DE102011102746A1 - Verfahren zur Einstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung, bei dem ein zu bearbeitendes Material zwischen einem Sonotrodenelement (1) und einem Ambosselement (2) positioniert wird, bei dem mit einem Generator (3) eine Leistung auf das Sonotrodenelement (1) übertragen wird und bei dem zur Erreichung einer vorgegebenen Amplitude des Sonotrodenelements (1) ein Abstand zwischen dem Sonotrodenelement (1) und dem Ambosselement (2) eingestellt wird. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem Sonotrodenelement (1) und dem Ambosselement (2) so lange variiert, insbesondere verkleinert, wird, bis die vom Generator (3) an das Sonotrodenelement (1) abgegebene Leistung einem vorgegebenen, materialangepassten Leistungsschwellenwert entspricht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Verfahren zur Einstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist nach der DE 602 24 088 T2 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein zu bearbeitendes Material zwischen einem Sonotrodenelement und einem Ambosselement positioniert, mit einem Generator eine Leistung auf das Sonotrodenelement übertragen und zur Erreichung einer vorgegebenen Amplitude des Sonotrodenelements ein Abstand zwischen dem Sonotrodenelement und dem Ambosselement eingestellt.
  • Mit einer solchen Ultraschallbearbeitungsvorrichtung können Materialien geschweißt oder geschnitten werden. Dabei wird mit dem Generator eine hochfrequente mechanische Schwingung erzeugt und auf das Sonotrodenelement übertragen. Dieses ist in der Regel so konstruiert, dass seine Resonanzfrequenz mit der vom eingesetzten Generator zur Verfügung gestellten Frequenz übereinstimmt. Ein Sonotrodenelement ohne Berührung mit dem Ambosselement oder dem zu bearbeitenden Material kann frei schwingen. Die dabei aufgenommene Leistung (Leerlaufleistung) ist vergleichsweise gering. Wird aber das zu bearbeitende Material mit Hilfe des Ambosselements gegen das Sonotrodenelement gedrückt, so kann die für eine wunschgemäße Bearbeitung erforderliche Schwingungsamplitude nur dann aufrecht erhalten werden, wenn die Leistung des Generators erhöht wird. Je höher dabei der Druck des Ambosselements gegen das Material und damit gegen das Sonotrodenelement ist, desto mehr Leistung muss zur Aufrechterhaltung der Amplitude bereit gestellt werden.
  • Bei der Lösung nach der DE 602 24 088 T2 ist zur Einstellung des richtigen Abstands zwischen dem Sonotrodenelement und dem Ambosselement bzw. zur Bereitstellung der erforderlichen Amplitude die Druckbeaufschlagung des Ambosselements regel- und messbar. Bei dieser Lösung wird also in Abhängigkeit des zu verarbeitenden Materials ein Wert für den Druck am Ambosselement (Gegenkraft) vorgegeben. Damit soll ein bestimmter Amplitudenwert erreicht werden, wobei die Leistung und der Abstand über die Regelung entsprechend eingestellt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere zu vereinfachen.
  • Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren zur Einstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung der eingangs durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem Sonotrodenelement und dem Ambosselement so lange variiert, insbesondere verkleinert, wird, bis die vom Generator an das Sonotrodenelement abgegebene Leistung einem vorgegebenen, materialangepassten Leistungsschwellenwert entspricht.
  • Mit anderen Worten erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung die Einstellung nicht über die Regelung des Drucks bzw. der Gegenkraft am Ambosselement, sondern über die Leistung des Generators. Hierzu wird der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung ein materialangepasster Leistungsschwellenwert mitgeteilt. Dies kann entweder direkt erfolgen oder auch dadurch, dass die Vorrichtung einen Speicher umfasst, in dem vorab zu bestimmten Materialien ermittelte Leistungsschwellenwerte abrufbar abgelegt sind.
