DE102022127227A1

DE102022127227A1 - Werkzeug mit Verstelleinrichtung

Info

Publication number: DE102022127227A1
Application number: DE102022127227.3A
Authority: DE
Inventors: Ulf Riehm; Tobias Schnabel
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug mit zumindest zwei Werkzeugteilen und einer Verstelleinrichtung, wobei die Werkzeugteile in einer Zustellrichtung relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Verstelleinrichtung einen ersten Teil, einen zweiten Teil und einen Verbindungsteil aufweist, wobei der zweite Teil relativ zu dem ersten Teil beweglich ist, wobei der Verbindungsteil den ersten Teil und den zweiten Teil miteinander verbindet, wobei der zweite Teil der Verstelleinrichtung derart ausgestaltet ist, dass an dem zweiten Teil einer der zumindest zwei Werkzeugteile befestigbar ist, wobei die Verstelleinrichtung als Festkörpergelenk ausgestaltet ist, wobei der erste Teil, der zweite Teil und der Verbindungsteil einstückig ausgebildet sind und der Verbindungsteil flexibel ausgebildet ist, sodass eine Bewegung des zweiten Teils relativ zu dem ersten Teil in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung durch den Verbindungsteil ermöglicht wird, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung jeweils senkrecht zu der Zustellrichtung des Werkzeuges stehen, sodass die Werkzeugteile in einer Ebene, die senkrecht zu der Zustellrichtung des Werkzeuges ausgerichtet ist, mit der Verstelleinrichtung relativ zueinander bewegbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug mit zumindest zwei Werkzeugteilen und einer Verstelleinrichtung, wobei die Werkzeugteile in einer Zustellrichtung relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Verstelleinrichtung einen ersten Teil, einen zweiten Teil und einen Verbindungsteil aufweist, wobei der zweite Teil relativ zu dem ersten Teil beweglich ist, wobei der Verbindungsteil den ersten Teil und den zweiten Teil miteinander verbindet, wobei der zweite Teil der Verstelleinrichtung derart ausgestaltet ist, dass an dem zweiten Teil einer der zumindest zwei Werkzeugteile befestigbar ist.
Werkzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Ultraschallbearbeitungswerkzeuge. Ultraschallbearbeitungswerkzeuge weisen zur Bearbeitung eines Materials eine Sonotrode auf, die mit einer Schwingung mit Frequenzen im Ultraschallbereich angeregt wird, sowie ein Gegenwerkzeug, das gegenüberliegend zu der Sonotrode angeordnet ist. Trifft die angeregte Sonotrode auf ein Material, das zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug angeordnet ist, kommt es zu einer örtlich begrenzten Erwärmung des Materials. Die örtlich begrenzte Erwärmung führt dazu, dass beispielsweise mehrere Lagen des zu bearbeitenden Materials miteinander verschmelzen oder ein Material durchtrennt wird. Anwendung findet die Technik beispielsweise bei der Herstellung von Lebensmittelverpackungen oder Hygieneartikeln. Dabei ist eine exakte Positionierung von Sonotrode und Gegenwerkzeug relativ zueinander für qualitativ hochwertige Produktionsergebnisse unerlässlich.
Aber auch andere zwei- oder mehrteilige Werkzeuge, deren Werkzeugteile relativ zueinander positioniert werden müssen, sind Werkzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Verstelleinrichtungen, die ein Objekt von einer Position in eine andere Position bewegen, werden daher für verschiedene Einsatzmöglichkeiten in der Industrie benötigt. Immer dann wenn ein Werkzeugteil in einer bestimmten Position relativ zu einem anderen Werkzeugteil ausgerichtet werden soll, etwa weil diese beiden Werkzeugteile in einem Bearbeitungsvorgang zusammen auf ein Material einwirken, werden Verstelleinrichtungen benötigt, die eine möglichst genaue Positionierung der Werkzeugteile zueinander ermöglichen, um das gewünschte Bearbeitungsergebnis zu erzielen.
Die Ausgestaltung der Verstelleinrichtungen hängt dabei insbesondere davon ab, welche Dimensionen und welches Gewicht ein zu positionierendes Werkzeugteil aufweist. Aus diesem Grund sind im Stand der Technik viele verschiedene Varianten bekannt, wie Werkzeugteile mittels Verstelleinrichtungen positioniert werden können.
Für die Positionierung von schwereren und größeren Werkzeugteilen sind aus dem Stand der Technik vor allem Verstelleinrichtungen bekannt, bei welchen Verstellschlitten zum Einsatz kommen. Diese Verstellschlitten bestehen aus einer feststehenden Basis mit einer linearen Führung und einem auf einer Achse beweglichen Schlitten. Die Bewegung des Verstellschlittens kann beispielsweise mit einer Stellschraube kontrolliert werden. Jede Umdrehung der Schraube wird dabei in eine translatorische Bewegung des Schlittens umgewandelt. Solche Verstellschlitten sind hinlänglich bekannt, kostengünstig und weitverbreitet.
Soll das Werkzeugteil in mehreren Richtungen verstellt werden, sind weitere Verstellschlitten notwendig, die in einer gestapelten Anordnung aneinander befestigt werden. Ein zweiter Verstellschlitten wird beispielsweise um 90 ° versetzt auf dem ersten Verstellschlitten befestigt, um eine Positionierung in zwei Richtungen zu ermöglichen.
