DE102022108397A1

DE102022108397A1 - Vorrichtung zum Ultraschallschweißen eines Werkstücks und Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022108397A1
Application number: DE102022108397.7A
Authority: DE
Inventors: Volker Aust
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-12
Also published as: WO2023194115A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen eines Werkstücks (100) mit einem Maschinenständer (20), einer eine Sonotrode (55) aufweisenden Schweißeinheit (50), und einem mit dem Maschinenständer (20) verbundenen Einstellschlitten (30), der die Schweißeinheit (50) trägt und in einer Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Maschinenständer (20) zwischen einer hinteren und einer vorderen Position bewegbar ist, wobei ein mit der Schweißeinheit (50) und dem Einstellschlitten (30) verbundener Bearbeitungsschlitten (40) vorgesehen ist, der gemeinsam mit der Schweißeinheit (50) in der Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Einstellschlitten (30) zwischen einer Startposition und einer Endposition bewegbar ist, wobei ein Bearbeitungsschlittenantrieb vorgesehen ist, mit welchem der Bearbeitungsschlitten (40) in der Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Einstellschlitten (30) bewegt werden kann. Um die Zyluszeit und die Schweißgenauigkeit zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Einstellschlittenantrieb vorgesehen ist, mit welchem der Einstellschlitten (30) in der Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Maschinenständer (20) bewegt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen eines Werkstücks. Eine solche Vorrichtung weist einen Maschinenständer, eine Schweißeinheit mit einer Sonotrode und einen mit dem Maschinenständer verbundenen Einstellschlitten , der die Schweißeinheit trägt und in einer Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Maschinenständer zwischen einer hinteren und einer vorderen Position bewegbar ist, auf, wobei ein mit der Schweißeinheit und dem Einstellschlitten verbundener Bearbeitungsschlitten vorgesehen ist, der gemeinsam mit der Schweißeinheit in der Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Einstellschlitten zwischen einer Startposition und einer Endposition bewegbar ist, wobei ein Bearbeitungsschlittenantrieb vorgesehen ist, mit welchem der Bearbeitungsschlitten in der Zustellrichtung relativ zu dem Einstellschlitten bewegt werden kann,
Eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen ist aus der EP 2 105 280 A2 bekannt.
Schweißeinheiten weisen neben der Sonotrode einen Konverter und gegebenenfalls einen Amplitudentransformator auf. Der Konverter ist dabei entweder direkt - oder wenn ein Amplitudentransformator vorhanden ist, über diesen mit der Sonotrode verbunden.
Der Konverter wandelt eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um. Die einzelnen Elemente der Schweißeinheit sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Schweißeinheit bei der gewünschten Ultraschallfrequenz eine Resonanzfrequenz, die sogenannte Eigenfrequenz, aufweist. Wird daher der Konverter mit der geeigneten Wechselspannung beaufschlagt, schwingt die Schweißeinheit mit der Eigenfrequenz.
Des Weiteren kann ein gegenüber der Sonotrode angeordnetes Amboss vorgesehen sein. Zur Bearbeitung eines Werkstückes wird das Werkstück in einem Spalt zwischen Sonotrode und Amboss positioniert. Während der Bearbeitung wird die mit einer Ultraschallfrequenz schwingende Sonotrode in Richtung des Ambosses auf das Werkstück gedrückt., sodass das Werkstück zwischen Sonotrode einerseits und Amboss andererseits ultraschallgeschweißt wird.
Zu diesem Zweck ist es notwendig, dass Sonotrode und Amboss relativ zueinander bewegt werden können. So muss beispielsweise der Spalt zwischen Sonotrode und Amboss vergrö-ßert werden, um das Werkstück in den Spalt einbringen zu können. Während der Bearbeitung wird der Spalt dann entsprechend verkleinert. Daher ist die Schweißeinheit an einem Einstellschlitten befestigt, welcher relativ zu dem Amboss bewegbar ist, sodass die Schweißeinheit zusammen mit dem Einstellschlitten in Kraftrichtung, d.h. in Richtung des Ambosses oder von diesem weg, bewegt werden kann.
Häufig kommt kein Amboss zum Einsatz. Das zu bearbeitende Werkstück kann in einer Aufnahme angeordnet sein, wobei die Sonotrode auf einen bestimmten Bereich des Werkstücks gedrückt wird. Zum Entnehmen des verschweißten Werkstücks aus der Aufnahme ist es auch hier notwendig, dass die Sonotrode von dem Werkstück wegbewegt wird. Für den nächsten Schweißvorgang muss die Sonotrode dann wieder in die umgekehrte Richtung bewegt werden.
Um ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erhalten, ist es von Vorteil wenn die Sonotrode mit einer vorbestimmten Schweißkraft auf das Werkstück gedrückt wird.
In der EP 2 152 80 A2 ist eine Vorrichtung vorgeschlagen worden, die einen Kraftsensor zum Messen der von der Sonotrode auf das Werkstück aufgebrachten Kraft aufweist.
