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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fühlerlehre zur Überprüfung der Parallelität von zwei zueinander zugewandten Schweißflächen einer Materialbearbeitungsmaschine sowie ein Verfahren zum parallelen Ausrichten der Siegelfläche einer Sonotrode mit der Siegelfläche eines Gegenwerkzeuges.
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Bei der Materialbearbeitung mittels Ultraschalls wird ein zu bearbeitendes Werkstück oder eine zu bearbeitende Materialbahn zwischen einer Sonotrode und einem Gegenwerkzeug angeordnet. Für die Bearbeitung wird die Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt und über Sonotrode oder Gegenwerkzeug eine Kraft auf das zu bearbeitende Werkstück ausgeübt.
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Insbesondere bei der Ultraschallbearbeitung von Materialbahnen ist es für eine zuverlässige Bearbeitung notwendig, dass die korrespondierenden Siegelfläche von Sonotrode und Gegenwerkzeug, d.h. diejenigen Flächen, die mit der Materialbahn in Kontakt treten, parallel zueinander ausgerichtet sind.
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In den meisten Fällen hat die Siegelfläche eine längliche Ausdehnung, so dass sich Fehlanpassungen in der Parallelität der gegenüberliegenden Siegelfläche insbesondere in Längsrichtung negativ bemerkbar machen.
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Daher werden entsprechende Ultraschallbearbeitungsmaschinen vor der eigentlichen Materialbearbeitung zunächst parallel ausgerichtet. In der Regel weisen dafür Sonotrode und/oder Gegenwerkzeug ein Gelenk auf, das eine Verkippung von Sonotrode und/oder Gegenwerkzeug relativ zu dem anderen Element erlaubt.
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Die parallele Ausrichtung der beiden korrespondierenden Siegelflächen erfolgt dann derart, dass die beiden Siegelflächen sehr dicht zueinander angeordnet werden und dann mit Hilfe von Spionblechen der Abstand zwischen den Siegelfläche in den beiden Endbereichen der Siegelflächen bestimmt wird.
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Unterscheiden sich die Abstände in den Endbereichen, so muss entweder die Sonotrode oder das Gegenwerkzeug verkippt werden und die Überprüfung wiederholt werden. Diese Einrichtung ist sehr zeitintensiv, da in der Regel mit mehreren Spionblechen hantiert werden muss, bis das geeignete Spionblech ausgewählt ist. Daher kann das beschriebene Verfahren häufig nur von erfahrenen Personal durchgeführt werden. Bei dem beschriebenen Verfahren erhält man den Abstand zwischen den Endbereichen der Siegelflächen mit hoher Genauigkeit. Bei einer parallelen Ausrichtung zweier Flächen, die ohnehin im Betrieb relativ zueinander bewegt werden, ist jedoch die Kenntnis des exakten Messwertes überhaupt nicht notwendig. Es genügt vielmehr die Information, dass die Abstände zwischen den Endbereichen gleich oder nicht gleich sind.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Fühlerlehre zur Überprüfung der Parallelität von zwei zueinander zugewandten Schweißflächen einer Materialbearbeitungsmaschine zur Verfügung zu stellen, das die beschriebenen Nachteile zumindest verringert. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum parallelen Ausrichten der Siegelfläche einer Sonotrode mit der Siegelfläche eines Gegenwerkzeuges anzugeben, das eine einfache Ausrichtung erlaubt, die auch von ungeübtem Personal zuverlässig durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Fühlerlehre dadurch gelöst, dass die Fühlerlehre einen Trägerabschnitt und zwei voneinander beanstandete Kontaktabschnitte aufweist, wobei der Trägerabschnitt die beiden Kontaktabschnitte miteinander verbindet und die beiden Kontaktabschnitte eine vorbestimmte Dicke aufweisen.