Solche gestapelten Anordnungen von Verstellschlitten haben den Nachteil, dass sie einen erhöhten Platzbedarf insbesondere in der Höhe aufweisen. Dieser Platzbedarf ist nicht in jedem Industrieaufbau gegeben. Der komplexe Aufbau der Verstellschlitten führt weiterhin zu einer erhöhten Fehleranfälligkeit des gesamten Aufbaus. Zudem sind Verstellschlitten, die spielfrei sind und damit eine sehr genau Positionierung des Werkzeugteils ermöglichen, entsprechend teuer. Günstigere Verstellschlitten wiederum führen zu einer ungenauen Positionierung und damit unter Umständen zu einem beeinträchtigten Bearbeitungsergebnis mit dem Werkzeug. Letztlich können Verstellschlitten in der Regel nicht schmiermittelfrei betrieben werden und sind daher für die Verwendung in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie nur bedingt geeignet.
Alternativ zu Verstellschlitten sind aus dem Stand der Technik auch Exzenter bekannt, die in der Kombination miteinander ebenfalls eine Positionierung in mehreren Richtungen erlauben. Um bei einer auf Exzentern basierenden Verstelleinrichtung ein Werkzeugteil zu positionieren, muss allerdings die Klemmung der Exzenter gelöst werden. Dabei kann es dazu kommen, dass auftretende Momente an dem Werkzeugteil nicht abgefangen werden können. Eine exakte Positionierung gestaltet sich damit schwierig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug mit einer kompakten Verstelleinrichtung bereitzustellen, welche eine exakte, kostengünstige, schmiermittel- und wartungsfreie Positionierung eines Werkzeugteils des Werkzeuges ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Werkzeug der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Verstelleinrichtung als Festkörpergelenk ausgestaltet ist, wobei der erste Teil, der zweite Teil und der Verbindungsteil einstückig ausgebildet sind und der Verbindungsteil flexibel ausgebildet ist, sodass eine Bewegung des zweiten Teils relativ zu dem ersten Teil in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung durch den Verbindungsteil ermöglicht wird, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung jeweils senkrecht zu der Zustellrichtung des Werkzeuges stehen, sodass die Werkzeugteile in einer Ebene, die senkrecht zu der Zustellrichtung des Werkzeuges ausgerichtet ist, mit der Verstelleinrichtung relativ zueinander bewegbar sind.
In Übereinstimmung mit der „IFToMM permanent commission for the standardization of terminology“ wird unter einem Festkörpergelenk ein Gelenk verstanden, in dem zwei benachbarte Gelenkglieder, vorliegend der erste Teil und der zweite Teil, stofflich miteinander verbunden sind und ihre relative Beweglichkeit durch die Nachgiebigkeit der Verbindung, nämlich des flexiblen Verbindungsteils, ermöglicht wird. Festkörpergelenke werden auch als Starrkörpergelenk, stoffschlüssige Gelenke oder Federgelenke bezeichnet. Erstes und zweites Gelenkglied sowie die Verbindung der Gelenkglieder sind daher einstückig hergestellt. Dabei weist die Verbindung eine gewisse Nachgiebigkeit auf, die eine Verformung und damit eine Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Gelenkglied, also dem ersten und dem zweiten Teil der Verstelleinrichtung erlaubt.
Verstelleinrichtungen in Form von Festkörpergelenken kommen bisher vor allem im Laborumfeld sowie in der Halbleiterindustrie und der Mikrobiologie zum Einsatz. Alle aus dem Stand der Technik bekannten Anwendungen haben gemeinsam, dass kleine Komponenten, etwa optische Komponenten in Spektroskopen oder kleinteilige Werkzeuge, die in der Halbleitertechnik oder der Biologie benötigt werden, positioniert werden sollen. Diese kleinen Komponenten weisen ein entsprechend geringes Gewicht auf und können mit einer als Festkörpergelenk ausgestalteten Verstelleinrichtung bis auf wenige Nanometer genau positioniert werden. Die Materialermüdungserscheinungen, die bei Festkörpergelenken aufgrund der sich immer wiederholenden Verformung auftreten und häufig als Nachteil solcher Verstelleinrichtungen angeführt werden, treten bei derartig geringen Gewichten in den Hintergrund.
Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, dass eine als Festkörpergelenk ausgebildete Verstelleinrichtung auch für komplexere, mehrteilige Werkzeuge, die in einer Zustellrichtung relativ zueinander bewegbar sind, eine Positionierung in zwei Richtungen ermöglicht. Eine solche als Festkörpergelenk ausgebildete Verstelleinrichtung bietet die notwendige Stabilität und ist wartungs- und schmiermittelfrei. Im Vergleich zur gestapelten Anordnung mehrerer Verstellschlitten kommt es zu einer enormen Platzersparnis. Die Werkzeugteile können damit relativ zueinander möglichst exakt positioniert werden, sodass ein optimales Bearbeitungsergebnis sichergestellt werden kann.
