DE19526354C1 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn - Google Patents
Vorrichtung zum Bearbeiten einer MaterialbahnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer
Materialbahn mit
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 oder Schneidqualität. 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.
Zwar ist aus der DE 31 43 030 A1 eine Vorrichtung zum
Schneiden von Flachmaterial bekannt, die einen Sensor zur
Abstandsmessung zwischen dem Sensor und dem Gegenwerkzeug
besitzt. Da der Sensor an einem Aufzugsschlitten zusammen mit
der Sonotrode befestigt ist, ist er nicht geeignet, eine durch
die Ausdehnung der Sonotrode verursachte Veränderung des
Spaltabstandes zu erfassen.
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
Spalthöhe zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug
erfassender Sensor vorgesehen ist, daß der Sensor mit einer
Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden ist und daß die
Steuer- oder Regeleinrichtung abhängig vom Signal des Sensors
eine Änderung des Abstands der Halterung zum Gegenwerkzeug
oder dessen Halterung bewirkt.
Mittels der Regeleinrichtung kann erfindungsgemäß der Abstand
des Bearbeitungswerkzeugs zum Gegenwerkzeug auf ein konstantes
Maß gehalten werden. Dabei wird die Spalthöhe gemessen und
dieses Signal als Steuersignal der Regeleinrichtung 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. Temperaturbedingte
Längenänderungen in der Sonotrode können auf diese Weise
problemlos ausgeglichen werden.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, daß sich der
Sensor im Knotenbereich oder im Bereich der Spitze der
Sonotrode oder im Gegenwerkzeug 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 in
unmittelbarer Nähe des Spalts. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel ist der Sensor ein Infrarot-Sensor, was
den Vorteil hat, daß die Messung berührungslos durchgeführt
werden kann.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein
Wirbelstromsensor im Gegenwerkzeug vorgesehen, so daß
zusätzlich zur Längenausdehnung der Sonotrode noch die
Wärmeausdehnung des Gegenwerkzeuges, was gleichfalls eine
Spaltveränderung zur Folge hat, von der Regeleinrichtung
erfaßt und kompensiert werden kann und auch diese Messung
berührungslos durchgeführt werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist die Regeleinrichtung, 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 oder
Stahlrollen, 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;
Fig. 4 ein zur Fig. 3 korrespondierendes Diagramm, aus dem
die Umwandlung des Temperatursignals ersichtlich
ist;
Fig. 5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform
einer Vorrichtung mit Verstelleinrichtung; und
Fig. 6 eine Ansicht der Verstelleinrichtung gemäß Fig. 5
in Richtung des Pfeils VI.
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 Spalthöhe H zwischen der Sonotrode 2 und dem
Gegenwerkzeug 6 wird über einen Sensor 10, zum Beispiel einem
Laser, Wirbelstrom- oder 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 AF ist
dabei eine Funktion der Änderung -H der Spalthöhe H. 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 Vergrößerung der
Spalthöhe H 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 Spalthöhe H
zwischen der Sonotrodenspitze 5 und dem Gegenwerkzeug 6
erfaßt.
Erhöht sich die Temperatur T der Sonotrodenspitze 5 während
des Betriebs, dann steuert die Steuereinrichtung 20 aufgrund
dieser Änderung ΔH der Spalthöhe H 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.
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.
