DE202021105804U1 - Ultrasonic welding system for the welding processing of materials - Google Patents
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Abstract
Ultraschallschweißanlage (1) mit einer Ultraschallschwingeinheit, die eine Sonotrode (2) und einen Konverter (3) aufweist, wobei die Sonotrode (2) und der Konverter (3) entlang einer Längsachse gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Amplitudentransformators hintereinander angeordnet sind und die Ultraschallschwingeinheit mit einer Ultraschallschwingung mit einer Wellenlänge λ in Richtung der Längsachse in Resonanz gebracht werden kann, und mit einem Gegenwerkzeug (11), wobei die Sonotrode (2) eine Siegelfläche (12; 13) aufweist und die Längsachse parallel zur Siegelfläche (12, 13) verläuft oder mit dieser einen Winkel kleiner als 90° einschließt, wobei das Gegenwerkzeug (11) eine Gegenwerkzeugsiegelfläche (16) aufweist, welche der Siegelfläche (12, 13) der Sonotrode (2) zugewandt ist, und die Sonotrode (2) und das Gegenwerkzeug (11) in einer Bearbeitungsrichtung senkrecht zur Längsachse relativ zueinander bewegbar sind, wodurch der Abstand zwischen der Siegelfläche (12, 13) der Sonotrode (2) und der Gegenwerkzeugsiegelfläche (16) verstellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwingeinheit oder das Gegenwerkzeug von einer Drehhalterung gehalten wird, die um eine Drehachse, die senkrecht zur Längsachse verläuft, gedreht werden kann, wobei die Drehachse derart angeordnet ist, dass durch Drehen der Drehhalterung der Abstand zwischen der Siegelfläche (12, 13) der Sonotrode (2) und der Gegenwerkzeugsiegelfläche (16) verstellt werden kann.Ultrasonic welding system (1) with an ultrasonic oscillating unit, which has a sonotrode (2) and a converter (3), the sonotrode (2) and the converter (3) being arranged one behind the other along a longitudinal axis, optionally with the interposition of an amplitude transformer, and the ultrasonic oscillating unit having a Ultrasonic vibration with a wavelength λ can be brought into resonance in the direction of the longitudinal axis, and with a counter tool (11), the sonotrode (2) having a sealing surface (12; 13) and the longitudinal axis running parallel to the sealing surface (12, 13) or forms an angle of less than 90° therewith, the counter-tool (11) having a counter-tool sealing surface (16) which faces the sealing surface (12, 13) of the sonotrode (2), and the sonotrode (2) and the counter-tool (11 ) are movable relative to each other in a processing direction perpendicular to the longitudinal axis, whereby the distance between the sealing surface (12, 13) of the S onotrode (2) and the counter-tool sealing surface (16), characterized in that the ultrasonic oscillating unit or the counter-tool is held by a rotary mount which can be rotated about an axis of rotation which runs perpendicular to the longitudinal axis, the axis of rotation being arranged in such a way that the distance between the sealing surface (12, 13) of the sonotrode (2) and the counter-tool sealing surface (16) can be adjusted by rotating the rotary mount.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißanlage mit einer Ultraschallschwingeinheit und einem Gegenwerkzeug. Die Ultraschallschwingeinheit weist eine Sonotrode und einen Konverter auf, wobei die Sonotrode und der Konverter entlang einer Längsachse gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Amplitudentransformators hintereinander angeordnet sind. Die Ultraschallschwingeinheit ist derart ausgelegt, dass sie mit einer Ultraschallschwingung in Richtung der Längsachse mit einer Wellenlänge A in Resonanz gebracht werden kann.The present invention relates to an ultrasonic welding system with an ultrasonic oscillating unit and a counter tool. The ultrasonic oscillating unit has a sonotrode and a converter, the sonotrode and the converter being arranged one behind the other along a longitudinal axis, optionally with the interposition of an amplitude transformer. The ultrasonic oscillating unit is designed in such a way that it can be brought into resonance with an ultrasonic oscillation in the direction of the longitudinal axis with a wavelength A.