In einer Ausführungsform ist der Verbindungsteil der Verstelleinrichtung derart ausgebildet, dass der erste Teil und der zweite Teil ausschließlich in der ersten Richtung und/oder in der zweiten Richtung relativ zueinander bewegbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verstelleinrichtung derart ausgebildet, dass eine Relativbewegung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil in der ersten Richtung unabhängig von einer Relativbewegung in der zweiten Richtung möglich ist, wobei bevorzugt die erste Richtung und die zweite Richtung senkrecht zueinander stehen.
So wird sichergestellt, dass die translatorische Bewegung des Werkzeugteils, welches an dem zweiten Teil der Verstelleinrichtung befestigt ist, in nur zwei Achsen möglich ist. Alle anderen Freiheitsgrade werden durch eine entsprechende Biegesteifigkeit des Verbindungsteils verhindert. Die Positionierung des Werkzeugteils relativ zu dem anderen Werkzeugteil ist damit genauer.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Verbindungsteil stegförmige Abschnitte auf, die sich von dem ersten Teil zu dem zweiten Teil erstrecken, wobei die stegförmigen Abschnitte sich vorzugsweise in der ersten und/oder zweiten Richtung erstrecken. Stegförmige Geometrien bieten die für die Erfindung wesentliche Flexibilität in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in welcher sich der Steg der Länge nach erstreckt, während sich der Steg in der anderen Richtung durch eine erhöhte Biegesteifigkeit auszeichnet. Letztere führt in Kombination mit der Anordnung der stegförmigen Abschnitte in der ersten und/oder zweiten Richtung dazu, dass nur Relativbewegungen in der ersten und/oder zweiten Richtung möglich sind, während andere Relativbewegungen effektiv unterbunden werden.
Insbesondere weisen die stegförmigen Abschnitte eine Breite von mindestens 0,5 mm und höchstens 2 mm auf. Vorzugsweise haben die stegförmigen Abschnitte sowohl biegeweiche Bereiche mit Breiten von 0,5 mm bis 2 mm sowie dazwischenliegende biegesteife Bereiche mit einer höheren Breite. Die Breite beschreibt dabei die Ausdehnung der stegförmigen Abschnitte in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in welcher sich der Steg der Länge nach erstreckt. Biegeweich bedeutet in Sinne der vorliegenden Erfindung, dass die stegförmigen Abschnitte bei Krafteinwirkung, die für die Verstellung der Werkzeugteile erforderlich ist, verformbar sind, wohingegen biegesteif bedeutet, dass die stegförmigen Abschnitte bei gleicher Krafteinwirkung nicht verformbar sind.
Die Länge der stegförmigen Abschnitte orientiert sich an einem beabsichtigen Verstellbereich der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung. Der Verstellbereich, also der Bereich, in welchem die Werkzeugteile relativ zueinander beweglich sind, erstreckt sich typischerweise in einem Bereich von mindestens 1 mm bis höchstens 10 mm. Hierzu beträgt die Länge der stegförmigen Abschnitte typischerweise das 20- bis 100-fache des Verstellbereichs.
Um unerwünschte Freiheitsgrade zu eliminieren, richtet sich die Höhe der stegförmigen Abschnitte, also die Ausdehnung der stegförmigen Abschnitte parallel zu der Zustellrichtung, nach der gewünschten Biegesteifigkeit sowie den verwendeten Werkzeugteilen. Bei Werkzeugteilen, die keine oder nur geringe Kippmomente auf die Verstelleinrichtung ausüben, kann eine Höhe der stegförmigen Abschnitte 1,5 mm betragen, wohingegen die Höhe bei Werkzeugteilen, die ein hohes Kippmoment indizieren, bis zu 30 mm betragen kann. Die Höhe der stegförmigen Abschnitte beträgt damit vorzugsweise mindestens 1,5 mm und höchstens 30 mm. So wird sichergestellt, dass auch schwere Werkzeugteile zuverlässig positioniert werden können.
In einer Ausführungsform ist die Verstelleinrichtung daher derart ausgestaltet, dass mit der Verstelleinrichtung ein Werkzeugteil mit einem Gewicht von mindestens 100 kg positionierbar ist.
Bevorzugt ist die Verstelleinrichtung weiter derart eingerichtet, dass mit der Verstelleinrichtung das Werkzeugteil mindestens +/- 4 mm mit einer Genauigkeit von 0,01 mmm in der ersten und/oder der zweiten Richtung von einer Ausgangslage aus bewegbar ist. Verstelleinrichtungen, die derart schwere Werkzeugteile über die beanspruchte Strecke mit der beanspruchten Genauigkeit transportieren können, sind bisher aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Teil, der zweite Teil und der Verbindungsteil der Verstelleinrichtung aus Aluminium gefertigt. Aluminium bietet den Vorteil, dass die elastische Dehnung über weite Bereiche der zulässigen Verformung verfügbar ist. Die Verwendung von Aluminium ermöglicht damit besonders große Verstellbereiche bei vergleichsweise kleinen Bauformen. Zudem bietet Aluminium den Vorteil, dass es wiederholt verformbar ist, ohne signifikante Zeichen von Materialermüdung aufzuweisen, die die Belastbarkeit der Verstelleinrichtungen beeinträchtigen würden. Die Verwendung von Aluminium führt damit zu einer besonders langlebigen Verstelleinrichtung.
