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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schneidkopf für eine Ultraschallschneidvorrichtung sowie eine Ultraschallschneidvorrichtung mit einem solchen Schneidkopf.
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Ultraschallschneidvorrichtungen sind grundsätzlich bekannt. Sie werden z. B. eingesetzt, um Halbzeuge für Faserverbundwerkstoffe zuzuschneiden. Dabei werden insbesondere dreidimensional komplexe Geometrien von Faserverbundhalbzeugen an ihrem Rand zugeschnitten. Dieser Beschnitt erfolgt häufig durch Ultraschallschneidvorrichtungen, welche eine Robotermechanik aufweisen. Eine solche Robotermechanik, insbesondere ein Roboterarm, kann z. B. um bis zu sechs Achsen bewegbar ausgelegt sein. Am Ende eines solchen Roboterarms ist typischerweise der Schneidkopf angeordnet, um den Beschnittvorgang durchzuführen.
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Nachteilhaft bei bekannten Ultraschallschneidvorrichtungen ist es, dass sehr aufwendige Bewegungsverläufe von dem Schneidkopf durch die Ultraschallschneidvorrichtung durchgeführt werden müssen. Ist z. B. ein Roboterarm vorgesehen, so müssen bei komplexen Geometrien sehr große und weitschleifende Schneidbewegungen durchgeführt werden. Dies führt zu einem erhöhten Platzbedarf bei der Aufstellung einer solchen Ultraschallschneidvorrichtung. Auch nachteilhaft dabei ist es, dass die raumgreifende Bewegungsnotwendigkeit der Ultraschallschneidvorrichtung mit einem relativen hohen Zeitbedarf einhergeht. Bei der Durchführung des Schneidvorgangs an einem Halbzeug, z. B. in Form eines Faserverbundhalbzeugs, ist jedoch der Zeitaufwand für die Nachführung des Schneidkopfes entscheidend für den gesamten Zeitbedarf. Somit führen der erhöhte Bewegungsbedarf und damit der vergrößerte Zeitbedarf zu einer Verlängerung der Taktzeiten bei der Durchführung des Beschnittes. Darüber hinaus wird durch den erhöhten Bewegungsbedarf für den Roboterarm der Ultraschallschneidvorrichtung auch eine erhöhte Beanspruchung der einzelnen Gelenke sowie ein erhöhter Verschleiß eines Schlauchpakets, zur Medienversorgung entlang des Roboterarms erzielt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schneidkopf für eine Ultraschallschneidvorrichtung sowie eine solche Ultraschallschneidvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche in kostengünstiger und einfacher Weise einen reduzierten Platzbedarf und/oder eine verringerte Bearbeitungszeit für den Beschnitt von Faserverbundhalbzeugen ermöglichen.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein einen Schneidkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Ultraschallschneidvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schneidkopf beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ultraschallschneidvorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Ein erfindungsgemäßer Schneidkopf für eine Ultraschallschneidvorrichtung weist ein Ultraschallsystem mit einem Schneidmesser und einer Sonotrode auf. Ein erfindungsgemäßer Schneidkopf zeichnet sich dadurch aus, dass das Ultraschallsystem drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist.