Die Sonotrode ist üblicherweise genau an das zu verschweißende Werkstück angepasst. Für verschiedene Werkstücke sind daher verschiedene Sonotroden erforderlich. Manche Vorrichtungen zum Ultraschallschweißen lassen sich umrüsten. Bei diesen Vorrichtungen ist die Sonotrode oder die gesamte Schweißeinheit austauschbar. Um diese Austauschbarkeit zu gewährleisten, müssen meist lange Verfahrwege der Schweißeinheit möglich sein. Die Umrüstbarkeit vergrößert zwar den Anwendungsbereich der Vorrichtung, dieser Vorteil geht aber oftmals zu Lasten der Zykluszeiten, sodass die Zykluszeiten umrüstbarer Vorrichtungen länger sind als bei Vorrichtungen, die nur für einen Anwendungsfall (eine Art von Werkstück und eine Art von Sonotrode) konstruiert sind.
Daher sind bereits Vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen, die Schweißeinheit bei jedem Umrüstvorgang manuell neu zu positionieren.
In den 1a - 1c ist eine solche Vorrichtung des Standes der Technik in drei Positionen dargestellt. Die Vorrichtung 10 zum Ultraschallschweißen eines Werkstückes 100 umfasst einen Maschinenständer 20, einen Einstellschlitten 30, einen Bearbeitungsschlitten 40 und eine Schweißeinheit 50. Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Steuereinheit (nicht dargestellt).
Der Maschinenständer 20 trägt den Einstellschlitten 30. Der Einstellschlitten 30 ist relativ zu den Maschinenständer 20 in einer Zustellrichtung Z zwischen einer hinteren und einer vorderen Position bewegbar. Die hintere und die vordere Position stellen die Extrempositionen des Einstellschlittens 30 dar. Dabei wird die hintere Position von dem Einstellschlitten eingenommen, wenn der Einstellschlitten in den Figuren in seiner obersten Position angeordnet ist, und die vordere Position wird eingenommen, wenn der Einstellschlitten 30 in den Figuren in seiner untersten Position angeordnet ist.
Der Einstellschlitten 30 ist über eine Linearführung (nicht dargestellt) mit dem Maschinenständer 20 verbunden, sodass sichergestellt ist, dass sich der Einstellschlitten 30 nur in der Zustellrichtung Z bewegen kann.
Der Einstellschlitten 30 wird nur während der Einrichtungsarbeiten verstellt, um beispielsweise die Schweißeinheit 50 ganz oder teilweise zu tauschen oder um den durchzuführenden Schweißprozess an ein anderes Werkstück mit unterschiedlicher Geometrie bzw. unterschiedlichem Abstand zu Sonotrode anzupassen.
Die Einstellung des Einstellschlittens 30 erfolgt während der Einrichtungsarbeiten manuell. Sobald der Einstellschlitten 30 an seiner gewünschten Position ist, wird der Einstellschlitten 30 manuell an dem Maschinenständer 20 fixiert. Hierfür ist im Allgemeinen eine Klemmeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen. Die gewünschte Position befindet sich in der Regel zwischen der vorderen und der hinteren Position.
Dies ist die Grundposition für den eigentlichen Schweißprozesses, die in 1 a dargestellt ist.
An dem Einstellschlitten 30 ist der Bearbeitungsschlitten 40 vorgesehen, welcher seinerseits die Schweißeinheit 50 trägt, sodass während des beschriebenen Einstellvorgangs durch die Bewegung des Einstellschlittens 30 relativ zu dem Maschinenständer 20 sowohl Schweißeinheit 50 als auch Bearbeitungsschlitten 40 relativ zu dem Maschinenständer 20 bewegt werden.
Der Bearbeitungsschlitten 40 weist einen Bearbeitungsschlittenantrieb auf, mit welchem der Bearbeitungsschlitten zwischen einer Startposition und einer Endposition hin und her bewegt werden kann. Die Start- und die Endposition stellen die Extrempositionen des Bearbeitungsschlittens 30 dar. Dabei wird die Startposition von dem Bearbeitungsschlitten 40 eingenommen, wenn der Bearbeitungsschlitten 40in den Figuren in seiner obersten Position angeordnet ist, und die Endposition wird eingenommen, wenn der Bearbeitungsschlitten 40 in den Figuren in seiner untersten Position angeordnet ist.
Mit Hilfe des Bearbeitungsschlittenantriebs wird die Schweißeinheit 50 während des eigentlichen Bearbeitungsprozesses zunächst in die in 1 B angezeigte Position gebracht, in welcher die Schweißeinheit 50 das Werkstück 100 berührt. In der Regel wird in dieser Position die Geschwindigkeit, mit welcher die Schweißeinheit 50 in Richtung des Werkstückes 100 bewegt wird, reduziert und der eigentliche Schweißprozess wird durchgeführt, bis die in 1C gezeigte Endposition erreicht ist. Der Bearbeitungsschlitten 40 wird nunmehr wieder in die in 1A gezeigte Position zurückbewegt, das Werkstück 100 wird durch ein nächstes, zu bearbeitendes Werkstück 100 ersetzt und der Bearbeitungsvorgang beginnt von neuem, ohne dass zwischenzeitlich die Position des Einstellschlittens 30 verändert wird.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zyluszeit und die Schweißgenauigkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine eingangs beschriebene Vorrichtung zum Ultraschallschweißen eines Werkstücks gelöst, welche einen Einstellschlittenantrieb aufweist, mit welchem der Einstellschlitten in der Zustellrichtung relativ zu dem Maschinenständer bewegt werden kann.