In einer Ausführungsform weist der erste Teil eine Ausnehmung auf, wobei der zweite Teil der Verstelleinrichtung in der Ausnehmung des ersten Teils angeordnet ist, wobei der Verbindungsteil zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil in der Ausnehmung angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird insbesondere eine rotative Relativbewegung des zweiten Teils gegenüber dem ersten Teil effektiv stabilisiert, indem die Flexibilität des Verbindungsteils sowie der Bewegungsspielraum des zweiten Teils durch die Ausnehmung des ersten Teils begrenzt werden.
Bevorzugt weist die Ausnehmung des ersten Teils einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Ausnehmung von vier Seitenwänden begrenzt wird, wobei zwei benachbarte Seitenwände jeweils senkrecht zueinanderstehen und eine Innenkante der Ausnehmung bilden. Dabei ist der zweite Teil weiter kreuzförmig mit vier Schenkeln und einem Mittelteil ausgebildet, wobei sich die vier Schenkel des zweiten Teils von jeweils einer Seitenwand des Mittelteils senkrecht in Richtung der Seitenwände der Ausnehmung des ersten Teils erstrecken, wobei die Schenkel in einer Ebene ausgebildet sind, wobei zwei benachbarte Schenkel jeweils senkrecht zueinander stehen. Weiter ist jeweils ein Schenkel des kreuzförmigen zweiten Teils zwischen zumindest zwei stegförmigen Abschnitten des Verbindungsteils angeordnet, wobei sich die stegförmigen Abschnitte jeweils von einer Außenkante des Mittelteils, die von den Seitenwänden des Mittelteils gebildet werden, senkrecht zu den Seitenwänden der Ausnehmung des ersten Teils erstrecken, wobei die stegförmigen Abschnitte mit weiteren stegförmigen Abschnitten des Verbindungsteils stoffschlüssig verbunden sind, wobei sich die weiteren stegförmigen Abschnitte des Verbindungsteils parallel zu den Seitenwänden der Ausnehmung des ersten Teils erstrecken und in den Innenkanten der Ausnehmung mit dem ersten Teil stoffschlüssig verbunden sind. Die erfindungsgemäße Anordnung der stegförmigen Abschnitte bietet eine konstruktiv vergleichsweise einfache Möglichkeit, eine ausschließliche Relativbewegung in der ersten und zweiten Richtung unabhängig voneinander zu realisieren. Es versteht sich, dass jedoch auch andere Anordnungen der stegförmigen Abschnitte, wie etwa gefaltete Anordnungen, in Frage kommen.
Besonders bevorzugt weist die Verstelleinrichtung weiter Führungselemente auf, wobei die Führungselemente an jeweils eine Stirnfläche der Schenkel, die der jeweiligen Seitenwand der Ausnehmung zugewandt ist, anschließen, wobei die Führungselemente zwischen zumindest zwei stegförmigen Abschnitten des Verbindungsteils angeordnet sind, zwischen denen auch der Schenkel angeordnet ist, wobei die Führungselemente derart ausgestaltet sind, dass Bewegungen in einer anderen als der ersten und der zweiten Richtung durch die Führungselemente verhindert werden.
Die Führungselemente stabilisieren damit die Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Teil der Verstelleinrichtung und damit zwischen den Werkzeugteilen des erfindungsgemäßen Werkzeuges zusätzlich. Insbesondere können dazu die Führungselemente zusätzlich zumindest teilweise in weiteren Ausnehmungen des ersten Teils angeordnet sein, die sich an die Ausnehmung, in welcher der zweite Teil und der Verbindungsteil angeordnet sind, anschließen und von den Abmessungen derart ausgestaltet sind, dass beispielsweise ein Endbereich eines Führungselementes spielgenau darin aufgenommen wird.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Verstelleinrichtung einen ersten Aktuator und einen zweiten Aktuator auf, wobei sowohl mit dem ersten Aktuator als auch mit dem zweiten Aktuator eine definierte Kraft auf den zweiten Teil ausübbar ist, sodass es zu einer Verformung des Verbindungsteils und einer definierten Bewegung des zweiten Teils in der ersten Richtung und/oder der zweiten Richtung kommt, wenn der erste und/oder der zweite Aktuator eine Kraft auf den zweiten Teil ausübt, wobei eine Richtung der Kraft, die mit dem ersten Aktuator auf den zweiten Teil ausübbar ist, von einer Richtung der Kraft, die mit dem zweiten Aktuator auf den zweiten Teil ausübbar ist, verschieden ist.
Aktuatoren können insbesondere auch elektronisch angesteuert sein, sodass die Positionierung der Werkzeugteile automatisiert erfolgen kann oder die Aktuatoren werde manuell bedient, was sich beispielsweise bei einer nur einmal notwendigen Positionierung der Werkzeugteile bei der Inbetriebnahme des Werkzeuges anbietet.
Die Aktuatoren können insbesondere auch unabhängig voneinander bedient werden, um eine unabhängige Positionierung in der ersten Richtung und der zweiten Richtung zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten und zweiten Aktuator um eine Schraube mit einem Außengewinde, wobei der erste Teil jeweils eine Durchgangsgewindebohrung für die Schraube aufweist, wobei die Schrauben zur Verformung des Verbindungsteils mit den Durchgangsgewindebohrungen in Eingriff bringbar sind, wobei mit den Schrauben eine definierte Kraft auf den zweiten Teil der Verstelleinrichtung ausübbar ist, während sich die Schrauben in den Durchgangsgewindebohrungen des ersten Teils abstützen.
