DE102014102685A1

DE102014102685A1 - Ultraschallbearbeitungsvorrichtung mit Kraftsensor

Info

Publication number: DE102014102685A1
Application number: DE102014102685.3A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Vogler
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn mit einer Ultraschallschwingeinheit, die eine Sonotrode und einen gegebenenfalls über einen Amplitudentransformator mit dieser verbundenen Konverter aufweist, und einem Gegenwerkzeug, wobei zur Bearbeitung der Materialbahn diese durch einen Spalt zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug bewegt wird, wobei die Ultraschallschwingeinheit an einem Schlitten befestigt ist, welcher relativ zu dem Gegenwerkzeug bewegbar ist, so dass die Ultraschallschwingeinheit zusammen mit dem Schlitten in Kraftrichtung, d.h. in Richtung des Gegenwerkzeuges oder von diesem weg bewegt werden kann, wobei ein Kraftsensor zum Messen der von der Materialbahn auf die Sonotrode aufgebrachten Kraft vorgesehen ist. Um eine entsprechende Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine genauere Messung der Schweißkraft ermöglicht, um auch Anwendungsfälle mit extrem kleiner Prozessbandbreite mittels Ultraschall kontinuierlich bearbeiten zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass Sonotrode und Schlitten über ein Sensorbauteil miteinander verbunden sind, welches den Kraftsensor aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn.
Solche Ultraschallbearbeitungsvorrichtungen weisen eine Ultraschallschwingeinheit bestehend aus einer Sonotrode, einem Konverter und gegebenenfalls einen Amplitudentransformator auf. Der Konverter ist dabei gegebenenfalls über den Amplitudentransformator mit der Sonotrode verbunden. Der Konverter wandelt eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um. Die einzelnen Elemente der Ultraschallschwingeinheit sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Ultraschallschwingeinheit bei der gewünschten Ultraschallfrequenz eine Resonanzfrequenz, die sogenannte Eigenfrequenz, aufweist. Wird daher der Konverter mit der geeigneten Wechselspannung beaufschlagt, schwingt die Ultraschallschwingeinheit mit der Eigenfrequenz.
Des Weiteren ist ein gegenüber der Sonotrode angeordnetes Gegenwerkzeug vorgesehen. Zur Bearbeitung der Materialbahn wird die Materialbahn durch einen Spalt zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug bewegt. Während der Bearbeitung wird die mit einer Ultraschallfrequenz schwingende Sonotrode in Richtung des Gegenwerkzeuges auf die Materialbahn gedrückt, sodass die Materialbahn zwischen Sonotrode einerseits und Gegenwerkzeug andererseits ultraschallbearbeitet wird.
Zu diesem Zweck ist es notwendig, dass Sonotrode und Gegenwerkzeug relativ zueinander bewegt werden können. So muss beispielsweise der Spalt zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug vergrößert werden, um die Materialbahn in den Spalt einbringen zu können. Während der Bearbeitung wird der Spalt dann entsprechend verkleinert. Daher ist die Ultraschallschwingeinheit an einem Schlitten befestigt, welcher relativ zu dem Gegenwerkzeug bewegbar ist, sodass die Ultraschallschwingeinheit zusammen mit dem Schlitten in Kraftrichtung, d.h. in Richtung des Gegenwerkzeuges oder von diesem weg, bewegt werden kann.
Um ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erhalten, ist es von Vorteil wenn die Sonotrode mit einer vorbestimmten Schweißkraft auf die Materialbahn gedrückt wird.
Daher ist bereits in der DE 197 53 740 eine Vorrichtung vorgeschlagen worden, die einen Kraftsensor zum Messen der von der Materialbahn auf die Sonotrode aufgebrachten Kraft aufweist. Bei dieser Vorrichtung wird der Schlitten über ein Kniehebelsystem angetrieben und der Sensor ist innerhalb des Kniehebelsystems angeordnet.
Diese Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass die Kraftmessung aufgrund von Reibungskräften zwischen Schlitten und Schlittenführung sowie innerhalb des Kniehebelsystems eine große Hysterese aufweist. Darüber hinaus lassen sich mit der bekannten Anordnung Querkräfte, d.h. Kräfte, die die Materialbahn senkrecht zur Kraftrichtung auf die Sonotrode ausübt, nicht messen.