  • Ist also der Leistungsschwellenwert bekannt bzw. der Vorrichtung vorgegeben worden, wird Material zwischen das Sonotrodenelement und das Ambosselement positioniert. Mindestens eines dieser beiden Elemente ist dabei drehbar gelagert ausgebildet (bevorzugt beide), um eine kontinuierliche Bearbeitung immer neuer Stellen des Materials realisieren zu können. Im nächsten Schritt wird der Abstand zwischen dem Sonotrodenelement und dem Ambosselement variiert, insbesondere verkleinert. Geht man davon aus, dass das Sonotrodenelement zuvor praktisch frei schwingen konnte (Leerlauf), führt ein nunmehr vom Ambosselement über das Material auf das Sonotrodenelement ausgeübter (leichter) Druck zu einer Verringerung der Amplitude des Sonotrodenelements. Diese Verringerung wird als nächstes durch eine entsprechende Erhöhung der Leistung des Generators ausgeglichen, und zwar mit dem Ziel, den vorgebenen Amplitudenwert einzuhalten. Da aber das Bearbeitungsergebnis nicht nur von der Amplitude, sondern auch vom Gegendruck des Ambosselements und der Leistung selbst abhängt, muss letztere bis zu dem vorher für dieses Material ermittelten Leistungsschwellenwert gesteigert werden.
  • Der Vorteil gegenüber dem eingangs genannten Verfahren besteht dabei insbesondere darin, dass eine Gegenkrafterfassung am Ambosselement entfallen kann, da der aktuelle Leistungswert des Generators als Steuerparameter für die Amplitude ohnehin zur Verfügung steht.
  • Dabei ist auch beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass das Sonotrodenelement und das Ambosselement unter Zwischenlage des zu bearbeitenden Materials durch die Schwingung des Sonotrodenelements gegeneinander gedrückt werden. Hierzu kann wahlweise das Sonotrodenelement oder, was bevorzugt ist, das Ambosselement federbelastet ausgebildet sein, und zwar in der Weise, dass ein Mindestabstand zwischen beiden einstellbar und dieser zum Beispiel gegen den Druck eines Federelements vergrößerbar ist. Je stärker das Federelement vorgespannt wird, desto mehr Leistung ist erforderlich, um mit dem Sonotrodenelement die vorgegebene Amplitude zu erreichen.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigt schematisch
  • 1 eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die in 1 dargestellte Ultraschallbearbeitungsvorrichtung besteht insbesondere aus dem Sonotrodenelement 1, dem Ambosselement 2 und dem Generator 3. Sowohl das Sonotrodenelement 1 als auch das Ambosselement 2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als drehbar gelagerte Schreiben ausgebildet, wobei, was nicht genauer dargestellt ist, das Ambosselement 2 mit einem Drehantrieb verbunden ist, um über eine Drehbewegung der Schreibe des Ambosselements 2 einen Vorschub des zwischen dem Sonotrodenelement 1 und dem Ambosselement 2 angeordneten Materials zu erreichen.
  • 1 zeigt eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung zum Verschweißen zweier Materialbahnen, wobei der geschwärzte Bereich zwischen dem Sonotrodenelement 1 und dem Ambosselement 2 eine solche Schweißnaht andeutet.
  • Dem Generator 3 wird über die Regelung 4 Energie zugeführt, um das Sonotrodenelement 1 in Schwingung zu versetzen. In Bezug auf 1 ist die (Haupt-)Bewegungsrichtung der Schwingung gegen das Ambosselement 2 gerichtet. Wie eingangs erläutert, ist es bei freistehendem Sonotrodenelement 1 bereits mit geringer Leistung möglich, eine große Amplitude der Schwingung zu erzielen. Wird dagegen Material gegen das Sonotrodenelement 1 gedrückt (wie in 1 dargestellt), so muss erheblich mehr Leistung aufgebracht werden, um eine gewünschte Amplitude zu erreichen, wobei die Amplitude zusammen mit dem Widerlager letztlich für die Qualität der Schweißnaht verantwortlich ist.