Die Vorrichtung weist somit zwei Schlittenantriebe auf, die beide eine Bewegung der Schweißeinheit in der Zustellrichtung ermöglichen und unabhängig voneinander automatisch bewegt werden können.
Dadurch kann die Bewegung der Schweißeinheit wesentlich besser auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Je nach verwendeter Schweißeinheit oder je nach Werkstückart können die Schlitten dann so bewegt werden, dass die Zykluszeit einerseits und das Schweißergebnis andererseits optimiert sind.
Die Sonotrode und/oder die Schweißeinheit sind bevorzugt lösbar mit dem Bearbeitungsschlitten verbunden. Auf diese Weise ist die Sonotrode austauschbar.
Die Schweißeinheit umfasst bevorzugt einen Konverter und/oder einen Amplitudentransformator.
In manchen Fällen, beispielsweise bei Werkstücken, in die tief eingetaucht werden muss, können die Schlitten durch die zwei Schlittenantriebe gemeinsam bewegt werden, wodurch eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit der Sonotrode in Zustellrichtung ermöglicht wird. Auf diese Weise können die Zykluszeiten bei dieser Art von Bauteil sehr kurz gehalten werden.
Die Schlittenantriebe umfassen bevorzugt jeweils eine Antriebseinheit. Die Antriebseinheiten sind bevorzugt unabhängig voneinander aktivierbar, so dass die beiden Antriebe getrennt voneinander gesteuert oder geregelt werden können.
Die Schlittenantriebe können weitere Bauteile oder Baugruppen, z.B. ein Getriebe oder Teile davon umfassen.
Die Vorrichtung umfasst bevorzugt eine Steuereinheit. Die Schlittenantriebe, insbesondere die Antriebseinheiten, sind bevorzugt mit der Steuereinheit verbunden und durch die Steuereinheit ansteuerbar. Die Steuereinheit ermöglicht somit eine zentrale Ansteuerung der Schlittenantriebe. Auf diese Weise können die Bewegungen der Schlitten genau aufeinander abgestimmt werden.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Amboss vorgesehen und die Schweißeinheit kann mit Hilfe des Einstellschlittens und/oder des Bearbeitungsschlittens in der Zustellrichtung zu dem Amboss hin oder von diesem weg bewegt werden. Das Werkstück wird während des Schweißvorgangs zwischen dem Amboss und der Sonotrode angeordnet. Das Werkstück kann ein kontinuierlich gefördertes Werkstück, beispielsweise eine Materialbahn, oder ein Stückgut, beispielsweise ein Kunststoffgehäuse, sein. Das Werkstück kann auch mehrere Teile umfassen, die miteinander verschweißt werden. Der Amboss ist bevorzugt an das zu verschweißende Werkzeug angepasst oder mittels Adaptern an verschiedene Werkstücke anpassbar. Der Amboss und/oder die Adapter können als Werkstückaufnahme ausgebildet sein, in die das Werkstück hineingelegt werden kann.
Der Maschinenständer und/oder der Einstellschlitten und/oder der Bearbeitungsschlitten weist bevorzugt eine Linearführung auf, die eine Relativbewegung zwischen Einstellschlitten und Maschinenständer bzw. zwischen Bearbeitungsschlitten und Einstellschlitten nur in der Zustellrichtung erlauben. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich die Schlitten ausschließlich in der Zustellrichtung bewegen. Es kann eine gemeinsame Linearführung für beide Schlitten vorgesehen sein, wodurch der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht wird. Alternativ kann jeder Schlitten eine eigene Linearführung aufweisen. In diesem Fall kann jede Linearführung genau an den jeweiligen Schlitten angepasst werden, wodurch insbesondere die Präzision der Bewegung verbessert wird.
Der Einstellschlitten- und/oder der Bearbeitungsschlittenantrieb umfasst bei vorteilhaften Weiterbildungen eine elektrische und/oder pneumatische und/oder hydraulische Antriebseinheit. Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Antriebseinheiten der beiden Schlittenantriebe von gleicher Art, also z.B. beides elektrische Antriebseinheiten, sind. Auf diese Weise muss nur eine Art von Antriebsquelle, beispielsweise ein Stromanschluss oder ein Kompressor, bereitgestellt werden. Bei manchen Ausführungsformen sind die Antriebseinheiten hingegen von unterschiedlicher Art. Das bringt den Vorteil mit sich, dass die Antriebseinheiten genau auf die Schlitten und ihre Bewegung angepasst werden können. Soll beispielsweise der Einstellschlitten nur eine grobe, aber dafür schnelle Positionierung vornehmen und der Bearbeitungsschlitten eine sehr genaue, also mit geringer Toleranz behaftete Bewegung, so kann für den Einstellschlitten eine Antriebseinheit einer Art, z.B. eine elektrische Antriebseinheit, und für den Bearbeitungsschlitten eine Antriebseinheit einer anderen Art, z.B. eine pneumatische Antriebseinheit, zum Einsatz kommen.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist ein erster Wegsensor zum Erfassen einer Relativposition zwischen Maschinenständer und Bearbeitungsschlitten und/oder ein zweiter Wegsensor zur Erfassung einer Relativposition zwischen Schwei ßeinheit und Amboss oder zwischen Schweißeinheit und einem zwischen Schweißeinheit und Amboss positionierten Werkstück vorgesehen. Auf diese Weise können die Bewegungen der Schlitten und/oder der Schweißeinheit genau erfasst und beispielsweise mit Sollwerten verglichen werden, um die Bewegung zu regeln. Die Wegsensoren sind daher bevorzugt mit der Steuereinheit verbunden und dazu eingerichtet, Messwerte an die Steuereinheit zu übermitteln. Die Steuereinheit ist bevorzugt eingerichtet, die Messwerte von den Wegsensoren zu empfangen und mit Sollwerten zu vergleichen sowie ferner bevorzugt die Antriebseinheit(en) in Abhängigkeit der Messwerte und/oder des Vergleichs zwischen Messwerten und Sollwerten anzusteuern.