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Dabei sind die Kontaktabschnitte dafür vorgesehen, sowohl mit der Sonotrode als auch dem Gegenwerkzeug in Kontakt zu treten.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die beiden Kontaktabschnitte die gleiche vorbestimmte Dicke aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Fühlerlehre kann daher auf die Siegelfläche des Gegenwerkzeuges gelegt werden und die Sonotrode kann in Richtung Gegenwerkzeug bewegt werden, bis die Sonotrode zumindest einen der beiden Kontaktabschnitte berührt. Werden beide Kontaktabschnitte gleichzeitig von der Sonotrode berührt, sind die Siegelfläche von Sonotrode und Gegenwerkzeug parallel zueinander ausgerichtet. Berührt hingegen die Sonotrode zunächst nur einen der Kontaktabschnitte, ist der Abstand zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug im Bereich dieses Kontaktabschnittes kleiner als der Abstand im Bereich des anderen Kontaktabschnittes. In der Regel weisen sowohl Sonotrode als auch Gegenwerkzeug eine ebene Siegelfläche auf. In solch einem Fall sollten die Kontaktabschnitte die gleiche vorbestimmte Dicke aufweisen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Trägerabschnitt eine Dicke aufweist, die kleiner als die Dicke der beiden Kontaktabschnitte ist.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sichergestellt ist, dass der Abstand zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug lediglich im Bereich der beiden Kontaktabschnitte bestimmt wird. Mögliche Verunreinigungen zwischen den beiden Kontaktabschnitten verfälschen das Messergebnis nicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kontaktabschnitte zwei gegenüberliegende Flächen aufweisen, die elektrisch leitfähig ausgebildet und zueinander elektrisch isoliert sind.
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In den meisten Fällen sind sowohl Sonotrode als auch Gegenwerkzeug aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt. Sind die gegenüberliegenden Flächen der Kontaktabschnitte elektrisch leitfähig ausgebildet, so kommt es zu einer elektrischen Kontaktierung, sobald Gegenwerkzeug bzw. Sonotrode die dem Gegenwerkzeug bzw. der Sonotrode zugewandte Fläche des entsprechenden Kontaktabschnittes berührt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Einrichtung zur Messung von Spannung oder Strom zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Kontaktabschnitte vorgesehen. So könnte beispielsweise bei beiden Kontaktabschnitten die Spannung zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Kontaktabschnitte gemessen werden. Wird nun zusätzlich zwischen Sonotrode einerseits und Gegenwerkzeug andererseits eine - möglicherweise sehr geringe - Spannung angelegt, so lässt sich diese Spannung zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Kontaktabschnitte messen, sobald der entsprechende Kontaktabschnitt sowohl mit der Sonotrode als auch mit dem Gegenwerkzeug in Kontakt tritt. Es ist daher nun möglich, zunächst die Fühlerlehre auf der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges ist derart zu positionieren, dass die Kontaktabschnitte jeweils in einem Endbereich der Siegelfläche positioniert sind, und dann die Siegelfläche der Sonotrode in Richtung Siegelfläche des Gegenwerkzeuges ist zu bewegen, bis an zumindest einem der Kontaktabschnitte eine Spannung detektiert wird. In demjenigen Endbereich, in welchem der Kontaktabschnitt angeordnet ist, an welchem eine Spannung detektiert wird, ist der Abstand zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug kleiner als in dem anderen Endbereich. Lediglich dann, wenn gleichzeitig an beiden Kontaktabschnitten eine Spannung detektiert wird, ist eine parallele Ausrichtung zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug gegeben.
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In einer besonders praktischen Ausführungsform ist vorgesehen, was die Fühlerlehre aus einem elektrisch isolierenden Grundkörper besteht, auf den beidseitig elektrisch leitfähige Abschnitte aufgebracht sind, welche die Kontaktabschnitte bilden.
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Dabei sollte der elektrisch isolierenden Grundkörper eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, formstabil sein und elektrisch leitfähig beschichtbar sein. Beispielsweise kann der Grundkörper aus einer Keramik oder aus einem Material bestehen, dass typischerweise für Platinen verwendet wird.
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Der Bereich des elektrisch isolierenden Grundkörpers, der keine elektrisch leitfähigen Abschnitt aufweist, bildet dann den Trägerabschnitt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Kontaktabschnitte jeweils eine Piezokeramik auf, welche beidseitig mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist. Am besten sind aufbauend auf den elektrisch leitfähigen Schichten zusätzliche isolierende Schichten aufgebracht.
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Im Grunde genommen bilden die Kontaktabschnitte einen Piezosensor. Sobald die Piezokeramik bzw. der Piezosensor zwischen Gegenwerkzeug und Sonotrode „eingeklemmt“ ist, kommt es in der Piezokeramik zu einer Ladungsverschiebung, die detektiert werden kann.
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Daher ist in einer besonders praktischen Ausführungsform vorgesehen, dass die elektrisch leitfähigen Schichten der Kontaktabschnitte mit einer Einrichtung zur Messung von Spannung oder Strom zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten verbunden sind.
