DE19861021B4 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung
(100) zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn
(M),
mit einem eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultraschallgenerator (6),
mit einem der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) gegenüberliegenden Gegenwerkzeug (30),
mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (M) durch den Spalt zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30)
und mit einem Antrieb (34) zum Anstellen der Sonotrode (7) gegen das Gegenwerkzeug,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonotrode (7) in ihrer Schwingungsrichtung über einen hochfrequenten Aktor (36) abgestützt ist, der von einer Steuerung beaufschlagt ist, die auf gemessene Veränderungen der Kraft oder des Abstands zwischen der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30) reagiert.
mit einem eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultraschallgenerator (6),
mit einem der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) gegenüberliegenden Gegenwerkzeug (30),
mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (M) durch den Spalt zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30)
und mit einem Antrieb (34) zum Anstellen der Sonotrode (7) gegen das Gegenwerkzeug,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonotrode (7) in ihrer Schwingungsrichtung über einen hochfrequenten Aktor (36) abgestützt ist, der von einer Steuerung beaufschlagt ist, die auf gemessene Veränderungen der Kraft oder des Abstands zwischen der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30) reagiert.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.
- Eine derartige Vorrichtung geht aus der
DE 195 26 354 C1 hervor. Die Bearbeitung besteht beispielsweise in der Verfestigung eines aus thermoplastischen Fasern bestehenden Vlieses durch stellenweise Verschmelzung der Fasern. Um zu einem optimalen Bearbeitungseffekt zu kommen, bedarf es einer sehr genauen Einhaltung des Abstandes zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug bzw. der Hüllfläche des gegebenenfalls auf diesem angebrachten Reliefs. Aus diesem Grund ist bekannten Vorrichtung ein Sensor vorgesehen, der die Spalthöhe zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug erfaßt und mit dessen Signal der Abstand geregelt wird. Die exakte und zuverlässige Erfassung der Spalthöhe ist jedoch ein schwieriges Unterfangen und bedarf einer aufwendigen Meßeinrichtung. - Die Einhaltung einer bestimmten Spalthöhe muß so genau erfolgen, da schon Temperaturschwankungen an der Sonotrode und die damit einhergehenden thermischen Ausdehnungen eine erhebliche Rolle spielen. Aus diesem Grund ist bei der Vorrichtung nach der
DE 195 13 246 C2 ein die Temperatur der Sonotrode erfassender Sensor vorgesehen, mit dessen Signal die Spalthöhe beeinflußt wird. Auf diese Weise wird aber nur ein Teilaspekt der die Spalthöhe verändernden Größe erfaßt, nämlich nur die temperaturbedingten Verlagerungen. - Wichtige weitere die Spalthöhe im Betrieb beeinflussende höherfrequente Änderungen ergeben sich aus den Rundlauffehlern der Gegenwalze, die meist das Gegenwerkzeug bildet, sowie Unregelmäßigkeiten der Materialbahn selbst.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einhaltung eines gleichmäßigen Bearbeitungseffektes zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird durch die Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
- Die Erfindung zielt darauf ab, auch die höherfrequenten Ungleichmäßigkeiten, die auf Schwingungen in dem Ultraschallbearbeitungssystem zurückzuführen sind, zu minimieren. Derartige schwingungsbedingte Unregelmäßigkeiten können durch Anregungen vielfältiger Art zustande kommen, zum Beispiel durch die erwähnten Bewegungen der Gegenwalze aufgrund von Rundlauffehlern, von Mitnahmeeffekten der Materialbahn, die sich an der Stirnfläche der Sonotrode quer zu dieser als Biegebeanspruchung auswirken, usw.
- Der erfindungsgemäß vorgesehene hochfrequente Aktor soll Abstandsänderungen der Sonotroden-Stirnfläche und der Gegenwalze gewissermaßen zuvorkommen, indem er zum Beispiel bei einer nicht richtig rundlaufenden Gegenwalze, wenn diese sich der Sonotroden-Stirnfläche nähert, die Sonotrode rechtzeitig zurückzieht, so daß es zu keiner stoßartigen Zusammenpressung der Materialbahn kommt und dieser Schwingungsgrund somit unterlaufen wird. Dabei geht es nicht nur um unrund laufende Gegenwalzen, sondern zum Beispiel auch um die Unregelmäßigkeiten der Bahn.