Für den Schweißvorgang ist es erforderlich, dass sich die Sonotrode und das Werkstück berühren. In der Regel wird die Sonotrode auch nach dem ein Kontakt zwischen Sonotrode und Werkstück hergestellt wurde, indem die Sonotrode in der Zustellrichtung bewegt wurde, weiter gegen das Werkstück gedrückt. Die Sonotrode kann sowohl vor als auch nach dem Kontakt aktiviert, also in Schwingung versetzt werden.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Kraftsensor zum Ermitteln einer Schweißkraft, mit welcher die Sonotrode gegen ein zwischen Sonotrode und Amboss positionierten Werkstück gedrückt wird, vorgesehen. Der Kraftsensor ist bevorzugt mit der Steuereinheit verbunden und zum Übermitteln von Messwerten an die Steuereinheit eingerichtet. Die Steuereinheit ist bevorzugt eingerichtet, die Messwerte des Kraftsensors zu empfangen und mit Sollwerten zu vergleichen sowie ferner bevorzugt die Antriebseinheit(en) in Abhängigkeit der Messwerte und/oder des Vergleichs zwischen Messwerten und Sollwerten anzusteuern. Die Erfassung der Schweißkraft kann insbesondere genutzt werden, um den Schweißvorgang zu starten und/oder zu beenden. Wird ein bestimmter Sollwert erreicht, so schaltet die Steuereinheit die Antriebseinheit(en) ab oder steuert sie derart an, dass sich die Sonotrode von dem Werkstück entfernt. Dadurch wird das Werkstück freigegeben und kann von dem Amboss entfernt werden.
Wie bereits erwähnt, wird beim Schweißvorgang eine Schweißkraft aufgebracht, die auch die Antriebseinheit(en) belastet. Das kann zu einem schnelleren/stärkeren Verschleiß der Antriebseinheit(en) führen. Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist vorgesehen, dass der Einstell- und/oder Bearbeitungsschlitten eine Klemmvorrichtung aufweist, welche zwischen einem geklemmten Zustand und einem ungeklemmten Zustand hin und her geschaltet oder bewegt werden kann, wobei im geklemmten Zustand die Relativbewegung des Einstellschlittens gegenüber dem Maschinenständer bzw. die Relativbewegung des Bearbeitungsschlittens gegenüber dem Einstellschlitten verhindert wird und im ungeklemmten Zustand die Relativbewegung des Einstellschlittens gegenüber dem Maschinenständer bzw. die Relativbewegung des Bearbeitungsschlittens gegenüber dem Einstellschlitten nicht verhindert wird. Durch die Klemmvorrichtung wird die jeweilige Antriebseinheit entlastet, so dass diese mit schwächeren Antriebsachsen auskommt. So ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Einstellschlittenantrieb durch eine Klemmvorrichtung entlastet wird und nur der Bearbeitungsschlitten die Bewegung der Schweißeinheit während des Schweißvorgangs bewirkt. Die Schweißkraft wird dann mittels der Klemmvorrichtung unter Umgehung der Antriebseinheit des Einstellschlittenantriebs in den Maschinenständer eingeleitet. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Klemmvorrichtung mit Hilfe der Steuereinrichtung aktiviert und deaktiviert werden. Ein manueller Eingriff zur Aktivierung der Steuereinrichtung ist daher nicht notwendig.
