DE19513246A1 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn - Google Patents

Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn

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DE19513246A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit einem Bearbeitungswerkzeug, zum Beispiel einer eine Sonotrode aufweisenden Ultraschalleinheit, und einem Gegenwerkzeug, wobei die Materialbahn durch einen Spalt zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug geführt und dabei von der Sonotrode bearbeitet wird, wobei die Sonotrode in einer Halterung eingespannt ist und die Halterung über eine Verstelleinrichtung bezüglich dem Werkzeug verstellbar ist.
Zusätzlich zu Rotationsstanz- und -schneidwalzen, mit denen endlose Materialbahnen bearbeitet werden, werden in zunehmendem Maße Ultraschall-Sonotroden verwendet, mit denen die Materialbahn geschnitten, perforiert, gestanzt, geprägt, wärmebehandelt oder auf ähnliche Weise bearbeitet wird.
Entscheidend ist sowohl bei den herkömmlichen Stanz- und Schneidwalzen als auch bei den Sonotroden, daß der Spalt zwischen der Spitze des Bearbeitungswerkzeugs und dem Gegenwerkzeug, welches eine sich drehende Walze oder eine ebene Fläche sein kann, eine konstante Höhe aufweist. Durch diesen Spalt wird die zu bearbeitende Materialbahn, die auch aus mehreren Schichten bestehen kann, hindurchgeführt. Aufgrund der bei der Bearbeitung entstehenden Wärme ändert sich die Länge des Bearbeitungswerkzeugs, zum Beispiel der Sonotrode, was zu einer Änderung der Spalthöhe führen kann. Ein zu enger Spalt führt jedoch in der Regel zu einer Verschlechterung der Materialbearbeitung und kann unter Umständen in einer Beschädigung der Materialbahn oder der Werkzeuge resultieren. Ein zu weiter Spalt ergibt eine nicht akzeptable Siegelqualität. Es wird daher angestrebt, den Spalt möglichst konstant zu halten. Unter Umständen wird ein zu großer Spalt toleriert, um Sicherheit bei einer Spaltverengung zu haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit ihr ein weitestgehend konstanter Spalt für die Bearbeitung der Materialbahn aufrecht erhalten wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein die Temperatur der Sonotrode erfassender Sensor vorgesehen ist, daß der Sensor mit einer Steuereinrichtung verbunden ist und daß die Steuereinrichtung abhängig vom Signal des Sensors eine Änderung des Abstands der Halterung zum Gegenwerkzeug oder dessen Halterung bewirkt.
Mittels der Steuereinrichtung kann erfindungsgemäß der Abstand des Bearbeitungswerkzeugs zum Gegenwerkzeug auf ein konstantes Maß gehalten werden. Dabei wird die Temperatur der Sonotrode gemessen und dieses Signal als Steuersignal der Steuereinrichtung zugeführt, die ihrerseits eine Veränderung des Abstands der Halterung der Sonotrode zum Gegenwerkzeug bewirkt. Nimmt die Temperatur der Sonotrode zu, was sich in einer Längenänderung der Sonotrode auswirkt, dann wird diese Längenänderung, die eine Verringerung der Spalthöhe verursachen würde, durch eine Entfernung der Halterung der Sonotrode vom Gegenwerkzeug kompensiert. Dabei entspricht der Verstellweg der Halterung exakt der Längenänderung der Sonotrode. Diese Werte werden zuvor empirisch ermittelt und in der Steuereinrichtung als Formel oder in Form einer Matrix abgespeichert. Temperaturbedingte Längenänderungen in der Sonotrode können auf diese Weise problemlos ausgeglichen werden.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, daß sich der Temperatursensor im Knotenbereich oder im Bereich der Spitze der Sonotrode befindet. Dabei wird unter dem Begriff Spitze der der Materialbahn zugewandte Bereich der Sonotrode verstanden. Dieser Bereich wird mechanisch am meisten beansprucht und befindet sich außerdem zwischen dem Spalt und der Halterung der Sonotrode. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Sensor ein Infrarot-Sensor, was den Vorteil hat, daß die Messung berührungslos durchgeführt werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung, z. B. eine Steuerung für einen Piezoaktuator direkt mit der Verstelleinrichtung, z. B. dem Piezoaktuator verbunden. Dies hat den Vorteil, daß über die Verstelleinrichtung direkt die Lage der Sonotrode verstellt und dadurch eine Längenänderung kompensiert wird. Außerdem ist diese Ausführungsform mit einer geringen Anzahl an Bauteilen zu verwirklichen.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Verstelleinrichtung ein elastisches Element mit im wesentlichen linearer Federkonstante ist. Durch dieses elastische Element, dessen Federkraft entgegen der Zustellrichtung der Sonotrode wirkt, wird die Sonotrode auf Abstand zum Gegenwerkzeug gehalten. In diesem Falle ist die Steuereinrichtung mit einem Zustellantrieb für die Sonotrode verbunden. Dabei ist über die Steuereinrichtung die Zustellkraft im Zustellantrieb, z. B. ein hydraulischer Antrieb, ansteuerbar. Wird die Zustellkraft verringert, dann wird das elastische Element entlastet, wodurch die Halterung der Sonotrode vom Gegenwerkzeug entfernt wird.
Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Verstelleinrichtung ein erstes, die Halterung abstützendes Element, ein zweites, auf dem Gegenwerkzeug oder dessen Halterung sich abstützendes Element und ein oder mehrere die beiden Elemente auf Abstand zueinander haltende Abstandshalter aufweist. Dabei können die Abstandshalter sowie die beiden Elemente jeweils eine sehr hohe Federkonstante aufweisen. Im besonderen Falle sind die Abstandshalter Stahlkugeln, die sich auf ebenen Scheiben aus gehärtetem Stahl abstützen, was zu einer Hertz′schen Pressung führt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Verstelleinrichtung ein Piezoaktuator, mit dem der Abstand zwischen der Halterung für die Sonotrode und dem Gegenwerkzeug verstellt wird. Dieser Piezoaktuator wird über eine Steuereinrichtung angesteuert und kompensiert somit direkt die Längenänderung der Sonotrode.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen dargestellt ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform mit in einer Halterung eingespannter Sonotrode und einer zwischen der Halterung und dem Gegenwerkzeug sich befindender Verstelleinrichtung;
Fig. 2 ein Diagramm, aus welchem die einzelnen Umwandlungsstufen des Temperatursignals erkennbar ist;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 4 ein zur Fig. 3 korrespondierendes Diagramm, aus dem die Umwandlung des Temperatursignals ersichtlich ist.
Bei dem in der Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist in einer Halterung 1 eine Sonotrode 2, welche ein Bearbeitungswerkzeug 3 darstellt, in ihrem Nullpunkt 4 eingespannt. Die Sonotrodenspitze 5 zeigt in Richtung auf ein Gegenwerkzeug 6, zum Beispiel eine rotierende Walze oder dergleichen. Dieses Gegenwerkzeug 6 ist drehbar in einer Walzenhalterung 7 eingespannt. Der Nullpunkt 4 der Sonotrode 2 weist einen Abstand A vom Gegenwerkzeug 6 auf. Mit L ist die schwingende Sonotrodenlänge ab dem Nullpunkt 4 bis zur Sonotrodenspitze 5 bezeichnet. Die Sonotrodenspitze 5 und das Gegenwerkzeug 6 bilden einen Spalt 8 mit einer Spalthöhe H, die der Differenz des Abstandes A des Nullpunkts 4 vom Gegenwerkzeug 6 und der Sonotrodenlänge L entspricht. Durch diesen Spalt 8 wird eine nicht dargestellte Materialbahn geführt, die beim Durchtritt durch den Spalt 8 von der Sonotrode 2 bearbeitet wird. Dabei wird die Sonotrode 2 über einen nicht dargestellten, mit dem Halter 1 verbundenen Zustellantrieb, der eine in Richtung des Pfeils 9 wirkende Zustellkraft auf die Sonotrode 2 ausübt, belastet. Die Zustellkraft wird unabhängig vom Betrieb der Sonotrode 2 aufgebracht. Die durch die Bearbeitung der Materialbahn entstehende Wärme bewirkt eine Temperaturänderung der Sonotrode 2, was in einer Längenänderung der Sonotrodenlänge L resultiert. Die Temperatur T und somit die Temperaturänderung der Sonotrode 2 wird über einen Sensor 10, zum Beispiel einem Infrarot-Sensor, erfaßt. Der Meßwert des Sensors 10 wird als Steuersignal 11 einer Steuereinrichtung 12 zugeleitet, über die der Verstellantrieb für die Zustellkraft verstellt wird. Die Kraftänderung ΔF ist dabei eine Funktion der Temperaturänderung ΔΘ. Diese Kraftänderung bewirkt eine Änderung der Belastung der Verstelleinrichtung 13, über die sich die Halterung 1 an der Walzenhalterung 7 abstützt.
Diese Verstelleinrichtung 13 ist im wesentlichen elastisch und weist ein erstes, die Halterung 1 abstützendes Element 14 und ein zweites, auf der Walzenhalterung 7 sich abstützendes Element 15 auf. Zwischen den beiden Elementen 14 und 15 befinden sich Kugeln 16, die in geeigneten Führungen gehalten sind. Wird die Verstelleinrichtung 13 mit Druck beaufschlagt, dann werden die Kugeln 16 und die Elemente 14 und 15 an den Berührflächen elastisch verformt, wobei der Druck gemäß der Hertz′schen Pressung verteilt ist. Wird der Druck auf die Verstelleinrichtung 13 verringert, dann entspannen sich die Elemente 14, 15 und die Kugeln 16 und vergrößern den Abstand zwischen der Halterung 1 und der Walzenhalterung 7. Auf diese Weise kann durch eine Kraftänderung ΔF eine temperaturbedingte Längenänderung ΔL der Sonotrodenlänge L kompensiert werden.