Die Verwendung von Schrauben bietet eine besonders einfache Möglichkeit der Verformung des Verbindungsteils, die aufgrund der in Eingriff gebrachten Gewinde auch stabil genug ist, einen Gegendruck, den der Verbindungsteil auf die Schraube ausübt, standzuhalten.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Werkzeug um ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug.
Insbesondere umfasst in einer weiteren Ausführungsform ein erster Werkzeugteil der zumindest zwei Werkzeugteile einen Ultraschallgenerator, einen Konverter und eine Sonotrode, wobei ein zweiter Werkzeugteil der zumindest zwei Werkzeugteile ein Gegenwerkzeug umfasst, wobei der Konverter derart eingerichtet und mit der Sonotrode verbunden ist, dass der Konverter während des Betriebs des Ultraschallbearbeitungswerkzeuges eine mit dem Ultraschallgenerator erzeugte Ultraschallfrequenz in eine mechanische Schwingung umwandelt und an die Sonotrode weitergibt, wobei die Sonotrode und das Gegenwerkzeug jeweils eine Siegelfläche aufweisen, die während des Betriebes des Ultraschallbearbeitungswerkzeuges mit einem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt, wobei die Siegelfläche der Sonotrode der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges gegenüberliegt, wobei zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges das zu bearbeitende Material anordbar ist, wobei mit der Verstelleinrichtung der erste Werkzeugteil relativ zu dem zweiten Werkzeugteil in einer Ebene senkrecht zu der Zustellrichtung bewegbar ist, sodass die Siegelflächen der Sonotrode und des Gegenwerkzeuges relativ zueinander in der Ebene ausrichtbar sind.
Um ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erzielen, müssen die beiden Werkzeugteile, insbesondere die Siegelflächen der Sonotrode und des Gegenwerkzeuges in eine optimale Lage relativ zueinander gebracht werden. Dies wird durch die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung ermöglicht, indem einer der beiden Werkzeugteile relativ zu dem anderen Werkzeugteil in zwei Richtungen verstellt wird.
Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung kann dabei so genutzt werden, dass nur die Sonotrode oder das Gegenwerkzeug mit der Verstelleinrichtung bewegbar ist, oder ein größerer Werkzeugteil bestehend aus Sonotrode, Konverter und Ultraschallgenerator mit der Verstelleinrichtung bewegt wird. Letztere Anordnung im Maschinenfuß bietet den Vorteil, dass hier weniger Schwingungskräfte auftreten als zwischen Sonotrode und Konverter. Die Anordnung der Verstelleinrichtung im Maschinenfuß führt damit zu einer stabileren und genaueren Positionierungsmöglichkeit des Ultraschallbearbeitungswerkzeuges.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Verstelleinrichtung weiterhin eine Klemmvorrichtung auf, wobei mit der Klemmvorrichtung eine Position des ersten Werkzeugteils in einer Ebene senkrecht zu der Zustellrichtung relativ zu einer Position des zweiten Werkzeugteils fixierbar ist. Die Klemmvorrichtung stellt sicher, dass sich die Werkzeugteile während des Betriebs eines Werkzeuges in ihrer Position zueinander nicht verschieben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich. In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Werkzeugteils einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeuges mit Verstelleinrichtung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemä-ßen Verstelleinrichtung.
3 zeigt die Rückseite einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung.

1 zeigt einen ersten Werkzeugteil 2 des erfindungsgemäßen Werkzeuges 1, wobei der erste Werkzeugteil 2 einen Konverter 3 und eine Sonotrode 4 eines Ultraschallbearbeitungswerkzeuges sowie eine Maschinensäule 5 zur Halterung des Konverters 3 und der Sonotrode 4 aufweist. Die Sonotrode 4 kann zusammen mit dem Konverter 3 in einer Zustellrichtung 100 auf ein Gegenwerkzeug zu bewegt werden, um ein Material mittels Ultraschall zu bearbeiten.
Der erste Werkzeugteil 2 ist auf einer Verstelleinrichtung 10 montiert und mit Hilfe einer Klemmvorrichtung 60 relativ zu einem zweiten Werkzeugteil, der nicht dargestellt ist, fixiert. Zu diesem Zweck weist die Klemmvorrichtung 60 Schrauben auf, die von einer Montageplatte 6, auf der die Maschinensäule 5 montiert ist, aus in den ersten Teil 20 der Verstelleinrichtung 10 eingreifen.
Um den ersten Werkzeugteil 2 relativ zu einem zweiten Werkzeugteil zu bewegen, wird die Klemmvorrichtung 60 gelöst und die Verstelleinrichtung 10, die im Folgenden genauer beschrieben wird, zur Bewegung der Werkzeugteile relativ zueinander verwendet.
Die 2 und 3 zeigen den detaillierten Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 10.