In der mit dem Einstellschlittenantrieb und/oder dem Bearbeitungsschlittenantrieb verbundenen Steuereinheit sind bevorzugt mehrere Bewegungsprofile für den Einstellschlitten und/oder den Bearbeitungsschlitten abgespeichert. Ein Bewegungsprofil umfasst bevorzugt Sollwerte für die Wegsensoren und/oder den Kraftsensor und/oder Ansteuerwerte zur Ansteuerung der Schlittenantriebe, wobei die Werte in Kombination mit Zeitangaben abgespeichert sein können. Die Bewegungsprofile sind insbesondere auf verschiedene Werkstücke und/oder Sonotroden abgestimmt. Bei diesen Ausführungsformen ist die Sonotrode vorzugsweise austauschbar. Beispielsweise kann in einem Bewegungsprofil vorgesehen sein, dass der Einstellschlittenantrieb abgeschaltet wird, wenn der erste Wegsensor einen vorgegebenen Messwert an die Steuereinheit übermittelt. In einem anderen Bewegungsprofil kann beispielsweise vorgegeben sein, dass zunächst der Einstellschlittenantrieb für einen vorbestimmten Zeitraum aktiviert wird. Jedes Bewegungsprofil umfasst bevorzugt mehrere derartige Schritte. Die Bewegungsprofile bilden jeweils einen vollständigen Arbeitsvorgang inkl. Bewegung der Sonotrode zum Werkstück, Schweißvorgang und Bewegung der Sonotrode vom Werkstück weg ab.
Die Steuereinheit ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie die Art der Sonotrode erkennen kann. Das Bewegungsprofil kann dann in Abhängigkeit von der erkannten Sonotrode gewählt werden. Die Erkennung der Sonotrode oder Schweißeinheit kann beispielsweise mittels RFID (radio-frequency identification) erfolgen. Die Steuereinheit ist dann bevorzugt mit einem RFID-Lesegerät verbunden und jede Sonotrode oder Schweißeinheit bzw. deren Halterung oder jede Werkstückaufnahme oder jedes Werkstück weist einen RFID-Transponder aus.
Alternativ kann die Art der Sonotrode und/oder die Art des Werkstücks und/oder die Art der Werkstückaufnahme auch von einem Benutzer an die Steuereinheit übermittelt werden. Auch hier ist die Steuereinheit dann dazu eingerichtet, das Bewegungsprofil in Abhängigkeit von der erkannten Sonotrode zu wählen.
Die Schweißkraft hat einen Einfluss auf das Ergebnis des Schweißvorgangs. Sowohl eine zu geringe als auch eine zu hohe Schweißkraft können zu einer fehlerhaften Schweißung führen. Es ist daher wünschenswert, die Schweißkraft optimal einzustellen. Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist daher vorgesehen, dass zwischen Maschinenständer und Schweißeinheit eine Federeinrichtung vorgesehen ist, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Schweißeinheit relativ zum Maschinenständer in der Zustellrichtung zwischen einer Zustellposition und einer Schweißposition bewegt werden kann. Die Federeinrichtung kann vorgespannt sein. Bevorzugt ist die Federeinrichtung derart ausgebildet, dass sie die Schweißeinheit in Richtung der Schweißposition drückt, wobei vorzugsweise in der Schweißposition eine Kraft auf die Schweißeinheit in Richtung der Schweißposition ausgeübt wird. Durch die Ausgestaltung der Federeinrichtung, insbesondere hinsichtlich ihrer Federkennlinie, und den Umfang der Vorspannung, insbesondere den Federweg, kann die Schweißkraft voreingestellt werden. Unter der Schweißkraft wird insbesondere die Kraft verstanden, mit der die Sonotrode gegen das Werkstück gedrückt wird. Die Federeinrichtung kann auch durch eine Gasdruckfeder verwirklicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform, ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen, mit der der Druck der Gasdruckfeder einstellbar und/oder regelbar ist.
Die Vorrichtung ist bevorzugt eine manuell betätigbare Vorrichtung (Handarbeitsplatz). Zu diesem Zwecke weist die Vorrichtung bevorzugt ein Human-Machine Interface (HMI) mit zumindest einem, bevorzugt zwei Tastern zum Starten eines Schweißvorgangs, auf. Das HMI kann auch ein Touchdisplay sein. Das HMI ist bevorzugt dazu eingerichtet, dass ein Benutzer mittels des HMI die Art der Sonotrode und/oder die Art des Werkstücks an die Steuereinheit übermitteln kann. Das HMI ist bevorzugt mit der Steuereinheit verbunden.
Die Vorrichtung weist bevorzugt eine Werkstückaufnahme auf.
Die Zustellrichtung verläuft bevorzugt in Gravitationsrichtung.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Ultraschallschweißen eines Werkstücks nach der obigen Beschreibung mit den Schritten:

A) Positionieren des Werkstückes an einer Position, welche in Zustellrichtung von der Sonotrode beabstandet ist,
B) Bewegen des Einstellschlittens in Richtung der vorderen Position bis zu einer Ausgangsposition,
C) Bewegen des Bearbeitungsschlittens in Richtung der Endposition bis zu einer vorgegebenen Schweißendposition.

Die Schritte A, B, C werden bevorzugt in dieser Reihenfolge durchgeführt. Alternativ kann auch erst der Bearbeitungsschlitten und anschließend der Einstellschlitten bewegt werden.
Bevorzugt wird während Schritt C) die Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung angeregt. Die Sonotrode kann auch schon vor dem Beginn des Schritts C) und/oder nach Beendigung des Schritts C) mit einer Ultraschallschwingung angeregt werden.
Bevorzugt wird der Einstell- und/oder der Bearbeitungsschlitten in einem nachfolgenden Schritt D) derart bewegt, dass die Sonotrode von dem Werkstück entfernt wird. Im Anschluss daran kann das Werkstück entnommen werden. Besonders bevorzugt werden beide Schlitten bewegt, wodurch das Werkstück schnell freigegeben wird.