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Die Ultraschallschneidvorrichtung ist dabei vorzugsweise in bekannter Art ausgeführt. Der Schneidkopf kann z. B. an einem Ende eines Roboterarms der Ultraschallschneidvorrichtung angeordnet werden. Dabei ist das Ultraschallsystem selbst ebenfalls in bekannter Weise ausgebildet. So ist es mit einem Schneidmesser und einer Sonotrode versehen, welche gemeinsam den Beschnitt durchführen. Das Schneidmesser selbst weist dabei wenigstens eine Schneide auf, welche den Beschnitt direkt durchführt. Um die Haltbarkeit der Schneide des Schneidmessers zu verlängern und gleichzeitig die Geschwindigkeit des Schneidvorgangs zu verbessern, ist dieses Schneidmesser mit der Sonotrode fest verbunden. Die Sonotrode ist ausgebildet, um eine hochfrequente Schwingung am Schneidmesser und an sich selbst zu erzeugen. Mit anderen Worten wird das Schneidmesser durch die hochfrequente Schwingung der Sonotrode ebenfalls in Schwingung versetzt. Damit werden Schneidbewegungen bzw. Sägebewegungen im Mikrometerbereich an der Schneide des Schneidmessers erzeugt. Bewegt sich nun ein solches Schneidmessers eines Ultraschallsystems mit dem Schneidkopf für den Beschnitt eines Faserverbundhalbzeugs an dessen Rand entlang, so kann mit erhöhter Standzeit und auch mit erhöhter Geschwindigkeit der Randbeschnitt durchgeführt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf ist jedoch im Vergleich zu bekannten Schneidköpfen das Ultraschallsystem drehbar um eine Rotationsachse gelagert. Das bedeutet, dass eine, insbesondere aktive, Rotation des Ultraschallsystems und damit vor allem der Schneide des Schneidmessers erfolgen kann. Durch eine Rotation der Schneide des Schneidmessers kann ein Nachführen auch komplexer Geometrien zumindest teilweise durch die Rotation des Ultraschallsystems erfolgen. Sofern die Nachführung bei komplexen Geometrien zumindest teilweise durch eine Rotation des Ultraschallsystems gegeben ist, reicht dementsprechend ein reduziertes Nachführen durch einen Roboterarm der Ultraschallschneidvorrichtung aus.
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Es kann zusammengefasst werden, dass mit einem erfindungsgemäßen Schneidkopf zumindest ein Teil der notwendigen Bewegung während des Randbeschnitts für das Schneidmesser durch die Rotation des Ultraschallsystems zur Verfügung gestellt werden kann. Dementsprechend reduziert sich um diesen Anteil der notwendige Bewegungsbedarf für den Roboterarm der Ultraschallschneidvorrichtung. Die notwendige Bewegung der Schneide teilt sich also auf in eine Bewegung durch Rotation des Ultraschallsystems und eine Bewegung durch die Ultraschallschneidvorrichtung bzw. den Roboterarm. Dementsprechend wird der notwendige Bewegungsbedarf seitens eines Roboterarms der Ultraschallschneidvorrichtung deutlich reduziert. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass durch die Drehbarkeit des Messers und die symmetrische Schneidenform das Messer nach jedem Schnitt gedreht werden kann, um eine gleichmäßige Abnutzung der Schneiden zu erreichen. Dies führt zu einer Standzeiterhöhung des Messers.
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Durch die Reduktion der Bewegungsnotwendigkeit eines Roboterarms der Ultraschallschneidvorrichtung wird auch der notwendige Platzbedarf reduziert. Durch die reduzierte Bewegung verringert sich dementsprechend auch die Bearbeitungszeit, da die notwendige Bewegung durch den Roboterarm in geringerer Zeit durchgeführt werden kann. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass eine Rotationsbewegung des Ultraschallsystems selbst aufgrund der kompakten Abmessungen des Schneidkopfes deutlich schneller und vor allem platzsparend im Vergleich zu einer entsprechenden Bewegung der Ultraschallschneidvorrichtung durchgeführt werden kann. Dementsprechend wird durch einen erfindungsgemäßen Schneidkopf eine reduzierte Taktzeit und insbesondere auch gleichzeitig ein verringerter notwendiger Bauraum für die Ultraschallschneidvorrichtung möglich.
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Bei der rotatorischen Lagerung des Ultraschallsystems ist insbesondere die rotatorische Lagerung des Schneidmessers und dessen Schneide wichtig. Da jedoch Schneidmesser und Sonotrode häufig fest miteinander verbunden sind, um die hochfrequente Schwingung von der Sonotrode auf das Schneidmesser zu übertragen, ist vorzugsweise das gesamte Ultraschallsystem drehbar um die Rotationsachse lagerbar. Dies reduziert die Komplexität eines der notwendigen Bewegung des Roboterarms weiter.
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Dabei kann das Schneidmesser eine oder auch mehrere Schneiden aufweisen. Es ist bevorzugt, dass zumindest eine der Schneiden spitzwinklig zur Rotationsachse angeordnet ist, um den Effekt der rotatorischen Bewegung des Ultraschallsystems noch weiter zu verstärken.
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Selbstverständlich kann der Schneidkopf mit einer mechanischen Schnittstelle oder einer andersartig gestalteten Schnittstelle ausgebildet sein, um von der Ultraschallschneidvorrichtung gegriffen bzw. an dieser befestigt zu werden. Eine solche Schnittstelle kann z. B. eine mechanische Standardschnittstelle sein, so dass der Schneidkopf von einem Standardroboterarm gegriffen werden kann. Die Ultraschallschneidvorrichtung ist dabei vorzugsweise zumindest mit einer Robotervorrichtung bzw. einem Roboterarm versehen.