- Der Aktor muß entsprechend der Geschwindigkeit des Auftretens von solchen Abstandsänderungen zwischen Sonotroden-Stirnfläche und Gegenwalze sehr schnell reagieren können. Eine mit einem fluiden Druckmittel betätigte Kolben/Zylindereinheit ist hierzu nicht in der Lage.
- Deshalb ist der hochfrequente Aktor auch zusätzlich zu einer gegebenenfalls vorhandenen derartigen Kolben/Zylindereinheit vorgesehen, die die Aufgabe hat, die größeren Zustellbewegungen der Sonotrode zu bewerkstelligen.
- In Betracht kommen als hochfrequente Aktoren piezoelektrische (Anspruch 2) oder magnetostriktive Aktoren (Anspruch 3), die die in Betracht kommenden Hübe im Milli- oder Mikrosekundenbereich ausführen können. Piezoelektrische Aktuatoren sind in dem Aufsatz "Piezo-Aktuatoren für den mm-Bereich" von Tönshoff und Laux in der VDI-Z Special Antriebstechnik April 1994, Seiten 48 bis 52 und in einem Anwendungsbeispiel in der
DE 43 25 143 beschrieben. Magnetostriktive Aktuatoren sind schon zum Steuern der Düsennadel bei Einspritzventilen in der DE-PS 695 974 vorgeschlagen worden. - Ein piezoelektrischer Aktor als Antrieb für eine Sonotrode ist für sich genommen aus der
DE 195 13 246 C2 bekannt. Der Aktor stützt sich jedoch an einem festen Anschlag und nicht an einem Anstellantrieb ab, so daß der Gedanke der Hintereinanderschaltung zweier Antriebe verschiedener Art fehlt. - Wenn der Antrieb der Sonotrode zum Anstellen derselben gegen das Gegenwerkzeug bzw. die Gegenwalze eine Kolben/Zylindereinheit umfaßt, so kann eine weitere Maßnahme zur Unterdrückung von Schwingungen darin bestehen, diese mittels Drosseln zu bedämpfen, d.h. in den Zuleitungen zu den beiden Zylinderkammern Drosseln anzubringen, die den Strom des Druckmittels drosseln (Anspruch 4).
- Um bei der Kolben/Zylindereinheit keine Losbrechkräfte überwinden zu müssen, empfiehlt sich, sie nicht durch Kolbenringe oder dergleichen, sondern durch eine Rollmembran abzudichten (Anspruch 5).
- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
-
1 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, teilweise im Vertikalschnitt; -
2 zeigt eine vergrößerte Wiedergabe des Einspannbereichs der Sonotrode; -
3 zeigt eine schematische Wiedergabe einer Ausführungsform der Kolben/Zylindereinheit für die Anstellung der Sonotrode; -
4 zeigt ein Diagramm zu bekämpfender Schwingungen im Spalt; -
5 zeigt alternative Möglichkeiten der keilförmig aufklaffenden Anordnung der Stirnseite der Sonotrode. - Die in
1 als Ganzes mit100 bezeichnete Vorrichtung dient zum Verfestigen einer Materialbahn M aus einem Vliesmaterial aus thermoplastischen Fasern. Die Vorrichtung100 umfaßt eine am Maschinengestell1 befestigte vertikale Tragplatte2 , an der im unteren Bereich eine vertikale Geradführung3 mit an der Tragplatte2 befestigten Schienen4 und damit zusammenwirkenden Geradführungselementen5 vorgesehen ist, an denen die Ultraschallerzeu gungseinheit6 und die Sonotrode7 vertikal verschiebbar sind. Die Geradführungselemente5 greifen an einer vertikalen Stützplatte8 an, an der rohrförmige Gehäuseabschnitte9 ,10 zur Aufnahme des Ultraschallgenerators6 bzw. des oberen Teils der Sonotrode untergebracht sind. Der Ultraschallgenerator6 und die Sonotrode7 sind mit den Gehäusen9 ,10 nur an einer Stelle11 verbunden, an der sich ein Schwingungsknoten befindet. In diesem Bereich ist ein als Ganzes mit12 bezeichneter Haltering vorgesehen, der am unteren Ende des Gehäuses10 radial und insbesondere axial festgelegt ist. - Der Haltering