In Schritt B) wird die Ausgangsposition bevorzugt so gewählt, dass in der Ausgangsposition die Sonotrode kurz vor dem Werkstück steht oder das Werkstück berührt. Auf diese Weise führt der Bearbeitungsschlitten nur noch die eigentliche Schweißbewegung aus. Der Bearbeitungsschlittenantrieb kann in diesem Fall ein im Vergleich zu dem Einstellschlittenantrieb sehr präziser Antrieb sein, wodurch eine sehr präzise Verschweißung ermöglicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt B) die Ausgangsposition so gewählt, dass der Einstellschlitten nach dem Kontakt mit dem Werkstück noch ein Stück weiter in Richtung der vorderen Position bewegt wird. Ist der Bearbeitungsschlitten federnd gelagert, wird er sich aufgrund der Kraft, die das Werkstück auf die Sonotrode ausübt in Richtung der Startposition bewegen. Sobald eine vorgegebene Schweißanfangsposition erreicht ist, die beispielsweise durch die mittels der Feder ausgeübte Schweißkraft festgelegt wird, kann in dem anschließenden Schritt C) unmittelbar der eigentliche Schweißvorgang gestartet werden. Besonders bevorzugt wird daher in Schritt B) die Schweißkraft erfasst und die Ausgangsposition als diejenige Position bestimmt, bei welcher eine vorgegebene Schweißkraft erreicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung nach Anspruch 9 verwendet und während oder vor Schritt B) der Bearbeitungsschlitten in seine Endposition bewegt und in Schritt B) der Einstellschlitten soweit in Richtung der vorderen Position bewegt wird, bis der Bearbeitungsschlitten mit dem Werkstück in Kontakt tritt und von dem Werkstück in Richtung der hinteren Position entgegen einer Federkraft der Federeinrichtung gedrückt wird und die Federkraft eine vorbestimmte Schweißkraft erreicht. Die Ausgangsposition wird somit durch die vorbestimmte Schweißkraft bestimmt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft dargestellt und erläutert. Es zeigen

1a bis 1c eine Vorrichtung des Standes der Technik in drei Positionen;
2a bis 2d eine erfindungsgemäße Vorrichtung in vier Positionen gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3a bis 3d die erfindungsgemäße Vorrichtung in vier Positionen gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4a bis 4 e die erfindungsgemäße Vorrichtung in fünf Positionen gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in den 1a-1c gezeigte Vorrichtung sowie das darin gezeigte Schweißverfahren ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt und wurde oben bereits erläutert.
In den 2a-2d ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt und dabei wurden die gleichen Bezugszeichen wie in den 1a-1c verwendet.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass erfindungsgemäß der Einstellschlitten 30 einen Einstellschlittenantrieb (nicht dargestellt) aufweist, mit welchem der Einstellschlitten 30 während der Bearbeitung relativ zu dem Maschinenständer 20 bewegt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 kann somit beispielsweise die in den 2a-2d gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwirklicht werden.
2a zeigt die Grundposition, bei welcher der Bearbeitungsvorgang des Werkstückes 100 startet. Im ersten Schritt wird nun der Einstellschlitten 30 unter Verwendung einer Steuereinheit (nicht dargestellt) um eine Strecke X1 in Richtung seiner vorderen Position, d. h. in den Figuren nach unten bewegt, sodass er die in 2b gezeigte Arbeitsposition erreicht.
In dieser Position wird mit Hilfe der Steuereinheit eine Klemmeinrichtung aktiviert, die eine weitere Relativbewegung zwischen Maschinenständer 20 und Einstellschlitten 30 verhindert und damit den Einstellschlittenantrieb entlastet.
Im nächsten Schritt wird nun mithilfe des Bearbeitungsschlitten 40 die Schweißeinheit bzw. die Sonotrode um die Strecke X2 in Richtung der Endposition bewegt, bis die in 2c gezeigte Position, bei welcher die Sonotrode 55 das Werkstück 100 kontaktiert, erreicht ist.
Während der Bewegung um die Strecke X2 kann die Schweißeinheit bereits mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt sein, sodass die Sonotrode 55 bereits schwingt. Es ist aber auch möglich, die Ultraschallschwingung erst dann zu aktivieren, wenn die in 2c gezeigte Position erreicht ist.
Nun wird der Bearbeitungsschlitten 40 weiter in Richtung seiner Endposition bewegt, um das Werkstück 100 zu bearbeiten. Sobald die Bearbeitung beendet ist, werden sowohl der Bearbeitungsschlitten 40 als auch der Einstellschlitten 30 wieder in ihre in 2A gezeigte Startposition zurück bewegt. Dies kann entweder in umgekehrter Reihenfolge, d. h. zunächst wird der Bearbeitungsschlitten 40 zurück bewegt und dann der Einstellschlitten 30 zurück bewegt, oder gleichzeitig erfolgen. Durch die gleichzeitige Bewegung von sowohl Bearbeitungsschlitten 40 als auch Einstellschlitten 30 kann die Zykluszeit verringert werden.