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Als Anregung für das Ultraschallsystem sind insbesondere Frequenzen im Bereich von ca. 20 kHz vorgesehen. Die Lagerung des Ultraschallsystems ist vorzugsweise in drehbarer Weise innerhalb eines Gehäuses oder eines Plattensystems des Schneidkopfes angeordnet. Dabei können unterschiedlichste Lagerungssysteme bzw. Lagermittel eingesetzt werden, wie dies später noch erläutert wird. Die Drehbarkeit um die Rotationsachse muss dabei nicht zwangsläufig beliebig bzw. frei sein. Vielmehr kann es ausreichen, wenn eine Drehbarkeit um ± 180° oder sogar noch weniger gegeben ist. Jedoch ist auch eine Drehbarkeit um im Wesentlichen volle 360° denkbar. Insbesondere mit Bezug auf die notwendige Medienversorgung (insbesondere die Stromversorgung) des Ultraschallsystems, kann eine reduzierte Drehbarkeit in einem vordefinierten Drehbereich Vorteile mit sich bringen. Die Drehachse bzw. die Rotationsachse des Ultraschallsystems bildet also eine zusätzliche Rotationsachse. Weist die Ultraschallschneidvorrichtung einen Roboterarm mit üblicherweise bis zu sechs Drehachsen auf, so bildet die Rotationsachse des Ultraschallsystems sozusagen zusätzlich eine siebte Drehachse aus.
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Ein erfindungsgemäßer Schneidkopf kann dahingehend weitergebildet werden, dass das Ultraschallsystem einen Booster für die Umwandlung einer elektrischen Schwingung in eine mechanische Schwingung aufweist. Ein solcher Booster dient dazu, eine elektrische Schwingung, welche z. B. von einem Generator erzeugt wird, in die notwendige mechanische Schwingung an der Sonotrode umzuwandeln. Somit ist der Booster vorzugsweise ebenfalls Bestandteil des Ultraschallsystems, so dass sich der Booster gemeinsam mit der Sonotrode und dem Schneidmesser um die Rotationsachse bewegen lässt. Der Booster kann z. B. ein Piezosystem aufweisen, welches in der Lage ist ankommende elektrische Schwingungen in die gewünschten mechanischen Schwingungen umzuwandeln. Dabei ist der Generator vorzugsweise separat vom Schneidkopf ausgebildet. Insbesondere kann der Generator sogar separat von der Ultraschallschneidvorrichtung vorgesehen werden und z. B. für eine Vielzahl unterschiedlicher Ultraschallschneidvorrichtungen als Generator zur Verfügung gestellt werden. Die Schwingungen, welche vom Booster in mechanischer Weise erzeugt werden, liegen dabei vorzugsweise im Bereich der Eigenfrequenz der Sonotrode und/oder des Schneidmessers. Dies verbessert die entstehende Frequenzamplitude noch weiter, so dass in gewünschter Weise eine Verbesserung des Schneidvorgangs bei erhöhter Standzeit des Schneidmessers erzielt werden kann.
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Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf das Schneidmesser wenigstens zwei Schneiden aufweist, welche spitzwinklig zur Rotationsachse angeordnet sind. Das Vorsehen eines Schneidmessers mit zumindest zwei Schneiden verdoppelt sozusagen mindestens die Anzahl der Schneiden. Diese Schneiden sind vorzugsweise mit unterschiedlichem Winkel spitzwinklig zur Rotationsachse ausgerichtet. Damit kann die Flexibilität beim Einsatz des Schneidmessers noch weiter erhöht werden. Insbesondere kann die notwendige Bewegung um die Rotationsachse reduziert werden, so dass z. B. eine freie Drehbarkeit im Bereich von ± 90° ausreicht. So kann je nach Rotationsposition des Ultraschallsystems und aktueller notwendiger Positionierung der Schneide sowohl die eine als auch die andere der beiden Schneiden eingesetzt werden. Selbstverständlich sind jedoch auch mehr als zwei, z. B. drei oder noch mehr Schneiden im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar.