12 ist in2 in einem durch die Achse der Sonotrode7 gehenden Längsschnitt dargestellt. Die Sonotrode7 hat einen oberhalb des Schwingungsknotens bei11 gelegenen Abschnitt7' und einen unterhalb des Schwingungsknotens gelegenen Abschnitt7'' . Im Bereich des Schwingungsknotens bei11 besitzt die Sonotrode7 einen Umfangsflansch13 . Der Haltering12 umgreift die Sonotrode7 im Bereich des Umfangsflanschs13 und besitzt in dessen Höhe eine Innenumfangsnut14 , in die der Umfangsflansch13 radial eingreift. Die axial gerichteten Flanken15 ,16 der Innenumfangsnut14 liegen nicht an den entsprechenden Flanken17 ,18 des Umfangsflansches13 an, sondern sind durch elastische Ringe19 ,20 von diesen getrennt, die dafür sorgen, daß die aus dem Ultraschallgenerator6 und der Sonotrode7 bestehende Baueinheit gedämpft in dem Gehäuse10 abgestützt ist, so daß sich die axialen Schwingungen der Sonotrode7 nur in verringertem Maß auf das Gehäuse10 übertragen. - Die durch die Ringe
19 ,20 gegebene Schwingungskopplung kann je nach der axialen Vorspannkraft, der die Ringe19 ,20 ausgesetzt sind, beeinflußt werden. Dies geschieht bei der Ausführungsform nach2 dadurch, daß der Haltering12 aus zwei Teilen12' und12'' besteht, von denen das einen etwa Z-förmigen Querschnitt aufweisende Teil12'' mit der "Grundfläche"43 des "Z" nach Art eines Kolbens in dem einen Zylinder44 bildenden Teil12' geführt ist. Die beiden Teile können sich also axial gegeneinander verlagern. Jedes der Teile12' ,12'' besitzt einen inneren Absatz, an dem die Flanken15 ,16 zur Zusammendrückung der Ringe19 ,20 gebildet sind. Die Absätze bilden zusammen die Innenumfangsnut14 . Auf der oberen Stirnseite des Teils12' ist ein ringförmiger Deckel21 dicht angebracht, der sich mit seinem Innenumfang45 bis vor die zu der Achse A der Sonotrode7 konzentrische Zylinderfläche22 des im Querschnitt etwa Z-förmig ausgebildeten Teils12'' erstreckt und dieser gegenüber mittels einer Dichtung46 abgedichtet ist. Auf diese Weise ist zwischen den Teilen12' und12'' des Halterings12 ein ringförmiger Zylinderraum23 gebildet, der über eine nur angedeutete Zuleitung24 mit Druckflüssigkeit füllbar ist. Dadurch können die beiden Teile12' ,12'' zusammengedrückt werden, wobei die elastischen Ringe19 ,20 je nach der Zusammendrückung variabel vorgespannt werden. Dadurch können die Kopplung der Sonotrode7 an das Gehäuse10 und das Schwingungsverhalten der Sonotrode7 in einem gewissen Grade beeinflußt werden. - Die Stützplatte
8 steht nach unten über den Haltering12 ein beträchtliches Stück vor und besitzt an ihrem unteren Ende einen gegen die Sonotrode7 gerichteten Stützbock26 , an welchem die Sonotrode7 einseitig über ein Gleitstück27 anliegt. Der Stützbock26 erfaßt die Sonotrode so weit unten, wie es konstruktiv möglich ist. Er liegt im Bereich eines weiteren Schwingungsknotens28 , der der arbeitenden Stirnfläche29 der Sonotrode benachbart ist. - Diese Stirnfläche
29 liegt einem Gegenwerkzeug in Gestalt einer umlaufenden Gegenwalze30 mit geringem Abstand gegenüber. Die Gegenwalze30 trägt ein Relief, dessen Muster das Verfestigungsmuster bestimmt. - Zwischen der Stirnfläche