In den 3a bis 3d ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. In 3a ist die Grundposition gezeigt, die mit der in 2a gezeigten Grundposition identisch ist. Im ersten Schritt wird nun der Einstellschlitten 30 um die Strecke X1 und gleichzeitig der Bearbeitungsschlitten um die Strecke X2 bewegt bis die Sonotrode 55 das Werkstück 100 berührt und die in 3b gezeigte Position erreicht ist. Das in den 3a-3d gezeigte Verfahren unterscheidet sich somit von den in den 2a bis 2d gezeigten Verfahren dadurch, dass die Bewegung sowohl des Einstellschlittens 30 als auch des Bearbeitungsschlitten 40 in Richtung des Werkstückes die Bewegung nicht nacheinander, sondern gleichzeitig erfolgt, wodurch die Zykluszeit verkürzt werden kann.
Für das Aufbringen der Ultraschallschwingungen auf das Werkstück gibt es bei dieser Ausführungsform zwei Möglichkeiten. In der ersten Variante wird der Einstellschlitten 30 in der in 3B gezeigten Position gestoppt und gegebenenfalls automatisch mit der Verriegelungseinrichtung fixiert. Die eigentliche Bearbeitung erfolgt dann ausschließlich durch die Bewegung des Bearbeitungsschlittens in Richtung der Endposition bis die in 3c gezeigte Position erreicht ist.
Alternativ dazu kann in der zweiten Variante auch die eigentliche Bearbeitung, d. h. die Bewegung der Sonotrode auf das Werkstück zu, während diese mit Ultraschall beaufschlagt ist und das Werkstück berührt, sowohl von der Bewegung des Einstellschlittens 30 als auch von der Bewegung des Bearbeitungsschlitten 40 verursacht werden. Diese Möglichkeit ist in 3d schematisch dargestellt.
Nach Beendigung des Schweißvorgangs werden dann wieder sowohl der Zustellschlitten 30 als auch der Bearbeitungsschlitten 40 in die in 3a gezeigte Grundposition gebracht.
In den 4a-4e ist eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens dargestellt.
In 4a ist erneut die Grundposition gezeigt, die identisch zu der in den 2a und 3a gezeigten Grundposition ist.
Im ersten Schritt wird nun mithilfe des Bearbeitungsschlittens 40 die Sonotrode 55 in Richtung des Werkstückes 100 bewegt. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Bearbeitungsschlitten in seine Endposition, z.B. gegen einen vorgesehenen Endanschlag fährt. Diese Position ist in 4 b dargestellt.
Im nächsten Schritt wird nun mithilfe des Einstellschlittens 30 die Schweißeinheit 50 zusammen mit dem Bearbeitungsschlitten in Richtung der vorderen Position des Einstellschlittens 30 bewegt bis die Sonotrode das Werkstück berührt. Diese Situation ist in 4c gezeigt.
Die Bewegung des Einstellschlittens 30 endet jedoch nicht in dieser Position. Stattdessen wird der Einstellschlitten 30 weiter in Richtung Werkstück 100 bewegt. Da die Sonotrode das Werkstück bereits berührt, übt das Werkstück 100 eine Kraft auf die Sonotrode 55 aus. In der dargestellten Ausführungsform ist der Bearbeitungsschlitten 40 federnd gelagert. Dies kann beispielsweise mithilfe einer Gasdruckfeder erfolgen. Durch die Kraft, welche das Werkstück 100 auf die Sonotrode 55 und damit auf den Bearbeitungsschlitten 40 ausübt, wird der Bearbeitungsschlitten 40 in Richtung seiner Startposition gedrückt. Mit anderen Worten wird sich, obgleich sich der Einstellschlitten 30 um eine bestimmte Wegstrecke in Richtung des Werkstückes 100 bewegt, die Schweißeinheit 50 nur um eine etwas geringere Wegstrecke in Richtung des Werkstückes 100 bewegen. Durch die federnder Lagerung kann somit ein gewünschter Schweißdruck auf das Werkstück aufgebracht werden.
In dieser Position, d. h. wenn die gewünschte Schweißkraft erreicht ist, wird die Bewegung des Einstellschlittens 30 gestoppt und dieser gegebenenfalls mithilfe der Klemmvorrichtung am Maschinenständer fixiert und die weitere Bearbeitung, d. h. die Bewegung des Bearbeitungsschlitten 40 in Richtung des Werkstückes erfolgt über den Antrieb des Bearbeitungsschlittens 40.