Die Sonotrode weist eine Siegelfläche auf, die parallel zur Längsachse angeordnet ist oder mit dieser einen Winkel kleiner als 90° einschließt. Das Gegenwerkzeug weist eine Gegenwerkzeugsiegelfläche auf, die derart angeordnet ist, dass das zu bearbeitende Material zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Gegenwerkzeugsiegelfläche für die schweißende Bearbeitung angeordnet werden kann. Dabei sind Sonotrode und/oder Gegenwerkzeug in einer Bearbeitungsrichtung senkrecht zur Längsachse bewegbar, wodurch der Abstand zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Gegenwerkzeugsiegelfläche verstellt werden kann.The sonotrode has a sealing surface which is arranged parallel to the longitudinal axis or encloses an angle of less than 90 ° with it. The counter-tool has a counter-tool sealing surface which is arranged such that the material to be processed can be arranged between the sealing surface of the sonotrode and the counter-tool sealing surface for the welding process. The sonotrode and / or counter tool can be moved in a machining direction perpendicular to the longitudinal axis, whereby the distance between the sealing surface of the sonotrode and the counter tool sealing surface can be adjusted.
Eine solche Ultraschallschweißanlage ist bekannt aus der
Die Siegelfläche der Sonotrode und die Gegenwerkzeugsiegelfläche müssen relativ zueinander bewegbar sein. Zum einen ist es notwendig, die beiden Siegelflächen voneinander weg zu bewegen, um das zu bearbeitende Material zwischen den beiden Siegelflächen zu positionieren. Zum anderen ist es während der schweißenden Bearbeitung, d. h. dann, wenn die Sonotrode in eine Ultraschallschwingung versetzt ist und mit ihrer Siegelfläche mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt, notwendig, eine Schweißkraft auf das Material auszuüben, so dass hierzu die beiden Siegelflächen aufeinander zu bewegt werden.The sealing surface of the sonotrode and the counter tool sealing surface must be movable relative to one another. On the one hand, it is necessary to move the two sealing surfaces away from one another in order to position the material to be processed between the two sealing surfaces. On the other hand, it is during the welding process, i. H. when the sonotrode is set into ultrasonic oscillation and its sealing surface comes into contact with the material to be processed, it is necessary to exert a welding force on the material so that for this purpose the two sealing surfaces are moved towards one another.
Zu diesem Zweck ist im Stand der Technik eine Linearführung vorgesehen, die eine Linearbewegung der beiden Siegelflächen aufeinander zu und voneinander weg ermöglicht. Die Ultraschallschwingeinheit wird an einer Halterung gehalten, welche wiederum mit Hilfe eines Pneumatikzylinders entlang der Linearführung bewegt werden kann.For this purpose, a linear guide is provided in the prior art, which enables a linear movement of the two sealing surfaces towards and away from one another. The ultrasonic oscillating unit is held on a holder, which in turn can be moved along the linear guide with the aid of a pneumatic cylinder.
Um ein optimales Schweißergebnis zu erzielen, wird es zunehmend wichtig, die Schweißkraft, d. h. die Kraft mit der die Siegelfläche der Sonotroden auf das zu bearbeitende Material drückt, sehr genau einzustellen. Zudem sind zeitweise sehr niedrige Schweißkräfte ausreichend und notwendig. Dies ist mit Hilfe der genannten mit einem Pneumatikzylinder betriebenen Linearführung jedoch nur sehr schwierig zu verwirklichen. Zum einen wirkt sich die Reibung in der Führung und im Pneumatikzylinder negativ aus. Außerdem besteht eine Hysterese innerhalb des Pneumatikzylinders, die eine gute Reproduzierbarkeit der Schweißkraft erschwert. Zudem sind die Pneumatikzylinder bei kleinen Schweißkraftveränderungen relativ langsam, was sich auf die Zykluszeit negativ auswirkt.In order to achieve an optimal welding result, it is becoming increasingly important to control the welding force, i. H. the force with which the sealing surface of the sonotrodes presses on the material to be processed can be set very precisely. In addition, very low welding forces are sometimes sufficient and necessary. However, this can only be achieved with great difficulty with the aid of the said linear guide operated with a pneumatic cylinder. On the one hand, the friction in the guide and in the pneumatic cylinder has a negative effect. In addition, there is a hysteresis within the pneumatic cylinder, which makes good reproducibility of the welding force difficult. In addition, the pneumatic cylinders are relatively slow for small changes in welding force, which has a negative effect on the cycle time.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ultraschallschweißanlage anzugeben, welche die beschriebenen Nachteile zumindest verringert.Based on the prior art described, it is therefore the object of the present invention to specify an ultrasonic welding system which at least reduces the disadvantages described.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Ultraschallschwingeinheit oder das Gegenwerkzeug von einer Drehhalterung gehalten wird, die um eine Drehachse, die senkrecht zur Längsachse verläuft, gedreht werden kann, wobei die Drehachse derart angeordnet ist, dass durch Drehen der Drehhalterung der Abstand zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Gegenwerkzeugsiegelfläche verstellt werden kann.According to the invention, this object is achieved in that the ultrasonic oscillating unit or the counter-tool is held by a rotary holder that can be rotated about an axis of rotation that runs perpendicular to the longitudinal axis, the axis of rotation being arranged in such a way that the distance between the Sealing surface of the sonotrode and the counter tool sealing surface can be adjusted.