  • Die Regelung 4 dient darüber hinaus dazu, den Abstand des Ambosselements zum Sonotrodenelement 1 einzustellen: Wie aus 1 ersichtlich, ist das Ambosselement 2 hierzu an einem Ambossträgerelement 5 gelagert, das höhenverstellbar ausgebildet ist. Ferner ist das Ambossträgerelement 5 selbst in einem Führungselement 6 gelagert, das seinerseits mit einem Stellantrieb 7 verbunden ist. Mittels dieses Stellantriebs 7 kann der Abstand des Führungselement 6 zum Sonotrodenelement 1 verändert werden. Zur Erzeugung der genannten Gegenkraft ist eine Feder 8 (insbesondere Schraubendruckfeder) zwischen dem Ambossträgerelement 5 und dem Führungselement 6 vorgesehen, deren Vorspannung im einfachsten Fall (wie dargestellt) über unterschiedlich dicke Distanzelemente 9 (insbesondere Distanzscheiben) beeinflussbar ist. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen (aber nicht dargestellt), dass die Vorspannung der Feder 8 genau wie die Verstellung des Führungselements 6 über einen entsprechenden, ebenfalls mit der Regelung 4 verbundenen Antrieb erfolgt.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung wird in bekannter Weise ein zu bearbeitendes Material (zum Beispiel ein kunststoffhaltiges Gewebe) zwischen dem Sonotrodenelement 1 und dem Ambosselement 2 positioniert, mit einem Generator 3 eine Leistung auf das Sonotrodenelement 1 übertragen und zur Erreichung einer vorgegebenen Amplitude des Sonotrodenelements 1 ein Abstand zwischen dem Sonotrodenelement 1 und dem Ambosselement 2 eingestellt.
  • Dabei bedeutet ”Einstellung der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung” insbesondere, dass diese Einstellung einmalig bei einer ersten Inbetriebnahme der Vorrichtung (Erstbenutzung oder Neustart) oder nach einem Materialwechsel durchgeführt wird.
  • Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist nun, dass der Abstand zwischen dem Sonotrodenelement 1 und dem Ambosselement 2 so lange variiert, insbesondere verkleinert, wird, bis die vom Generator 3 an das Sonotrodenelement 1 abgegebene Leistung einem vorgegebenen, materialangepassten Leistungsschwellenwert entspricht. – Wie bereits erläutert, ist es aufgrund dieser Maßgabe möglich, auf eine Kraftmessung zu verzichten, was einerseits den Regelungsaufwand andererseits aber auch die Herstellungskosten der Vorrichtung senkt.
  • Typischer Weise erfolgt die Einstellung der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung derart, dass das Sonotrodenelement 1 und das Ambosselement 2 zunächst mit einigem Abstand zueinander angeordnet sind. Nun wird das zu bearbeitende Material zwischen die beiden Element eingebracht und der Einstellungsvorgang gestartet. Dabei wird der Abstand zwischen dem Sonotrodenelement 1 und dem Ambosselement 2 zur Erreichung des vorgegebenen Leistungsschwellenwertes schrittweise verkleinert, und zwar vorzugsweise in 0,01 mm Schritten.
  • Im einfachsten Fall ist vorgesehen, dass der Leistungsschwellenwert an der Vorrichtung eingegeben wird. Eine bevorzugte Alternative besteht darin, dass eine Materialangabe an der Vorrichtung eingegeben wird, wobei aus dieser Materialangabe mit Hilfe einer gespeicherten Zuordnungseinheit der Leistungsschwellenwert ermittelt wird.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Amplitude des Sonotrodenelements 1 an der Vorrichtung eingegeben wird, wobei auch hier die Option vorgesehen ist, dass aus einer Materialangabe mit Hilfe einer gespeicherten Zuordnungseinheit der zum Material passende Amplitudenwert ermittelt wird.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass wahlweise das Sonotrodenelement 1 und/oder das Ambosselement 2 druckbeaufschlagt werden (in 1 ist die zweite Option dargestellt), wobei ein Druckwert an der Vorrichtung einstellbar ist oder eingegeben wird. Auch hier ist die Option möglich, dass der Druckwert aus einer Materialangabe (unter Verwendung einer entsprechenden, in der Regelung 4 gespeicherten Zuordnungseinheit) ermittelt wird.