Die Verstelleinrichtung 10 weist einen ersten Teil 20, einen zweiten Teil 30 und ein Verbindungsteil 40 auf, wobei sich der Verbindungsteil 40 aus den stegförmigen Abschnitten 41a und 41b zusammensetzt. Der Verbindungsteil 40 verbindet den ersten Teil 20 mit dem zweiten Teil 30 wobei der Verbindungsteil 40 flexibel ausgebildet ist, sodass der zweite Teil 30 relativ zu dem ersten Teil 20 beweglich ist.
2 zeigt zusätzlich noch die Montageplatte 6 des ersten Werkzeugteils 2, die auf dem zweiten Teil 30 der Verstelleinrichtung 10 mittels Montageschrauben 26 und Passstiften 27 fixiert wird, um eine Bewegung des ersten Werkzeugteils 2 an eine Bewegung des zweiten Teils 30 zu koppeln.
Die Beweglichkeit des zweiten Teils 30 relativ zu dem ersten Teil 20 ist auf eine erste Richtung 101 und eine zweite Richtung 102 durch die Anordnung der stegförmigen Abschnitte 41 a, 41 b sowie Führungselemente 50 begrenzt. Die Richtungen 101 und 102 stehen senkrecht zueinander und sind jeweils senkrecht zu der Zustellrichtung 100 des Werkzeuges 1. Weiter erfolgen die Relativbewegungen zwischen dem ersten Teil 10 und dem zweitem Teil 20 in der ersten Richtung 101 und in der zweiten Richtung 102 unabhängig voneinander.
In der gezeigten Ausführungsform weist der erste Teil 20 eine Ausnehmung 21 auf, in welcher der zweite Teil 30 der Verstelleinrichtung 10 aufgenommen ist. Die Ausnehmung 21 wird dabei von vier Seitenwänden 22 begrenzt, wobei zwei benachbarte Seitenwände 22 jeweils senkrecht zueinanderstehen und eine Innenkante 23 der Ausnehmung 21 bilden.
Der zweite Teil 30 der Verstelleinrichtung 10 ist kreuzförmig ausgestaltet mit vier Schenkeln 31 und einem Mittelteil 32. Die Schenkel 31 des zweiten Teils 30 erstrecken sich dabei von einer Seitenwand des Mittelteils 32 aus in Richtung der Seitenwände 22 der Ausnehmung 21, wobei benachbarte Schenkel 31 jeweils senkrecht zueinanderstehen und die Schenkel 31 in einer Ebene angeordnet sind.
Weiter ist jeweils ein Schenkel 31 des kreuzförmigen zweiten Teils 30 zwischen zwei stegförmigen Abschnitten 41a des Verbindungsteils 40 angeordnet, wobei sich die stegförmigen Abschnitte 41a von einer Außenkante 33 des Mittelteils 32 senkrecht zu den Seitenwänden 22 der Ausnehmung 21 des ersten Teils 20 und damit parallel zu dem eingeschlossenen Schenkel 31 erstrecken.
Die stegförmigen Abschnitte 41a sind stoffschlüssig mit weiteren stegförmigen Abschnitten 41b des Verbindungsteils 40 verbunden, wobei sich die weiteren stegförmigen Abschnitte 41b des Verbindungsteils 40 jeweils parallel zu den Seitenwänden 22 der Ausnehmung 21 des ersten Teils 20 erstrecken und in den Innenkanten 23 der Ausnehmung 21 mit dem ersten Teil stoffschlüssig verbunden sind. Somit sind der insgesamt der erste Teil 20 und der zweite Teil 30 durch den Verbindungsteil 40 stoffschlüssig, d.h. einstückig, miteinander verbunden. Die Beweglichkeit des zweiten Teils 30 relativ zu dem ersten Teil 20 ergibt sich aus der Flexibilität des Verbindungsteils 40. Der erste Teil 20, der zweite Teil 30 und der Verbindungsteil 40 bilden damit ein Festkörpergelenk im Sinne der Definition der „IFToMM permanent commission for the standardization of terminology“.
Die Führungselemente 50 sind jeweils an den Stirnflächen der Schenkel 31, die der jeweiligen Seitenwand 22 der Ausnehmung 21 zugewandt sind, angeschlossen, wobei die Führungselemente 50 zwischen den zwei stegförmigen Abschnitten 41a des Verbindungsteils 40 angeordnet sind, zwischen denen auch der Schenkel 31 angeordnet ist, an den das jeweilige Führungselement 50 anschließt. Die Führungselemente 50 bilden damit eine Verlängerung der Schenkel 31 und überstützen die Begrenzung der Relativbewegung auf die erste und zweite Richtung 101, 102.
Um den zweiten Teil 30 zusammen mit dem ersten Werkzeugteil 2 relativ zu dem ersten Teil 20 zu bewegen, verfügt die Verstelleinrichtung 10 über einen ersten Aktuator 11 und einen zweiten Aktuator 12, die als Schrauben ausgebildet sind und in jeweils eine Durchgangsgewindebohrung 24 eingreifen, die im ersten Teil 20 ausgebildet sind. Die Schrauben 11, 12 üben dabei eine definierte Kraft auf den zweiten Teil 30 aus, indem die Schraube 11, 12 auf das Führungselement 50 drückt, während sie sich in der Durchgangsgewindebohrung 24 des ersten Teils 20 abstützt. Dadurch kommt es zu einer Verformung des Verbindungsteils 40 und somit zu einer Bewegung des zweiten Teils 30 gegenüber dem ersten Teil 20.