Es gibt jedoch Anwendungsfälle mit einer sehr geringen Prozessbandbreite. Z. B. sind Anwendungen denkbar, die eine Schweißkraft von 200 N erfordern, bei denen bei einer Schweißkraft von nur 195 N keine vollständige Verschweißung mehr erfolgt und bei einer Schweißkraft von 205 N bereits eine partielle Beschädigung des Materials erfolgt.
Diese Anwendungsfälle sind bislang nicht mittels kontinuierlichem Ultraschallbearbeiten handhabbar.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine genauere Messung der Schweißkraft ermöglicht, um auch Anwendungsfälle mit extrem kleiner Prozessbandbreite mittels Ultraschall kontinuierlich bearbeiten zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Sonotrode und Schlitten über ein den Kraftsensor aufweisendes Sensorbauteil miteinander verbunden sind.
Erfindungsgemäß wird daher die Position des Kraftsensors vom Kniehebel in Richtung Sonotrode verlegt und zwar in eine Position zwischen Sonotrode und Schlitten. An dieser Position kann der Kraftsensor eine Bewegung der Sonotrode relativ zum Gegenwerkzeug unmittelbar erfassen, die aufgrund einer Änderung der Schweißkraft erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Sonotrode und Schlitten über ein zwei Kraftsensoren aufweisendes Sensorbauteil miteinander verbunden. Dabei ist ein Kraftsensor derart angeordnet, dass die von dem zu bearbeitenden Material parallel zur Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachte Kraft gemessen wird, während der andere Kraftsensor derart angeordnet ist, dass die von dem zu bearbeitenden Material senkrecht zur Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachte Kraft gemessen wird.
Aufgrund der Positionierung des Sensorbauteils in unmittelbarer Nähe zur Sonotrode ist es sogar möglich, mittels zwei Kraftsensoren sowohl die Kraft parallel zur Kraftrichtung als auch die Kraft senkrecht zur Kraftrichtung zu messen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Kraftsensoren eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Antrieb zum Bewegen des Schlittens parallel zur Kraftrichtung vorgesehen, wobei vorzugsweise der Antrieb über ein Kraftumlenkungssystem, wie zum Beispiel ein Kniehebelsystem, mit dem Schlitten verbunden ist. Eine solche Anordnung ist beispielsweise der bereits zitierten DE 197 53 740 C1 zu entnehmen. Dabei ist der Schlitten derart in einer Führung positioniert, dass er sich relativ zum Maschinenständer nur in Kraftrichtung nicht jedoch senkrecht dazu bewegen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Sensorbauteil aus zwei über mindestens zwei elastische Verbindungselemente miteinander verbundenen Plattenelementen, wobei ein Plattenelement mit der Ultraschallschwingeinheit und das andere Plattenelement mit dem Schlitten verbunden ist. Dabei ist am besten der mindestens eine Kraftsensor an einem Verbindungselement befestigt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das eine Verbindungselement näher am Gegenwerkzeug angeordnet ist als das andere Verbindungselement, wobei dann vorzugsweise zwei Kraftsensoren vorgesehen sind und ein Kraftsensor derart am Verbindungselement, welches weiter von dem Gegenwerkzeug entfernt angeordnet ist, positioniert ist, dass die von dem zu bearbeitenden Material parallel zur Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachte Kraft gemessen wird, und der andere Kraftsensor derart an dem Verbindungselement, welches näher am Gegenwerkzeug angeordnet ist, positioniert ist, dass die von dem zu bearbeitenden Material senkrecht zur Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachte Kraft gemessen wird.