Durch die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren ist es möglich, die Vorrichtung schnell und zuverlässig umzurüsten und tiefliegende Schweißstellen in kurzer Zykluszeit zu erreichen.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
20: Maschinenständer
30: Einstellschlitten
40: Bearbeitungsschlitten
50: Schweißeinheit
55: Sonotrode
60: Amboss/Werkstückaufnahme
100: Werkstück
Z: Zustellrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2105280 A2 [0002]
EP 215280 A2 [0009]

Claims

Vorrichtung (10) zum Ultraschallschweißen eines Werkstücks (100) mit einem Maschinenständer (20), einer eine Sonotrode (55) aufweisenden Schweißeinheit (50), und einem mit dem Maschinenständer (20) verbundenen Einstellschlitten (30), der die Schweißeinheit (50) trägt und in einer Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Maschinenständer (20) zwischen einer hinteren und einer vorderen Position bewegbar ist, wobei ein mit der Schweißeinheit (50) und dem Einstellschlitten (30) verbundener Bearbeitungsschlitten (40) vorgesehen ist, der gemeinsam mit der Schweißeinheit (50) in der Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Einstellschlitten (30) zwischen einer Startposition und einer Endposition bewegbar ist, wobei ein Bearbeitungsschlittenantrieb vorgesehen ist, mit welchem der Bearbeitungsschlitten (40) in der Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Einstellschlitten (30) bewegt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einstellschlittenantrieb vorgesehen ist, mit welchem der Einstellschlitten (30) in der Zustellrichtung (Z) relativ zu dem Maschinenständer (20) bewegt werden kann.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Amboss (60) vorgesehen ist und die Schweißeinheit (50) mit Hilfe des Einstellschlittens (30) und/oder des Bearbeitungsschlittens (40) in der Zustellrichtung (Z) zu dem Amboss (60) hin oder von diesem weg bewegt werden kann.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinenständer (20) und/oder der Einstellschlitten (30) und/oder der Bearbeitungsschlitten (40) eine Linearführung aufweisen, die eine Relativbewegung zwischen Einstellschlitten (30) und Maschinenständer (20) bzw. zwischen Bearbeitungsschlitten(40) und Einstellschlitten (30) nur in der Zustellrichtung (Z) erlauben.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellschlittenantrieb und/oder der Bearbeitungsschlittenantrieb eine elektrische und/oder pneumatische und/oder hydraulische Antriebseinheit umfasst.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wegsensor zum Erfassen einer Relativposition zwischen Maschinenständer (20) und Bearbeitungsschlitten(40) und/oder ein zweiter Wegsensor zum Erfassen einer Relativposition zwischen Schweißeinheit (50) und Amboss (60) oder zwischen Schweißeinheit (50) und einem zwischen Schweißeinheit (50) und Amboss (60) positionierten Werkstück (100) vorgesehen ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftsensor zum Ermitteln einer Schweißkraft, mit welcher die Sonotrode (55) gegen ein zwischen Sonotrode (55) und Amboss (60) positionierten Werkstück (100) gedrückt wird, vorgesehen ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellschlitten (30) und/oder der Bearbeitungsschlitten (40) eine Klemmvorrichtung aufweist, welche zwischen einem geklemmten Zustand und einem ungeklemmten Zustand hin und her geschaltet oder bewegt werden kann, wobei im geklemmten Zustand die Relativbewegung des Einstellschlittens (30) gegenüber dem Maschinenständer (20) bzw. die Relativbewegung des Bearbeitungsschlittens (40) gegenüber dem Einstellschlitten (30) verhindert wird und im ungeklemmten Zustand die Relativbewegung des Einstellschlittens (30) gegenüber dem Maschinenständer (20) bzw. die Relativbewegung des Bearbeitungsschlittens (40) gegenüber dem Einstellschlitten (30) nicht verhindert wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine mit dem Einstellschlittenantrieb und/oder dem Bearbeitungsschlittenantrieb verbundene Steuereinheit umfasst, in der mehrere Bewegungsprofile für den Einstellschlitten (30) und/oder den Bearbeitungsschlitten (40) abgespeichert sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Maschinenständer (20) und Schweißeinheit (50) eine Federeinrichtung vorgesehen ist, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Schweißeinheit (50) relativ zum Maschinenständer (20) in der Zustellrichtung (Z) zwischen einer Zustellposition und einer Schweißposition bewegt werden kann.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche zum Ultraschallschweißen eines Werkstücks (100) mit den Schritten: A) Positionieren des Werkstückes (100) an einer Position, welche in Zustellrichtung (Z) von der Sonotrode (55) beabstandet ist, B) Bewegen des Einstellschlittens (30) in Richtung der vorderen Position bis zu einer Ausgangsposition, C) Bewegen des Bearbeitungsschlittens (40) in Richtung der Endposition bis zu einer vorgegebenen Schweißendposition.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt C) die Sonotrode (55) mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B) die Ausgangsposition so gewählt wird, dass in der Ausgangsposition die Sonotrode (55) das Werkstück (100) berührt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B) zusätzlich der Bearbeitungsschlitten (40) in Richtung der Endposition bis zu einer vorgegebenen Schweißanfangsposition bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B) die Schweißkraft erfasst wird und die Ausgangsposition als diejenige Position bestimmt wird, bei welcher eine vorgegebene Schweißkraft erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach Anspruch 9 verwendet wird, dass während oder vor Schritt B) der Bearbeitungsschlitten in seine Endposition bewegt wird und dass in Schritt B) der Einstellschlitten soweit in Richtung der vorderen Position bewegt wird, bis der Bearbeitungsschlitten mit dem Werkstück in Kontakt tritt und von dem Werkstück in Richtung der hinteren Position entgegen einer Federkraft der Federeinrichtung gedrückt wird und die Federkraft eine vorbestimmte Schweißkraft erreicht.