29 der Sonotrode7 und dem Umfang der Gegenwalze30 wird die Materialbahn M hindurchgeführt, die aus dem erwähnten Vlies aus thermoplastischen Fasern bestehen kann. Durch die hochfrequenten Kompressionen, die das Material zwischen den Scheiteln des Reliefs der Gegenwalze30 und der Stirnseite29 der Sonotrode7 erfährt, kommt es zu lokalen Temperaturerhöhungen bis zur Erweichung der thermoplastischen Fasern. Wenn es nur um eine Verfestigung eines Vlieses geht, muß die Erwärmung so dosiert werden, daß gerade ein Zusammenschmelzen der Fasern erfolgt, jedoch Durchbrüche in dem Material vermieden werden. Bei entsprechender Steuerung des Energieeintrags über die Sonotrode7 können solche Durchbrüche aber auch bewußt herbeigeführt werden, d.h. es kann nach dem Verfahren auch gelocht oder geschnitten werden. Der Energieeintrag, dem eine bestimmte Stelle der Materialbahn für die kurze Zeit des Passierens des Spalts zwischen der Sonotrode7 und der Gegenwalze30 ausgesetzt ist, ist also für den Bearbeitungseffekt durchaus kritisch. Dieser Energieeintrag hängt auch von der in dem Spalt herrschenden Kraft zwischen der Stirnseite29 der Sonotrode7 und der Gegenwalze30 ab. Es ist plausibel, daß sich die Wirkungen der Ultraschallschwingungen umso stärker bemerkbar machen, je fester die Materialbahn M in dem Spalt zusammengedrückt wird. - Die Stützplatte
8 , die den Ultraschallgenerator6 und die Sonotrode7 trägt, ist an der Geradführung3 vertikal beweglich. Sie wird vertikal über eine Kraftmeßdose32 von einer Kolben/Zylindereinheit34 gehalten, die über die Zuleitungen31 ,33 mit einem fluiden Medium versorgt wird und die ihrerseits an einem piezoelektrischen Aktuator36 sitzt, der mit seinem oberen Ende an einer Abwinklung38 der Tragplatte2 angebracht ist. Diese Verbindung ist die einzige Verbindung der Teile8 ,32 ,34 ,36 mit der Tragplatte2 . - Die Kraftmeßdose
32 erfaßt die Kraft, mit der die Sonotrode7 in dem Spalt zwischen der Stirnseite9 der Sonotrode7 und der Gegenwalze30 auf die Materialbahn M gedrückt wird, und dient zur Steuerung dieser Kraft. Die Kolben/-Zylindereinheit34 dient zur Ausführung von Anstellbewegungen. Zur Vermeidung von Stick-Slip-Effekten kann, wie es in3 schematisch angedeutet ist, der Kolben35 der Kolben/Zylindereinheit34 über eine Rollmembran46 abgedichtet sein. Außerdem können der Kolben/Zylindereinheit34 Dämpfungsglieder37 mit je einer Drossel48 und einem Druckspeicher39 zugeordnet sein, um zu vermeiden, daß durch Stöße auf die Sonotrode achsparallele Schwingungen entstehen können. - Die an der Kraftmeßdose
32 gemessenen Veränderungen der Kraft in dem Spalt an der Stirnseite29 der Sonotrode sind ein Indiz dafür, daß dieser Spalt zu eng bzw. zu weit ist. Die gemessenen Kraftänderungen können dazu verwendet werden, den piezoelektrischen Aktor36 anzusteuern, der ein ziemlich hochfrequentes Stellglied darstellt, welches mit ganz kurzen Stellzeiten Verlagerungen in der geforderten Größenordnung von einigen hundertsteln oder wenigen zehntel Millimetern zustande bringt. Auf diese Weise können der Spalt an der Stirnseite29 auf einer Höhe h und damit auch die Einwirkung auf die Materialbahn M konstant gehalten werden. - Die Spalthöhe kann zum Beispiel durch einen Rundlauffehler der Gegenwalze