Die Verbindungselemente können beispielsweise als elastische Verbindungsstege ausgebildet sein, die die beiden Plattenelemente miteinander verbinden, sodass bei einer von der Materialbahn auf die Sonotrode ausgeübten Kraft es zu einer Relativbewegung der beiden Plattenelemente zueinander kommt, wobei sich die Verbindungselemente verformen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens vier Verbindungselemente die Plattenelemente miteinander verbinden, wobei jeweils zwei Verbindungselemente vom Gegenwerkzeug gleich beabstandet sind. Durch die paarweise Anordnung der Verbindungselemente wird der Sensorplatte und damit der Verbindung zwischen Sonotrode und Schlitten mehr Stabilität verliehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Plattenelemente parallel zueinander angeordnet, wobei sie vorzugsweise sogar im Wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind und am besten ein Plattenelement eine Ausnehmung aufweist, in der das andere Plattenelement angeordnet ist.
Dabei kann die Ausnehmung prinzipiell beliebig ausgebildet sein. So ist beispielsweise eine O-förmige Ausnehmung denkbar, d.h. ein äußeres Plattenelement umgibt das innerhalb der O-förmigen Ausnehmung angeordnete innere Plattenelemente vollumfänglich. Stattdessen wäre jedoch auch eine U-förmige Ausnehmung, bei der das äußere Plattenelement das innere Plattenelement nur an drei Seiten umgibt, oder eine L-förmige Ausnehmung, bei der das äußere Plattenelement das innere Plattenelement nur an zwei Seiten umgibt, denkbar.
Um ein gutes Schweißergebnis zu erzielen, ist grundsätzlich eine hohe Steifigkeit der Verbindung zwischen Sonotrode und Maschinenständer notwendig. Allerdings erfordert die erfindungsgemäße Anordnung der Sensorplatte eine gewisse Beweglichkeit, da nur dann die Kraft gemessen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die Beweglichkeit der beiden Plattenelemente zueinander sowohl in Kraftrichtung als auch in einer Richtung, senkrecht zur Kraftrichtung kleiner als 20µm/kN, vorzugweise kleiner als 10 µm/kN und am besten kleiner als 3 µm/kN sein sollte.
Der Kraftsensor kann in einer bevorzugten Ausführungsform einen Dehnungsmessstreifen aufweisen, der die Verformung der Verbindungselemente misst und daraus Rückschlüsse auf die Kraft erlaubt, die von der Materialbahn auf die Sonotrode ausgeübt wird.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
2 eine Schnittansicht der Ausführungsform von 1,
3, 3a, 3b eine perspektivische Ansicht und Detailvergrößerungen eines Sensorbauteils, wie es in der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform zum Einsatz kommt,
4 eine perspektivische Ansicht des Sensorbauteils von 4 während einer Verformung in Längsrichtung, und
5 eine perspektivische Ansicht des Sensorbauteils von 3 während einer Verformung durch eine Querkraft.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung 1.
In 2 ist eine lokal geschnittene Seitenansicht von 1 dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Sonotrode 2 auf, die über einen Amplitudentransformator 4 mit dem Konverter 3 verbunden ist. Die Ultraschallschwingeinheit, welche aus der Sonotrode 2, dem Amplitudentransformator 4 und dem Konverter 3 besteht, ist in einem Halter 5 befestigt. Der Halter 5 wiederum ist über das als Sensorplatte ausgebildete Sensorbauteil 6 mit einem Schlitten 7 befestigt. Der Schlitten 7 kann relativ zu dem Maschinenständer in vertikaler Richtung bewegt werden. Zu diesem Zweck ist der Schlitten 7 über einen Kniehebelmechanismus 9 mit einem Antriebsmotor 8 verbunden. Der Antriebsmotor 8 bewegt die mit diesem verbundene Stange, welche wiederum über den Kniehebelmechanismus 9 zu einer Vertikalbewegung des Schlittens 7 führt.
In 2 ist schematisch ein walzenförmiges Gegenwerkzeug 16 dargestellt. Die Materialbahn bzw. die Materialbahnen werden zur Bearbeitung zwischen Sonotrode 2 und dem sich um seine Achse drehenden Gegenwerkzeug 16 hindurchgeführt. Dabei übt das zu bearbeitende Material auf die Sonotrode 2 sowohl eine Kraft in Kraftrichtung, die eigentliche Schweißkraft, als auch eine Kraft quer zur Kraftrichtung, die im Wesentlichen durch die Vorwärtsbewegung des Materials durch den Spalt zwischen Sonotrode 2 und Gegenwerkzeug 16 verursacht wird, aus, wie durch die Pfeile in 2 dargestellt ist.