Die Fig. 5 zeigt in Seitenansicht ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Sonotrode 2 in
die Halterung 1 eingespannt ist. Insbesondere sind im Bereich
des Schwingungsknotens Keile 22 vorgesehen, die in
entsprechende Nuten der Sonotrode 2 eingreifen. Diese Keile 22
sind an einer plattenförmigen Aufnahme 23 befestigt, welche
ihrerseits über ein Lager 24 schwenkbar gelagert sind. An der
dem Lager 24 gegenüberliegenden Seite der Aufnahme 23 befindet
sich die Verstelleinrichtung 13, über die die Schwenklage der
Aufnahme 23 veränderbar ist. Durch die Schwenklage der
Aufnahme 23 ist die Position der Sonotrodenspitze 5 gegenüber
der Oberfläche der Walze 6 und dadurch der Spalt H
veränderbar. Als Sensor zum Erfassen der Spalthöhe H ist bei
diesem Ausführungsbeispiel ein Wirbelstromsensor vorgesehen,
der im Gegenwerkzeug 6 untergebracht ist. Dieser
Wirbelstromsensor liefert an einen in Fig. 5 nur
andeutungsweise dargestellten Antrieb 25, zum Beispiel
Getriebemotor (Fig. 6), pneumatischen oder hydraulischen
Antrieb oder dergleichen ein Signal. Dieser Antrieb 25 ist
über eine elastische Kupplung 26 mit einem Schneckenradsatz 27
verbunden, über den die Achse 28 in Drehbewegung versetzt
werden kann. Die Achse 28 ist über entsprechende Lager 29
drehbar in einem Gehäuse 30 gelagert. Auf der Achse 28 sitzt
ein Laufrad 31, das sich auf der Aufnahme 23 abstützt. An der
Unterseite der Aufnahme 23 ist ein gehärtetes Druckstück 32
vorgesehen, welches auf einem Biegeträger 33 aufsitzt. Dieser
Biegeträger 33 ist elastisch verformbar nach Art einer
Blattfeder oder eines Blattfederpaketes und kann über das
Druckstück 32 vorgespannt werden. Die freien Enden des
Biegeträgers 33 sind in entsprechenden Aufnahmen des Gehäuses
30 befestigt. Aus der Fig. 5 ist ersichtlich, daß die
Drehachse 36 des Schneckenrades 34, an dem das Schraubenrad 35
des Schneckenradsatzes 27 angreift, exzentrisch zur Drehachse
37, d. h. bei der in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform
links von der Drehachse 37 liegt. Die Exzentrizität e beträgt
zum Beispiel 1 mm. Die Drehachse 36 des Schneckenrades 34
entspricht der Drehachse der Lager 29, so daß das Laufrad 31
exzentrisch um diese Achse 36 umlaufen kann. Auf diese Weise
wird das Laufrad 31 in Richtung des Biegeträgers 33 bewegt
oder von diesem entfernt. Der Biegeträger 33 kann somit
vorgespannt oder entspannt werden. Der Drehwinkel des
Laufrades 31 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel etwa 90°.
Mit der Verstelleinrichtung 13 kann die Spalthöhe H unabhängig
von Temperaturschwankungen der Sonotrode 2 oder des
Gegenwerkzeugs 6 auf einem voreingestellten Wert gehalten
werden.
Claims (15)
1. Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit
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, 17) bezüglich dem
Gegenwerkzeug (6) verstellbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß ein die Spalthöhe (H) zwischen der
Sonotrode (2) und dem Gegenwerkzeug (6) erfassender
Sensor (10, 21) vorgesehen ist, daß der Sensor (10, 21)
mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung (12, 20)
verbunden ist und daß die Steuer- oder Regeleinrichtung
(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 Sensor (21) im Knotenbereich oder im Bereich der
Spitze (5) der Sonotrode (2) oder im Gegenwerkzeug
vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor (10, 21) ein berührender oder berührungsloser Sensor,
insbesondere ein Infrarot-Sensor oder Wirbelstromsensor
oder Laser ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verstelleinrichtung (13, 17) ein aktives oder
passives Element ist oder aktiv oder passiv ansteuerbar
ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (20)
direkt mit der Verstelleinrichtung (17) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (13,
17) ein elastisches Element mit im wesentlichen linearer
Federkonstante ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (12) mit
einem Zustellantrieb für die Sonotrode (2) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
über die Regeleinrichtung (12) die Zustellkraft im
Zustellantrieb ansteuerbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
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, 15) 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 Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (13) eine
schwenkbar gelagerte Aufnahme für die Sonotrode (2)
aufweist und die Spalthöhe (H) durch Verschwenken der
Aufnahme einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Verschwenken der Aufnahme ein Exzenterantrieb
vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aufnahme in kaltem Zustand vorgespannt ist.
15. 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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