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Die Verwendung einer Piezokeramik bzw. eines Piezosensor hat zudem den Vorteil, dass die Größe der erfassten Spannung oder des erfassten Stromes zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten ein Maß für die Kraft ist, die von der Siegelfläche der Sonotrode an ihrem Endabschnitt auf das Gegenwerkzeug ausgeübt wird.
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In einer besonders praktischen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fühlerlehre aus einem elektrisch isolierenden Grundkörper besteht, in welche zwei Piezosensoren eingebracht sind.
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Grundsätzlich können hier handelsübliche Piezosensoren in den Grundkörper eingebracht werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Ultraschallbearbeitungssystem mit einer Sonotrode und einem Gegenwerkzeug, wobei Sonotrode und Gegenwerkzeug jeweils eine Siegelfläche aufweisen, mit einer Einrichtung zur linearen Bewegung der Sonotrode in Richtung Gegenwerkzeug, einer Einrichtung zum Verkippen der Siegelfläche der Sonotrode oder der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges und einer Fühlerlehre wie eingangs beschrieben.
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Dabei ist vorzugsweise die Länge der Fühlerlehre, die im Wesentlichen durch den Abstand zwischen den beiden Kontaktabschnitten bestimmt wird, auf die Länge der Siegelflächen von Sonotrode und Gegenwerkzeug angepasst.
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Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Siegelflächen von Sonotrode und Gegenwerkzeug jeweils eine Länge und eine Breite aufweisen, wobei die Länge größer als die Breite ist und die Fühlerlehre eine Länge hat, die größer oder gleich der Länge derjenigen Siegelfläche mit der kleinsten Länge hat.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum parallelen Ausrichten der Siegelfläche einer Sonotrode mit der Siegelfläche eines Gegenwerkzeuges mit den Schritten
- A) Bereitstellen eines Ultraschallbearbeitungssystems wie gerade beschrieben,
- B) Anordnen der Fühlerlehre wie oben beschrieben zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges,
- C) Erfassen von Messsignalen an den Kontaktabschnitten der Fühlerlehre,
- D) Aufeinanderzubewegen der beiden Siegelflächen bis eines der Messsignale seinen Wert ändert,
- E) Voneinanderwegbewegen der beiden Siegelflächen,
- F) Verkippen der Siegelfläche der Sonotrode oder der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges,
- G) Wiederholen der Schritte C) bis F) bis in Schritt D) die Messsignale ihren Wert gleichzeitig ändern.
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Die Kontaktabschnitte der Fühlerlehre müssen derart ausgebildet sein, dass anhand der Kontaktabschnitte festgestellt werden kann, ob die gegenüberliegenden Flächen des Kontaktabschnittes sowohl mit dem Gegenwerkzeug als auch mit der Sonotrode in Kontakt treten.
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Im Grunde genommen wird an möglichst weit voneinander entfernten Abschnitten der sich gegenüberstehenden Siegelflächen von Sonotrode und Gegenwerkzeug jeweils ein Kontaktabschnitt der Fühlerlehre positioniert, so dass durch das Verfahren festgestellt werden kann, ob der Abstand zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug in einem Endbereich größer oder kleiner als der Abstand in dem anderen Endbereich ist.
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Wird erfasst, welcher Kontaktabschnitt der Fühlerlehre als erstes sowohl mit Sonotrode als auch gegen Werkzeug in Kontakt tritt und daher ein sich änderndes Messsignale erzeugt, kann dies in Schritt F) verwendet werden, um die relative Kipprichtung zwischen den gegenüberliegenden Siegelflächen zu bestimmen.
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Wenn die Fühlerlehre Kontaktabschnitte mit P zu Sensoren oder P zur Keramiken aufweist, wird die eingangs genannte Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zum parallelen Ausrichten der Siegelfläche einer Sonotrode mit der Siegelfläche eines Gegenwerkzeuges mit den Schritten
- A) Bereitstellen eines Ultraschallbearbeitungssystems wie gerade beschrieben, wobei die Fühlerlehre einen Piezosensor oder eine Piezokeramik aufweist,
- B) Anordnen der Fühlerlehre zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges,
- C) Erfassen der Messsignale der Kontaktabschnitte der Fühlerlehre,
- D) Aufeinanderzubewegen der beiden Siegelfläche bis beide Messsignale ihren Wert ändern,
- E) Vergleichen der beiden Messsignale,
- F) Voneinanderwegbewegen der beiden Siegelflächen,
- G) Verkippen der Siegelfläche der Sonotrode oder der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges,
- H) Wiederholen der Schritte C) bis G) bis in Schritt E) der Vergleich der beiden Messsignale ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt.