Erfindungsgemäß ist ein Kraftsensor innerhalb der Sensorplatte 6 vorgesehen.
Die Sensorplatte ist in den 3, 3a und 3b in einer perspektivischen Ansicht sowie in zwei Detailansichten dargestellt. Die Sensorplatte 6 besteht aus einem äußeren Plattenelement 10 und einem inneren Plattenelement 11. Die beiden Plattenelemente sind nahezu in einer Ebene angeordnet, sodass das äußere Plattenelement 10 das innere Plattenelement 11 im Wesentlichen vollständig umgibt.
Sowohl das innere als auch das äußere Plattenelement 10, 11 weisen Befestigungslöcher auf. Eines der beiden Plattenelemente, zum Beispiel das innere Plattenelement 11, wird an dem Schlitten 7 befestigt, während das andere Plattenelement, zum Beispiel das äußere Plattenelement 10, am Halter 5 befestigt wird. Die beiden Plattenelemente 10, 11 sind über Verbindungselemente 13, 14 miteinander verbunden.
Allerdings sind in der gezeigten Ausführungsform die beiden Plattenelemente geringfügig zueinander versetzt angeordnet, d. h. sie liegen nicht exakt in einer Ebene. Solch ein Ausgestaltung ermöglicht eine Befestigung an Schlitten und Sonotrode, welche sicherstellt, dass jeglicher Kraftübertrag, der von der Kraft von der Materialbahn hervorgerufen wird, einzig und allein über die Verbindungselemente 12, 14 erfolgt.
In 3a ist eine Vergrößerung des Details A aus 3 gezeigt. Man erkennt dort das Verbindungselement 14, welches das innere Plattenelement 11 mit dem äußeren Plattenelement 10 verbindet. An diesem Verbindungselement 14 sind hier zudem zwei Kraftsensoren in Form von Dehnungsmessstreifen 15 angeordnet.
In 3b ist eine Ansicht des Details B aus 3 dargestellt. Man erkennt hier, dass zwei Verbindungselemente 12 das innere Plattenelement 11 mit dem äußeren Plattenelement 10 verbinden. Auch hier sind jedem Verbindungselement 12 Kraftsensoren 13 zugeordnet. Das Sensorbauteil ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer Längsachse ausgebildet, d.h. es gibt zwei Verbindungselementpaare, wie sie in 3b dargestellt sind und zwei gegenüberliegende Verbindungselemente 14, wie eines in 3a dargestellt ist.
In 4 ist eine schematische Darstellung der Sensorplatte 6 gezeigt, die die Situation bei einer in Längsrichtung bzw. Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachten Kraft darstellt. Diese Richtung ist in der Figur durch einen Pfeil gekennzeichnet. Wird auf die Sonotrode 2 eine in Längsrichtung wirkende Kraft von der Materialbahn aufgebracht, so führt dies aufgrund der Verbindung zwischen Sonotrode 2 bzw. Halter 5 mit dem äußeren Plattenelement 10 zu einer Verformung der Verbindungselemente 12, 14. Das innere Plattenelement 11 ist mit dem fest positionierten Schlitten 7 verbunden. Man erkennt insbesondere im Bereich der Verbindungselemente 14, dass diese als Stege ausgebildeten Verbindungselemente verformt werden. Diese Verformung kann mit Hilfe der an den Verbindungselementen 14 angeordneten Kraft-sensoren 15 gemessen werden.