Wurde das erste Werkzeugteil 2 wie gewünscht positioniert, kann die Position mit Hilfe der Klemmvorrichtung 60 relativ zu einem weiteren Werkzeugteil wieder fixiert werden.
Das erfindungsgemäße Werkzeug mit Verstelleinrichtung ermöglicht daher eine genaue Positionierung von zwei oder mehr Werkzeugteilen relativ zueinander ohne viel Platz zu benötigen. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung 10 ist zudem schmiermittelfrei und kann damit beispielsweise auch in der Lebensmittel- oder Medizinindustrie eingesetzt werden.
Bezugszeichen

1: Werkzeug
2: erster Werkzeugteil
3: Konverter
4: Sonotrode
5: Maschinensäule
6: Montageplatte
10: Verstelleinrichtung
11: erster Aktuator
12: zweiter Aktuator
20: erster Teil
21: Ausnehmung
22: Seitenwände der Ausnehmung
23: Innenkante der Ausnehmung
24: Durchgangsgewindebohrungen
26: Montageschrauben
27: Passstift
30: zweiter Teil
31: Schenkel des zweiten Teils
32: Mittelteil des zweiten Teils
33: Außenkante Mittelteil
40: Verbindungsteil
41a, 41b: stegförmige Abschnitte
50: Führungselemente
60: Klemmvorrichtung
100: Zustellrichtung
101: erste Richtung
102: zweite Richtung

Claims

Werkzeug (1) mit zumindest zwei Werkzeugteilen und einer Verstelleinrichtung (10), wobei die Werkzeugteile in einer Zustellrichtung (100) relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Verstelleinrichtung (10) einen ersten Teil (20), einen zweiten Teil (30) und einen Verbindungsteil (40) aufweist, wobei der zweite Teil (30) relativ zu dem ersten Teil (20) beweglich ist, wobei der Verbindungsteil (40) den ersten Teil (20) und den zweiten Teil (30) miteinander verbindet, wobei der zweite Teil (30) der Verstelleinrichtung (10) derart ausgestaltet ist, dass an dem zweiten Teil (30) einer (2) der zumindest zwei Werkzeugteile befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (10) als Festkörpergelenk ausgestaltet ist, wobei der erste Teil (20), der zweite Teil (30) und der Verbindungsteil (40) einstückig ausgebildet sind und der Verbindungsteil (40) flexibel ausgebildet ist, sodass eine Bewegung des zweiten Teils (30) relativ zu dem ersten Teil (20) in einer ersten Richtung (101) und in einer zweiten Richtung (102) durch den Verbindungsteil (40) ermöglicht wird, wobei die erste Richtung (101) und die zweite Richtung (102) jeweils senkrecht zu der Zustellrichtung (100) des Werkzeuges (1) stehen, sodass die Werkzeugteile in einer Ebene, die senkrecht zu der Zustellrichtung (100) des Werkzeuges (1) ausgerichtet ist, mit der Verstelleinrichtung (10) relativ zueinander bewegbar sind.
Werkzeug (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Verbindungsteil (40) der Verstelleinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass der erste Teil (20) und der zweite Teil (30) ausschließlich in der ersten Richtung (101) und/oder in der zweiten Richtung (102) relativ zueinander bewegbar sind.
Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstelleinrichung (10) derart ausgebildet ist, dass eine Relativbewegung zwischen dem ersten (20) und dem zweiten Teil (30) in der ersten Richtung (101) unabhängig von einer Relativbewegung in der zweiten Richtung (102) möglich ist, wobei bevorzugt die erste Richtung (101) und die zweite Richtung (102) senkrecht zueinander stehen.
Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsteil (40) stegförmige Abschnitte (41a, 41b) aufweist, die sich von dem ersten Teil (20) zu dem zweiten Teil (30) erstrecken, wobei die stegförmigen Abschnitte (41a, 41b) sich vorzugsweise in der ersten (101) und/oder der zweiten Richtung (102) erstrecken.
Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teil (20) eine Ausnehmung (21) aufweist, wobei der zweite Teil (30) der Verstelleinrichtung (10) in der Ausnehmung (21) des ersten Teils (20) angeordnet ist, wobei der Verbindungsteil (40) zwischen dem ersten Teil (20) und dem zweiten Teil (30) in der Ausnehmung (21) angeordnet ist.
