňující funkci tohoto krokového motoru není montována přímo na hřídeli tohoto motoru, ale je umístěna až na duté rotační hřídeli pohybující s celkem (A). Díky tomuto uspořádání je možné během samotného svařování v každém jednotlivém svařovacím bodě, kdy je během fáze svařování využíván pouze zpětnovazební krokový motor, touto elektromagnetickou brzdou hřídel uzamknout. Díky tomu je druhý -krokovýmotor, sloužící pro rotaci, během svařování vyřazen a zbylé části sestavy jsou tak velmi tuhé.

Ultrazvukový kabel je dále s výhodou z konvertoru vyveden skrz dutou osu rotace hřídele a řemenici do rotačního konektoru. Díky tomuto provedení není tento ultrazvukový kabel nijak dynamicky namáhán.

Sestávaje dále doplněna o ovladač, jehož základem je mikroprocesor s pamětí. Mikroprocesor se stará o řízení obou motorů na základě signálů z ultrazvukového generátoru. Ovladač komunikuje s ultrazvukovým generátorem v rámci jednotek či zlomků milisekund a zajišťuje časově precizní sousled událostí během svařování. Díky tomuto přidanému ovladači je možné ve výsledku z řízení vypustit PLC nebo PC.

Upravenou možností je dle obr. 2 ultrazvuková svařovací jednotka, která sestává pouze ze dvou celků (A) a (B).

První dílčí celek (A) se skládá z ultrazvukového konvertoru, na který je namontována sonotroda. Ultrazvukový konvertor je propojen s ultrazvukovým generátorem pomocí vysokofrekvenčního kabelu.

- 2 CZ 2020 - 351 A3

Celek (A) je propojen s celkem (B) pomocí pevného a tuhého spoje a přímo se účastní samotné fáze svařování.

Zpětnovazební krokový motor zajišťuje axiální pohyb celku (A) a je využíván pro samotné svařování. Jeho otáčky jsou řízeny dle informací od ultrazvukového generátoru a řídícího systému.

Tento zpětnovazební krokový motor je propojen s ostatními částmi sestavy přes lineární osu. Hřídel zpětnovazebního krokového motoru je propojena s elektromagnetickou brzdou, která slouží k zastavení pohybu v případě potřeby - nouzového vypnutí stroje a také k zamezení nechtěného pohybu sestavy v případě, vypnutí stroje nebo výpadku elektrické energie.

Sestávaje dále doplněna o ovladač, jehož základem je mikroprocesor s pamětí. Mikroprocesor se stará o řízení motoru na základě signálů z ultrazvukového generátoru. Ovladač komunikuje s ultrazvukovým generátorem v rámci jednotek či zlomků milisekund a zajišťuje časově precizní sousled událostí během svařování. Díky tomuto přidanému ovladači je možné ve výsledku z řízení vypustit PLC nebo PC.

Objasnění výkresů

Vynález je dále blíže objasněn výkresy příkladného provedení ultrazvukové svařovací jednotky podle vynálezu, kde znázorňuje:

Obr. 1 - sestava ultrazvukové svařovací jednotky s celky (A), (B) a (C) v řezu;

Obr. 2 - sestava ultrazvukové svařovací jednotky s celky (A) a (B) v řezu;

Příklad uskutečnění vynálezu

Příklad 1 provedení vynálezu

Ultrazvuková svařovací jednotka v zobrazeném příkladném provedení sestává dle obr. 1 ze tří celků.

První dílčí celek (A) se skládá z ultrazvukového konvertoru (1), na který je namontována sonotroda (5). Konvertor (1) je propojen s ultrazvukovým generátorem pomocí vysokofrekvenčního kabelu (2).

Druhý dílčí celek (B) se skládá ze zpětnovazebního krokového motoru (9) s několika možnostmi nastavení mikrokroku, který je vybaven enkodérem s rozlišením min. lOOOppr. Další součástí celku (B) je lineární osa (7) a elektromagnetická brzda (11).

Třetí dílčí celek (C) je tvořen z druhého krokového motoru (10) propojeného pomocí řemenic a řemene s hřídelí (6) na kterou je namontován celek (A), tedy ultrazvukový konvertor (1) a sonotroda (5). Hřídel (6) je dále osazena elektromagnetickou brzdou (4).

Součástí tohoto celku je i rotační konektor (3) sloužící pro přenos vysokofrekvenčního signálu mezi generátorem a konvertorem (1)

Celek (A) je propojen s celkem (B) pevným a tuhým spojem a přímo se účastní samotné fáze svařování.

-3CZ 2020 - 351 A3

Celek (C) je propojen s celkem (A) a jeho funkce spočívá v manipulaci celku (A), tedy sestavy sonotroda (5) - konvertor(l) mezi jednotlivými pozicemi svařování a přenosu vysokofrekvenčního signálu mezi generátorem a konvertorem (1).

Zpětnovazební krokový motor (9) zajišťuje axiální pohyb sestavy celku (A) a (C) je využíván pro samotné svařování. Jeho otáčky jsou řízeny dle informací od ultrazvukového generátoru a řídícího systému.

Tento motor (9) je propojen s ostatními částmi sestavy přes lineární osu (7). Hřídel motoru (9) je propojena s elektromagnetickou brzdou (11), která slouží k zastavení pohybu v případě potřeby nouzového vypnutí stroje a také k zamezení nechtěného pohybu sestavy v případě, vypnutí stroje nebo výpadku elektrické energie.