In 5 ist die Situation gezeigt, die auftritt, wenn eine senkrecht zur Kraftrichtung wirkende Kraft auf die Sonotrode aufgebracht wird. Diese Richtung ist in der Figur durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Da die Sonotrode 2 über den Halter 5 mit dem äußeren Plattenelement 10 verbunden ist, während das innere Plattenelement 11 mit dem Schlitten 7 verbunden ist, führt eine Kraft senkrecht zur Kraftrichtung auf die Sonotrode zu der in 5 gezeigten Verformung. Diese findet im Wesentlichen im unteren Bereich, d.h. im Bereich der Verbindungselemente 14, statt, da aufgrund der Hebelwirkung dort der größte Kraftübertrag stattfindet. Mit den an den Verbindungselementen 14 befestigten Kraftsensoren 15 lassen sich somit im Wesentlichen Querkräfte messen, während mit Hilfe der an den Verbindungselementen 12 befestigten Kraftsensoren 13 sich im Wesentlichen in Kraftrichtung wirkende Kräfte messen lassen.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungsvorrichtung
2: Sonotrode
3: Konverter
4: Amplitudentransformator
5: Halter
6: Sensorplatte / Sensorbauteil
7: Schlitten
8: Antriebsmotor
9: Kniehebelmechanismus
10: äußeres Plattenelement
11: inneres Plattenelement
12, 14: Verbindungselement
13, 15: Kraftsensoren
16: Gegenwerkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19753740 [0006]
DE 19753740 C1 [0015]

Claims

Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn mit einer Ultraschallschwingeinheit, die eine Sonotrode und einen gegebenenfalls über einen Amplitudentransformator mit dieser verbundenen Konverter aufweist, und einem Gegenwerkzeug, wobei zur Bearbeitung der Materialbahn diese durch einen Spalt zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug bewegt wird, wobei die Ultraschallschwingeinheit an einem Schlitten befestigt ist, welcher relativ zu dem Gegenwerkzeug bewegbar ist, so dass die Ultraschallschwingeinheit zusammen mit dem Schlitten in Kraftrichtung, d.h. in Richtung des Gegenwerkzeuges oder von diesem weg bewegt werden kann, wobei ein Kraftsensor zum Messen der von der Materialbahn auf die Sonotrode aufgebrachten Kraft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Sonotrode und Schlitten über ein Sensorbauteil miteinander verbunden sind, welches den Kraftsensor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sonotrode und Schlitten über ein zwei Kraftsensoren aufweisendes Sensorbauteil miteinander verbunden sind, wobei ein Kraftsensor derart angeordnet ist, dass die von dem zu bearbeitenden Material parallel zur Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachte Kraft gemessen wird, und der andere Kraftsensor derart angeordnet ist, dass die von dem zu bearbeitenden Material senkrecht zur Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachte Kraft gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb zum Bewegen des Schlittens parallel zur Kraftrichtung vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der Antrieb über ein Kraftumlenkungssystem, wie zum Beispiel ein Kniehebelsystem, mit dem Schlitten verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorbauteil aus zwei über mindestens zwei Verbindungselemente miteinander verbundene Plattenelementen besteht, wobei ein Plattenelement mit der Ultraschallschwingeinheit und das andere Plattenelement mit dem Schlitten verbunden ist, wobei der mindestens eine Kraftsensor an einem Verbindungselement befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Verbindungselement näher am Gegenwerkzeug angeordnet ist als das andere Verbindungselement, wobei vorzugweise zwei Kraftsensoren vorgesehen sind und ein Kraftsensor derart am Verbindungselement, welches weiter von dem Gegenwerkzeug entfernt angeordnet ist, positioniert ist, dass die von dem zu bearbeitenden Material parallel zur Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachte Kraft gemessen wird, und der andere Kraftsensor derart am Verbindungselement, welches näher am Gegenwerkzeug angeordnet ist, positionier ist, dass die von dem zu bearbeitenden Material senkrecht zur Kraftrichtung auf die Sonotrode aufgebrachte Kraft gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 4 Verbindungselemente, über die die Plattenelemente miteinander verbunden sind, vorgesehen sind, wobei jeweils 2 Verbindungselemente vom Gegenwerkzeug gleich beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Plattenelemente im Wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind, wobei vorzugsweise ein Plattenelement eine Ausnehmung aufweist, in der das andere Plattenelement angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kraftsensor einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beweglichkeit der beiden Plattenelemente zueinander sowohl in Kraftrichtung als auch in einer Richtung, senkrecht zur Kraftrichtung kleiner als 20µm/kN, vorzugweise kleiner als 10 µm/kN und am besten kleiner als 3 µm/kN sein sollte.