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Dadurch, was die Fühlerlehrer ein Piezosensor bzw. eine entsprechende Piezokeramik aufweist, kann nun nicht nur lediglich ein Kontakt, sondern auch ein Messsignal detektiert werden, aus dem Rückschlüsse auf die auf die Fühlerlehre aufgebrachte Kraft gezogen werden können. In den meisten Fällen werden daher in Schritt E) die beiden Messsignale verglichen und, wenn die beiden Messsignale zu stark voneinander abweichen, die beiden Siegelflächen wieder voneinander wegbewegt und entweder die Siegelfläche der Sonotrode gegenüber der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges verkippt oder die Siegelfläche des Gegenwerkzeuges gegenüber der Siegelfläche der Sonotrode verkippt wird. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, in denen beabsichtigt ist, das von der Siegelfläche der Sonotrode während der Bearbeitung einen nicht gleichmäßige Kraft auf die Siegelfläche des Gegenwerkzeuges aufgebracht wird. In diesen Fällen sind unterschiedliche Messsignale erwünscht und in Schritt E) wird überprüft, ob die gewünschte Messsignaldifferenz eingehalten wird oder nicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fühlerlehre,
- 2 eine schematische Darstellung der Anordnung der Fühlerlehre gemäß 1 zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug,
- 3 eine schematische Darstellung einer Situation, in der die Siegelflächen von Sonotrode und Gegenwerkzeug nicht parallel zueinander ausgerichtet sind,
- 4 eine schematische Darstellung einer Situation, in der die Siegelflächen von Sonotrode und Gegenwerkzeug parallel zueinander ausgerichtet sind,
- 5 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fühlerlehre und
- 6 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fühlerlehre.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fühlerlehre gezeigt. Die Fühlerlehre weist einen elektrisch isolierenden Grundkörper 1 auf. Der Grundkörper 1 weist sowohl auf seine Oberseite (in der Figur oben dargestellt) als auch auf seiner Unterseite (in der Figur unten dargestellt) in seinen beiden Endbereichen eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf.
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Die Fühlerlehre ist streifenförmig ausgebildet, d.h. er hat eine Länge b, eine Breite a und eine Dicke d, wobei die Breite a in der in 1 gezeigten Darstellung senkrecht zur Papierebene verläuft. Dabei ist d < a < b.
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Da die elektrisch leitfähige Schicht 2 auf dem isolierenden Grundkörper 1 aufgebracht ist, hat der isolierende Grundkörper 1 eine Dicke, die etwas geringer ist als die Dicke d der Fühlerlehre in den Endbereichen. Die beidseitig mit der elektrisch leitfähigen Schicht 2 versehenen Endabschnitte der Fühlerlehre bilden in dieser Ausführungsform die Kontaktabschnitte, während der elektrisch isolierende Grundkörper 1 den Trägerabschnitt bildet.
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Wichtig ist, was der elektrisch isolierende Grundkörper eine hohe Druckfestigkeit aufweist, formstabil ist und zudem mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtbar ist. Die elektrisch leitfähige Beschichtung muss eine hohe Druckfestigkeit aufweisen und zudem eine ausreichende Schichtdicke aufweisen, so dass sie geschliffen werden kann. Die Dicke d der Fühlerlehre muss auf beiden Seiten der Fühlerlehre hinreichend genau festgelegt sein. Daher ist es in der Regel notwendig, die elektrisch leitfähige Beschichtung nach dem Aufbringen zu schleifen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand der 2-4 beschrieben. Die Fühlerlehre, die in 1 gezeigt wurde, ist in 2 zwischen den Siegelflächen einer Sonotrode 3 und eines Gegenwerkzeuges 4 positioniert. Die Fühlerlehre weist einen isolierenden Grundkörper 1 mit entsprechenden elektrisch leitfähigen Schichten 2 auf. Die gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Schichten 2 bilden jeweils einen Kontaktabschnitt. Um einen Kontakt detektieren zu können, ist an jedem Kontaktabschnitt eine Spannungsmesseinrichtung 5 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist auf die Sonotrode 3 eine positive Ladung (+) und auf das Gegenwerkzeug 4 eine negative Ladung (-) aufgebracht worden.