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Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf gemäß dem voranstehenden Absatz das Schneidmesser in Form eines Dreiecks, insbesondere in Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet ist. Dies reduziert den Kostenaufwand sowie die Komplexität bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Schneidmessers. Ist das Schneidmesser in Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet, so bilden vorzugsweise die beiden gleichen Schenkel gemeinsam die beiden Schneiden aus. Die symmetrische Ausbildung erlaubt ein besonders einfaches und vor allem im Wesentlichen fehlerfreies Einsetzen des Schneidmessers an der Sonotrode. Damit wird die Fehleranfälligkeit bei der Nachrüstung bzw. Wartung eines erfindungsgemäßen Schneidkopfes reduziert.
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Ein weiterer Vorteil wird erzielt, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf die Spitze zwischen den beiden Schneiden auf oder im Wesentlichen auf der Rotationsachse liegt. Damit wird ebenfalls eine Reduktion der Komplexität eines erfindungsgemäßen Schneidkopfes erzielt. Insbesondere erfolgt eine Weitergabe der mechanischen Schwingung auf beide Schneiden des Schneidkopfes in gleicher Weise. Bei der Regelung des Schneidvorgangs muss somit nicht mehr unterschieden werden, welche der beiden Schneiden momentan im Schneideingriff steht. Die beiden Schneiden sind also komplett durch die Rotationsachse getrennt. Der Schnittpunkt der Verlängerung der beiden Schneiden liegt also auf der Rotationsachse.
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Ebenfalls von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf zumindest eine Schnittstelle, insbesondere eine mechanische Schnittstelle für die Anbindung an die Ultraschallschneidvorrichtung und/oder eine Medienschnittstelle für die Versorgung des Ultraschallsystems mit Medien, ausgebildet ist. Eine solche Schnittstelle erlaubt die Anbindung insbesondere an bereits bestehende Ultraschallschneidvorrichtungen bzw. an bekannte Roboterarme. Eine mechanische Schnittstelle ist dabei die Befestigung des Schneidkopfes an dem Roboterarm einer Ultraschallschneidvorrichtung. Dies kann z. B. in formschlüssiger Weise zur Verfügung gestellt werden. Die Medienschnittstelle ist vorzugsweise über Steckvorrichtungen ausgebildet. Unter der Medienversorgung ist dabei insbesondere die Verbindung zur Versorgung mit Strom oder ähnlichen Medien, darunter auch der Ultraschallfrequenz, zu verstehen.
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Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf zumindest eine Antriebsvorrichtung vorgesehen ist, welche für die Bewegung des Ultraschallsystems um die Rotationsachse ausgebildet ist. Diese Antriebsvorrichtung kann z. B. ein Elektromotor, insbesondere ein elektrischer Schrittmotor oder ein Frequenzumrichter sein. Dieser ist so klein ausgestaltet, dass er Teil des Schneidkopfes ist, insbesondere innerhalb eines Gehäuses des Schneidkopfes angeordnet ist. Die Versorgung dieser Antriebsvorrichtung erfolgt vorzugsweise über die bereits beschriebene Medienschnittstelle.
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Ebenfalls von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf das Ultraschallsystem über Lagermittel, insbesondere in Form eines Wälzlagers und/oder eines Gleitlagers, drehbar um die Rotationsachse gelagert ist. Wälzlager und Gleitlager sind dabei besonders kostengünstige Ausführungsformen solcher Lagermittel. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Lagermittel im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Die Lagerung erfolgt dabei vorzugsweise in einem Gehäuse des Schneidkopfes oder einer entsprechenden Lagerplatte des Schneidkopfes.
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Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf zumindest eine Schleppverbindung vorgesehen ist, um das drehbar gelagerte Ultraschallsystem mit Medien zu versorgen. Diese Schleppverbindung ist an einem Ende mit dem Ultraschallsystem und am anderen Ende mit einer Steckverbindung vorgesehen, wobei die Steckverbindung vorzugsweise die Medienschnittstelle ausbildet. Die Schleppverbindung erlaubt also einen relativ zum Schneidkopf stehenden Anschluss in Form der Medienschnittstelle und einen relativ dazu rotierenden Anschluss an das Ultraschallsystem. So kann z. B. eine Kabelkanalkette zur Verfügung gestellt werden, welche die Schleppverbindung ausbildet. Dabei ist die Beweglichkeit der Schleppverbindung vorzugsweise an den maximalen Drehwinkel des Ultraschallsystems relativ zu dessen Rotationsachse angepasst.