Kühlt sich die Sonotrode 2 ab, was in einer Verkürzung der Sonotrodenlänge L resultiert, wird die Temperaturänderung vom Sensor 10 erfaßt, dessen Sensorsignal 11 an die Steuereinrichtung 12 weitergegeben wird, die die Zustellkraft erhöht, wodurch die Verstelleinrichtung 13 um den Betrag ΔL zusammengepreßt wird, der exakt der Verkürzung der Sonotrodenlänge L entspricht (Fig. 2).
Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, in der die Sonotrode 2 ebenfalls in einer Halterung 1 fixiert ist. Der Halter 1 ergreift die Sonotrode 2 in deren Schwingungsknoten, d. h. im Nullpunkt 4. Dieser Halter 1 stützt sich über eine Verstelleinrichtung 17 an einem Anschlag 18 ab. Die Verstelleinrichtung 17 wird beispielsweise von einem Piezoaktuator 19 gebildet, der mit einer Steuereinrichtung 20 verbunden ist. Diese Steuereinrichtung 20 ist außerdem mit einem Sensor 21 verbunden (Fig. 4), der die Temperatur T der Sonotrodenspitze 5 erfaßt.
Erhöht sich die Temperatur T der Sonotrodenspitze 5 während des Betriebs, dann steuert die Steuereinrichtung 20 aufgrund dieser Temperaturänderung ΔΘ den Piezoaktuator 19 derart an, daß dieser den Halter 1 über eine vorgegebene Wegstrecke ΔL vom Gegenwerkzeug 6 entfernt. Auf diese Weise wird die temperaturbedingte Längenänderung ΔL der Sonotrode 2 ausgeglichen, so daß der Spalt 8 nach wie vor eine konstante Spalthöhe H aufweist. Neben eine Erfassung der Temperatur T der Sonotrode 2 kann auch die Temperatur des Gegenwerkzeugs 6 erfaßt und als Steuerbefehl für den Piezoaktuator 19 verwendet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die eingestellte Spalthöhe H zum Beispiel von 5 bis 100 µm ohne weiteres beibehalten werden, wobei Längenausdehnungen bis zu 200 µm problemlos kompensierbar sind.
Aus einem Vergleich der Fig. 2 und 4, die Diagramme der Verarbeitung des Sensorssignals 11 zeigen, wird leicht erkennbar, daß das Sensorsignal 11 entweder direkt zur Längenänderung ΔL (Fig. 4) oder indirekt (Fig. 2) verwendet werden kann.
Anstelle der Sonotrode 2 kann auch ein anderes Bearbeitungswerkzeug 3, zum Beispiel eine Rotationsschneidwalze oder dergleichen mit dem Gegenwerkzeug 6 zusammenarbeiten und auf die Materialbahn einwirken. Auch hier ist eine konstante Spalthöhe H außerordentlich wichtig, da eine Kollision des Bearbeitungswerkzeugs 3 mit dem Gegenwerkzeug 6 eine Beschädigung der Schneidelemente zur Folge hätte.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit einem Bearbeitungswerkzeug (3), zum Beispiel einer eine Sonotrode (2) aufweisenden Ultraschalleinheit, und einem Gegenwerkzeug (6), wobei die Materialbahn durch einen Spalt (8) zwischen der Sonotrode (2) und dem Gegenwerkzeug (6) geführt und von der Sonotrode (2) bearbeitet wird, wobei die Sonotrode (2) in einer Halterung (1) eingespannt ist und die Halterung (1) über eine Verstelleinrichtung (13, 20) bezüglich dem Gegenwerkzeug (6) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Temperatur (T) der Sonotrode (2) erfassender Sensor (10, 21) vorgesehen ist, daß der Sensor (10, 21) mit einer Steuereinrichtung (12, 20) verbunden ist und daß die Steuereinrichtung (12, 20) abhängig vom Signal (11) des Sensors (10, 21) eine Änderung des Abstandes (A) der Halterung (1) zum Gegenwerkzeug (6) oder dessen Halterung bewirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (21) im Knotenbereich oder im Bereich der Spitze (5) der Sonotrode (2) vorgesehen ist, insbesondere ein berührender Sensor ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) ein Infrarot-Sensor ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (13, 17) ein aktives oder passives Element ist bzw. aktiv oder passiv ansteuerbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) direkt mit der Verstelleinrichtung (17) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (13, 17) ein elastisches Element mit im wesentlichen linearer Federkonstante ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12) mit einem Zustellantrieb für die Sonotrode (2) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuereinrichtung (12) die Zustellkraft im Zustellantrieb ansteuerbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (13) ein erstes, die Halterung (1) abstützendes Element (14), ein zweites, auf dem Gegenwerkzeug (6) oder dessen Halterung (7) sich abstützendes Element (15) und ein oder mehrere die beiden Elemente (14) auf Abstand zueinander haltende Abstandshalter (16) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter Kugeln (16) sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (17) ein Piezoaktuator (19) ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuereinrichtung (12, 20) der Spalt (8) direkt oder indirekt veränderbar ist.
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