Funkce druhého - krokového - motoru (10) spočívá v manipulaci s celkem (A) mezi jednotlivými pozicemi svařování. Elektromagnetická brzda (4) doplňující funkci tohoto motoru (10) není montována přímo na hřídeli tohoto motoru, ale je umístěna až na duté rotační hřídeli (6) pohybující s celkem (A). Díky tomuto uspořádání je možné během samotného svařování v každém jednotlivém svařovacím bodě, kdy je během fáze svařování využíván pouze první motor (9), touto elektromagnetickou brzdou (4) hřídel (6) uzamknout. Díky tomu je druhý motor (10), sloužící pro rotaci, během svařování vyřazen a zbylé části sestavy jsou tak velmi tuhé.

Ultrazvukový kabel (2) je dále s výhodou z konvertoru (1) vyveden skrz dutou osu rotace hřídele (6) a řemenici (8) do rotačního konektoru (3). Díky tomuto provedení není tento kabel (2) nijak dynamicky namáhán.

Sestávaje dále doplněna o ovladač, jehož základem je mikroprocesor s pamětí. Mikroprocesor se stará o řízení obou motorů (9,10) na základě signálů z ultrazvukového generátoru. Ovladač komunikuje s ultrazvukovým generátorem v rámci jednotek či zlomků milisekund a zajišťuje časově precizní sousled událostí během svařování. Díky tomuto přidanému ovladači je možné ve výsledku z řízení vypustit PLC nebo PC.

Příklad 2 provedení vynálezu

Ultrazvuková svařovací jednotka v zobrazeném příkladném provedení sestává dle obr. 1 ze dvou celků.

Zpětnovazební krokový motor (9) zajišťuje axiální pohyb celku (A) a je využíván pro samotné svařování. Jeho otáčky jsou řízeny dle informací od ultrazvukového generátoru a řídícího systému.

Tento motor je propojen s ostatními částmi sestavy přes lineární osu (7). Hřídel motoru (9) je propojena s elektromagnetickou brzdou (11), která slouží k zastavení pohybu v případě potřeby nouzového vypnutí stroje a také k zamezení nechtěného pohybu sestavy v případě, vypnutí stroje nebo výpadku elektrické energie.

-4CZ 2020 - 351 A3

Sestávaje dále doplněna o ovladač, jehož základem je mikroprocesor s pamětí. Mikroprocesor se stará o řízení motoru (9) na základě signálů z ultrazvukového generátoru. Ovladač komunikuje s ultrazvukovým generátorem v rámci jednotek či zlomků milisekund a zajišťuje časově precizní sousled událostí během svařování. Díky tomuto přidanému ovladači je možné ve výsledku z řízení 5 vypustit PLC nebo PC.

Průmyslová využitelnost ίο Ultrazvuková svařovací jednotka podle vynálezu může být široce využitelná například v automobilovém průmyslu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Ultrazvuková svařovací jednotka vyznačující se tím, že sestává z nejméně dvou dílčích celků, kdy celek (A) se skládá z ultrazvukového konventoru (1), na který je namontována sonotroda (5) a konvertor (1) je propojen s ultrazvu-kovým generátorem pomocí vysokofrekvenčního kabelu a dílčí celek (B) se skládá ze zpětnovazebního krokového motoru (9) s různými možnostmi nastavení mikrokroku, který je vybaven enkodérem s rozlišením min. 1000 ppr, a dále sestává z lineární osy (7) a elektromagnetické brzdy (11).

2. Ultrazvuková svařovací jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že k dílčímu celku (A) a (B) je doplněn dílčí celek (C) sestávající z krokového motoru (10) propojeného pomocí řemenic a řemene s hřídelí (6) na kterou je namontován dílčí celek (A) a hřídel (6) je dále osazena elektromagnetickou brzdou (4), kdy součástí dílčího celku je rovněž rotační konektor (3) pro přenos vysokofrekvenčního signálu mezi generátorem a konvertorem (1).

3. Ultrazvuková svařovací jednotka podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dílčí celek (A) je propojen s dílčím celkem (B) pevným a tuhým spojem a přímo se účastní samotné fáze svařování.

4. Ultrazvuková svařovací jednotka podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dílčí celek (C) je propojen s dílčím celkem (A) pro zajištění manipulace dílčího celku (A) mezi jednotlivými pozicemi svařování a přenosu vysokofrekvenčního signálu mezi generátorem a konvertorem (1).

5. Ultrazvuková svařovací jednotka podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zpětnovazební krokový motor (9) je určen pro zajištění axiálního pohybu sestavy dílčího celku (A) a (C) pro samotné svařování, kdy jeho otáčky jsou řízeny dle informací od ultrazvukového generátoru a řídícího systému.

6. Ultrazvuková svařovací jednotka podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zpětnovazební krokový motor (9) je propojen s ostatními částmi sestavy přes lineární osu (7), kdy hřídel motoru (9) je propojena s elektromagnetickou brzdou (11).

7. Ultrazvuková svařovací jednotka podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že krokový motor (10) je určen pro manipulaci s dílčím celkem (A) mezi jednotlivými pozicemi svařování a funkci motoru (10) doplňuje elektromagnetická brzda (4), která je umístěna na duté rotační hřídeli (6), kdy touto elektromagnetickou brzdou (4) je uzamykán hřídel (6) během fáze svařování a motor (10) sloužící pro rotaci je během svařování vyřazen.

8. Ultrazvuková svařovací jednotka podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že ultrazvukový kabel (2) je z konvertoru (1) vyveden skrz dutou osu hřídele (6) a řemenici (8) do rotačního konektoru (3).

9. Ultrazvuková svařovací jednotka podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že sestávaje doplněna o ovladač, jehož základem je mikroprocesor s pamětí, jež řídí motor (9) a/nebo motor (10) na základě signálů z ultrazvukového generátoru.