  • Außerdem ist, wie bereits erwähnt, vorgesehen, dass wahlweise das Sonotrodenelement 1 und/oder das Ambosselement 2 drehbar angetrieben gelagert sind und ein entsprechender Vorschubwert an der Vorrichtung eingegeben wird, wobei auch in diesem Fall die Option besteht, dass aus einer Materialangabe (unter Verwendung einer entsprechenden, in der Regelung 4 gespeicherten Zuordnungseinheit) der Vorschubwert ermittelt wird.
  • Nochmals mit anderen Worten formuliert, funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt: Nach einem Maschinenstart wird von einem voreingestellten Abstand zwischen Sonotrodenrad und Ambossrad bei gleichmäßigem Vorschub das Spaltmaß in zum Beispiel 0,01 mm Schritten verringert. Die Leistungsausgabe des Generators wird ständig mit dem vorgegebenen Leistungsschwellenwert verglichen und ausgewertet. Sobald der Leistungsschwellenwert erreicht ist, wird das Spaltmaß angezeigt und in das Schweißprogramm übertragen. Die Ultraschallbearbeitungsvorrichtung ist somit für den Schweißvorgang einjustiert. Die Parameter Vorschub, Amplitude und Druck werden dabei fest vorgegeben, je nach Material bzw. Materialstärke wird der Leistungsschwellenwert variiert. Im Ergebnis ist nach der Erfindung somit eine automatische Schweißspaltermittlung zur schnellen Einrichtung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung vorgesehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sonotrodenelement
    2
    Ambosselement
    3
    Generator
    4
    Regelung
    5
    Ambossträgerelement
    6
    Führungselement
    7
    Stellantrieb
    8
    Federelement
    9
    Distanzelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 60224088 T2 [0002, 0004]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Einstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung, bei dem ein zu bearbeitendes Material zwischen einem Sonotrodenelement (1) und einem Ambosselement (2) positioniert wird, bei dem mit einem Generator (3) eine Leistung auf das Sonotrodenelement (1) übertragen wird und bei dem zur Erreichung einer vorgegebenen Amplitude des Sonotrodenelements (1) ein Abstand zwischen dem Sonotrodenelement (1) und dem Ambosselement (2) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Sonotrodenelement (1) und dem Ambosselement (2) so lange variiert wird, bis die vom Generator (3) an das Sonotrodenelement (1) abgegebene Leistung einem vorgegebenen, materialangepassten Leistungsschwellenwert entspricht.
  2. Verfahren nach Ansppruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zur Erreichung des Leistungsschwellenwertes schrittweise verkleinert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschwellenwert an der Vorrichtung eingegeben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialangabe an der Vorrichtung eingegeben wird, wobei aus dieser Materialangabe mit Hilfe einer gespeicherten Zuordnungseinheit der Leistungsschwellenwert ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Sonotrodenelements (1) an der Vorrichtung eingegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise das Sonotrodenelement (1) und/oder das Ambosselement (2) druckbeaufschlagt werden, wobei ein Druckwert an der Vorrichtung einstellbar ist oder eingegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise das Sonotrodenelement (1) und/oder das Ambosselement (2) drehbar angetrieben gelagert sind und ein Vorschubwert an der Vorrichtung eingegeben wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung einmalig bei einer ersten Inbetriebnahme der Vorrichtung oder nach einem Materialwechsel durchgeführt wird.
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