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Um die Parallelität zwischen der Siegelfläche der Sonotrode 3 und des Gegenwerkzeuges 4 zu überprüfen, müssen Sonotrode 3 und Gegenwerkzeug 4 aufeinander zu bewegt werden.
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In 3 ist eine Situation gezeigt, in welcher die Siegelflächen von Sonotrode und Gegenwerkzeug nicht parallel zueinander angeordnet sind.
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Man erkennt, dass es beim Aufeinanderzubewegen von Sonotrode und Gegenwerkzeug zuerst in einem der beiden Endabschnitte zu einem elektrischen Kontakt kommt. In der in 3 dargestellten Situation würde daher der linke Kontaktabschnitt bereits über die zugeordnete Messeinrichtung 5 eine Spannung detektieren, während der in der Figur rechts angeordnete Endabschnitt noch keine Spannung detektiert.
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Selbstverständlich ist die in 3 gezeigte Situation übertrieben dargestellt. Sie ist jedoch geeignet, das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erläutern. Selbstverständlich lässt sich bereits durch optische Kontrolle eine Situation herbeiführen, in der die Sonotrode und das Gegenwerkzeug näher an der idealen Parallelität sind als in 3 dargestellt. In jedem Fall wird es jedoch, wenn keine exakte Parallelität vorhanden ist bei einem Aufeinanderzubewegen von Sonotrode und Gegenwerkzeug dazu kommen, dass zunächst ein Kontaktabschnitt eine Berührung detektiert, während der andere Kontaktabschnitt noch keine Berührung detektiert.
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Nach dem nur auf einer Seite ein entsprechender Kontakt detektiert werden konnte, können Sonotrode 3 und Gegenwerkzeug 4 wieder voneinander weg bewegt werden. Und dann kann die Sonotrode leicht verklebt werden, um zu einer Situation zukommen in welcher die Siegelflächen von Sonotrode 3 und Gegenwerkzeug 4 näher an der idealen Parallelität sind.
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In 4 ist nun die Situation gezeigt, in welcher Sonotrode 3 und Gegenwerkzeug 4 parallel zueinander angeordnet sind. Beim Aufeinanderzubewegen von Sonotrode und Gegenwerkzeug wird es daher im Wesentlichen gleichzeitig zu einem elektrischen Kontakt an beiden Kontaktabschnitten der Fühlerlehre kommen.
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Wird auf beiden Seiten gleichzeitig ein elektrischer Kontakt detektiert, so weiß der Benutzer, dass Sonotrode 3 und Gegenwerkzeug 4 parallel zueinander ausgerichtet sind.
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In 5 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fühlerlehre gezeigt.
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Diese Fühlerlehre weist einen Träger Abschnitt 6 aus isolierende Material auf. An beiden Enden des Trägerabschnittes 6 ist eine Piezokeramik 7 angeformt. Auf beiden Seiten der Piezokeramik 7 ist eine elektrisch leitfähige Schicht 8 aufgebracht, welche wiederum von einer isolierenden Schicht 9 bedeckt ist.
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An den Trägerabschnitt 6 werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Er muss lediglich die Piezokeramik halten. Die Dicke d der Endabschnitte muss jedoch wie in der ersten Ausführungsform exakt gefertigt sein.
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In 6 ist eine 3. Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fühlerlehre gezeigt.
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Diese Fühlerlehre verwendet handelsübliche Piezosensoren 10, die in einem Trägermaterial 11, wie z.B. Gießharz, eingebettet sind. Das Trägermaterial 11 muss lediglich die Piezosensoren 10 an ihrer Position halten. Eine gewisse Flexibilität muss vorhanden sein, damit jeder Piezosensor 10 unbeeinflusst von dem anderen einen Messwert ausgeben kann.
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Auch hier ist es von Vorteil, wenn das Trägermaterial 11 eine Dicke hat, die etwas geringer als die Dicke d der Piezosensoren 10 ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Elektrisch leitfähige Schicht
- 3
- Sonotrode
- 4
- Gegenwerkzeug
- 5
- Spannungsmesseinrichtung
- 6
- Trägerabschnitt
- 7
- Piezokeramik
- 8
- Elektrisch leitfähige Schicht
- 9
- Isolierende Schicht
- 10
- Piezosensor
- 11
- Trägermaterial