30 periodisch größer und kleiner werden, wie es aus4 ersichtlich ist. Die Wellenlänge t' entspricht einer Umdrehung der Gegenwalze30 . Der zeitliche Verlauf der Spalthöhe h ist durch die Kurve40 wiedergegeben, soweit er auf den Rundlauffehler zurückzuführen ist. Die gleichmäßige Wellenbewegung40 aufgrund des Rundlauffehlers ist überlagert von höherfrequenten Störungen, die aus Ungleichmäßigkeiten der Dicke und Zusammen drückbarkeit der einlaufenden Materialbahn M herrühren. Die sich ergebende tatsächliche Kurve40' kann zumindest teilweise mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors36 ausgeregelt werden. Mit Hilfe des Aktors kann auch eine Stör- oder Gegenfrequenz aufgeschaltet werden, die das Gesamtsystem schwingungstechnisch neutralisiert. - Wie in
1 übertrieben dargestellt ist, bildet sich an der auf der Einlaufseite gelegenen Kante der Stirnfläche29 eine Art Wulst41 , der zu einer Kraft F in Laufrichtung der Materialbahn M auf das vordere Ende der Sonotrode7 senkrecht zu dieser Anlaß ist. Diese Kraft F soll durch die Gegenkraft F' an dem Abstützpunkt26 abgefangen werden, damit es nicht zu Biegeschwingungen des frei vorstehenden unteren Endes der Sonotrode7 kommt. - Die Kraft F kann aber auch durch geeignete Gestaltung des vorderen Endes der Sonotrode
7 vermindert werden. - Gemäß
5a ist die Stirnseite29 der Sonotrode7 gegen die einlaufende Materialbahn M hin aufklaffend unter einem Winkel α zur Horizontalen abgeschrägt, so daß ein keilartiges Einlaufmaul42 gebildet ist. Die Wirkung kann auch erzielt werden, wenn gemäß5b die Sonotrode mit ihrer Achse A nicht durch die Achse der Gegenwalze30 geht, sondern bei zu der Achse A senkrechter Stirnfläche29 unter einem Winkel β zur Vertikalen schräg steht. Auch hierbei ergibt sich ein aufklaffendes Einlaufmaul42 , welches die Bildung von Wulsten41 gemäß1 verhindert. Auch bei der Ausführungsform nach5c ist das Einlaufmaul42 erreicht, indem die Sonotrode7 aus der durch die Achse der Gegenwalze30 gehenden Ebene um den Betrag X gegen die einlaufende Materialbahn M versetzt ist. Auch hierbei ergibt sich ein Einlaufmaul, welches querkraftfördernde Wulste41 nach1 zu verhindern in der Lage ist.
Claims (5)
- Vorrichtung (
100 ) zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn (M), mit einem eine Sonotrode (7 ) aufweisenden Ultraschallgenerator (6 ), mit einem der Stirnseite (29 ) der Sonotrode (7 ) gegenüberliegenden Gegenwerkzeug (30 ), mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (M) durch den Spalt zwischen der Sonotrode (7 ) und dem Gegenwerkzeug (30 ) und mit einem Antrieb (34 ) zum Anstellen der Sonotrode (7 ) gegen das Gegenwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (7 ) in ihrer Schwingungsrichtung über einen hochfrequenten Aktor (36 ) abgestützt ist, der von einer Steuerung beaufschlagt ist, die auf gemessene Veränderungen der Kraft oder des Abstands zwischen der Stirnseite (29 ) der Sonotrode (7 ) und dem Gegenwerkzeug (30 ) reagiert. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (
36 ) ein piezoelektrischer Aktor ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (
36 ) ein magnetostriktiver Aktor ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine hydraulische Kolben/Zylindereinheit (
34 ) umfaßt, die mittels Dämpfungseinheiten (37 ) mit Drosseln (48 ) und Druckspeichern (39 ) bedämpft ist. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (
35 ) der Kolben/Zylindereinheit (34 } mittels einer Rollmembran (46 ) abgedichtet ist.
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