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Ein weiterer Vorteil wird erzielt, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schneidkopf zwischen der Rotationsachse und einer Anbindungsachse an die Ultraschallschneidvorrichtung, insbesondere eine Anbindungsachse der mechanischen Schnittstelle, ein Parallelversatz ausgebildet ist. Das bedeutet, dass Rotationsachse und Anbindungsachse nicht koaxial zueinander liegen. Ist die mechanische Schnittstelle zur Anbindung an einen Roboterarm durchgeführt, so kann die Beabstandung in paralleler Weise eine größere Freiheit bei der Durchführung der Beschneidung bieten. Die Anbindungsachse ist dabei vorzugsweise ebenfalls eine Rotationsachse, z. B. die sechste Achse eines Roboterarms.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ultraschallschneidvorrichtung, aufweisend einen Schneidarm und zumindest einen Schneidkopf, welcher an dem Schneidarm befestigt ist. Eine erfindungsgemäße Ultraschallschneidvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schneidkopf in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet ist. Dementsprechend bringt eine erfindungsgemäße Ultraschallschneidvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Schneidkopf erläutert worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneidkopfes und
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2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschallschneidvorrichtung.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneidkopfes 10 dargestellt. Dieser weist ein Ultraschallsystem 20 auf. Das Ultraschallsystem 20 ist mit einem Schneidmesser 22 und einer stabförmigen Sonotrode 24 ausgeführt. Darüber hinaus ist ein Booster 26 vorgesehen, welcher in der Lage ist, eine elektrisch erzeugte bzw. ankommende Schwingung, z. B. in Form eines Piezosystems, in eine mechanische Schwingung für die Sonotrode 24 umzuwandeln.
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Bei dieser Ausführungsform ist das Schneidmesser 22 im Wesentlichen als gleichschenkliges Dreieck ausgebildet. Die beiden gleichen Schenkel dieses gleichschenkligen Dreiecks werden durch zwei Schneiden 22a und 22b gebildet. Dabei liegt die Spitze S dieses gleichschenkligen Dreiecks auf der Rotationsachse R. Um diese Rotationsachse R ist das gesamte Ultraschallsystem 20 drehbar am Schneidkopf 10 gelagert.
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Um die Drehbarkeit um die Rotationsachse R aktiv zur Verfügung und insbesondere auch regeln zu können, ist eine Antriebsvorrichtung 40 vorgesehen. Diese ist z. B. in elektromotorischer Weise ausgebildet und dementsprechend drehmomentübertragend mit dem Ultraschallsystem 20 verbunden.
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Darüber hinaus weist der Schneidkopf 10 dieser Ausführungsform eine Schnittstelle 30 in Form einer mechanischen Schnittstelle auf. An dieser kann ein nicht dargestellter Roboterarm einer Ultraschallschneidvorrichtung 100 angreifen. Dabei erfolgt gleichzeitig die Möglichkeit der Rotation um diese mechanische Schnittstelle 30, also um eine entsprechende Anbindungsachse A. Wie der 1 gut zu entnehmen ist, liegt ein paralleler Versatz vor zwischen der Rotationsachse R und der Anbindungsachse A. Bei Rotation auf Basis dieses parallelen Versatzes kann dementsprechend eine höhere Flexibilität beim Einsatz für einen Beschneidungsvorgang erzielt werden.
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2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschallschneidvorrichtung 100. Diese ist mit einem Roboterarm in Form eines Schneidarms 110 versehen. Am Ende dieses Schneidarms 110 ist ein Schneidkopf 10 mit einem Schneidmesser 20 angeordnet. Dabei ist dieser Schneidkopf vorzugsweise ausgebildet, wie es die 1 zeigt.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schneidkopf
- 20
- Ultraschallsystem
- 22
- Schneidmesser
- 22a
- Schneide
- 22b
- Schneide
- 24
- Sonotrode
- 26
- Booster
- 30
- Schnittstelle
- 40
- Antriebsvorrichtung
- 100
- Ultraschallschneidvorrichtung
- 110
- Schneidarm
- A
- Anbindungsachse
- R
- Rotationsachse
- S
- Spitze