Werkzeug (1) nach Anspruch 5 soweit abhängig von Anspruch 4, wobei die Ausnehmung (21) des ersten Teils (20) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Ausnehmung (21) von vier Seitenwänden (22) begrenzt wird, wobei zwei benachbarte Seitenwände (22) jeweils senkrecht zueinander stehen und eine Innenkante (23) der Ausnehmung (21) bilden, wobei der zweite Teil (30) kreuzförmig mit vier Schenkeln (31) und einem Mittelteil (32) ausgebildet ist, wobei sich die vier Schenkel (31) des zweiten Teils (30) von jeweils einer Seitenwand des Mittelteils (32) senkrecht in Richtung der Seitenwände (22) der Ausnehmung (21) des ersten Teils (20) erstrecken, wobei die Schenkel (31) in einer Ebene ausgebildet sind, wobei zwei benachbarte Schenkel (31) jeweils senkrecht zueinander stehen, wobei jeweils ein Schenkel (31) des kreuzförmigen zweiten Teils (30) zwischen zumindest zwei stegförmigen Abschnitten (41a) des Verbindungsteils (40) angeordnet ist, wobei sich die stegförmigen Abschnitte (41a) jeweils von einer Außenkante (33) des Mittelteils (32), die von den Seitenwänden des Mittelteils (32) gebildet werden, senkrecht zu den Seitenwänden (22) der Ausnehmung (21) des ersten Teils (20) erstrecken, wobei die stegförmigen Abschnitte (41a) mit weiteren stegförmigen Abschnitten (41b) des Verbindungsteils (40) stoffschlüssig verbunden sind, wobei sich die weiteren stegförmigen Abschnitte (41b) des Verbindungsteils (40) parallel zu den Seitenwänden (22) der Ausnehmung (21) des ersten Teils (20) erstrecken und in den Innenkanten (23) der Ausnehmung (21) mit dem ersten Teil (20) stoffschlüssig verbunden sind.
Werkzeug (1) nach Anspruch 6, wobei die Verstelleinrichtung (10) Führungselemente (50) aufweist, wobei die Führungselemente (50a) an jeweils eine Stirnfläche der Schenkel (31), die der jeweiligen Seitenwand (22) der Ausnehmung (21) zugewandt ist, anschließen, wobei die Führungselemente (50) zwischen zumindest zwei stegförmigen Abschnitten (41a) des Verbindungsteils (40) angeordnet sind, zwischen denen auch der Schenkel (31) angeordnet ist, wobei die Führungselemente (50) derart ausgestaltet sind, dass Bewegungen in einer anderen als der ersten (101) und der zweiten Richtung (102) durch die Führungselemente (50) verhindert werden.
Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstelleinrichtung (10) einen ersten Aktuator (11) und einen zweiten Aktuator (12) aufweist, wobei sowohl mit dem ersten Aktuator (11) als auch mit dem zweiten Aktuator (12) eine definierte Kraft auf den zweiten Teil (30) ausübbar ist, sodass es zu einer Verformung des Verbindungsteils (40) und einer definierten Bewegung des zweiten Teils (30) in der ersten Richtung (101) und/oder der zweiten Richtung (102) kommt, wenn der erste (11) und/oder der zweite Aktuator (12) eine Kraft auf den zweiten Teil (30) ausübt, wobei eine Richtung der Kraft, die mit dem ersten Aktuator (11) auf den zweiten Teil (30) ausübbar ist, von einer Richtung der Kraft, die mit dem zweiten Aktuator (12) auf den zweiten Teil (30) ausübbar ist, verschieden ist.
Werkzeug (1) nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem ersten (11) und zweiten Aktuator (12) um eine Schraube (11,12) handelt, wobei der erste Teil (20) jeweils eine Durchgangsgewindebohrung (24, 25) für die Schraube aufweist, wobei die Schrauben (11,12) zur Verformung des Verbindungsteils (40) mit den Durchgangsgewindebohrungen (24, 25) in Eingriff bringbar sind, wobei mit den Schrauben (11, 12) eine definierte Kraft auf den zweiten Teil (30) der Verstelleinrichtung (10) ausübbar ist, während sich die Schrauben (11, 12) in den Durchgangsgewindebohrungen (24,25) des ersten Teils (20) abstützen.
Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Werkzeug (1) um ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug handelt.
Werkzeug (1) nach Anspruch 10, wobei ein erster Werkzeugteil (2) der zumindest zwei Werkzeugteile einen Ultraschallgenerator, einen Konverter (3) und eine Sonotrode (4) umfasst, wobei ein zweiter Werkzeugteil der zumindest zwei Werkzeugteile ein Gegenwerkzeug umfasst, wobei der Konverter (3) derart eingerichtet und mit der Sonotrode (4) verbunden ist, dass der Konverter (3) während des Betriebes des Ultraschallbearbeitungswerkzeuges (1) eine mit dem Ultraschallgenerator erzeugte Ultraschallfrequenz in eine mechanische Schwingung umwandelt und an die Sonotrode (4) weitergibt, wobei die Sonotrode (4) und das Gegenwerkzeug jeweils eine Siegelfläche aufweisen, die während des Betriebes des Ultraschallbearbeitungswerkzeuges mit einem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt, wobei die Siegelfläche der Sonotrode der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges gegenüber liegt, wobei zwischen der Siegelfläche der Sonotrode (4) und der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges das zu bearbeitende Material anordbar ist, wobei mit der Verstelleinrichtung (10) der erste Werkzeugteil (2) relativ zu dem zweiten Werkzeugteil in einer Ebene senkrecht zu der Zustellrichtung (100) bewegbar ist, sodass die Siegelflächen der Sonotrode (4) und des Gegenwerkzeuges relativ zueinander in der Ebene ausrichtbar sind.
Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstelleinrichtung (10) weiterhin eine Klemmvorrichtung (60) aufweist, wobei mit der Klemmvorrichtung (60) eine Position des ersten Werkzeugteils (2) in einer Ebene senkrecht zu der Zustellrichtung (100) relativ zu einer Position des zweiten Werkzeugteils fixierbar ist.