Durch die Abkehr von der Linearführung zur Einstellung der Schweißkraft ist eine viel feinere Einstellbarkeit der Schweißkraft gegeben.By turning away from the linear guide for setting the welding force, the welding force can be adjusted much finer.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ultraschallschwingeinheit oder das Gegenwerkzeug von einer Linearhalterung gehalten, die mit einer Linearführung verbunden ist, mit der die Linearhalterung in der Bearbeitungsrichtung zwischen zwei Positionen hin und her bewegt werden kann, wobei vorzugsweise ein erster pneumatischer Antrieb für die Bewegung der Linearhalterung zwischen den zwei Positionen vorgesehen ist. Somit weist die Ultraschallschweißanlage sowohl eine Drehhalterung als auch eine Linearhalterung auf.In a preferred embodiment, the ultrasonic oscillating unit or the counter-tool is held by a linear bracket that is connected to a linear guide with which the linear bracket can be moved back and forth in the machining direction between two positions, preferably a first pneumatic drive for moving the linear bracket is provided between the two positions. The ultrasonic welding system thus has both a rotary mount and a linear mount.
Mit Hilfe der Linearführung können Sonotrode und Gegenwerkzeug voneinander wegbewegt werden, sodass das zu bearbeitende Material zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Gegenwerkzeugfläche positioniert werden kann. Dann können mit Hilfe der Linearführung Sonotrode und Gegenwerkzeug wieder aufeinander zubewegt werden. Die Einstellung der Schweißkraft erfolgt allerdings über die Drehung der Ultraschallschwingeinheit um die Drehachse. Durch diese Maßnahme kann der größte Teil der notwendigen Bewegung von der Linearhalterung bereitgestellt werden, während die Drehhalterung lediglich für die Bereitstellung und Variation der Schweißkraft verwendet wird.With the aid of the linear guide, the sonotrode and counter tool can be moved away from each other so that the material to be processed can be positioned between the sealing surface of the sonotrode and the counter tool surface. The sonotrode and counter tool can then be moved towards one another again with the aid of the linear guide. The welding force is set by rotating the ultrasonic oscillating unit around the axis of rotation. As a result of this measure, most of the necessary movement can be provided by the linear mount, while the rotary mount is only used to provide and vary the welding force.
Es kann ein pneumatischer Antrieb für die Bewegung der Linearhalterung zwischen den zwei Positionen vorgesehen sein, wie dies auch aus dem Stand der Technik bekannt ist.There can be a pneumatic drive for moving the linear bracket between the two Positions may be provided, as is also known from the prior art.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird entweder die Sonotrode oder das Gegenwerkzeug von sowohl der Drehhalterung als auch der Linearhalterung gehalten wird, wobei vorzugsweise die Sonotrode von sowohl der Drehhalterung als auch der Linearhalterung gehalten wird. Somit kann die Funktion der Linearhalterung und der Drehhalterung von einer einzigen Linear-Dreh-Halterung verwirklicht werden, die vorzugweise die Sonotrode relativ zum Gegenwerkzeug linear verschieben und um die Drehachse drehen kann.In a preferred embodiment, either the sonotrode or the counter-tool is held by both the rotary holder and the linear holder, the sonotrode preferably being held by both the rotary holder and the linear holder. The function of the linear holder and the rotary holder can thus be realized by a single linear rotary holder, which can preferably move the sonotrode linearly relative to the counter tool and rotate it about the axis of rotation.
Für die Bewegung der Drehhalterung um die Drehachse kann ein zweiter pneumatischer Antrieb vorgesehen sein. Dieser zweite pneumatische Antrieb kann an einem Punkt der Drehhalterung angreifen, der von der Drehachse beanstandet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform greift der Pneumatikzylinder an einem Punkt an der Drehhalterung an, der weiter von der Drehachse entfernt ist als die Sonotrodensiegelfläche von der Drehachse entfernt ist. Dadurch kann eine sehr feine Einstellung der Schweißkraft erfolgen.A second pneumatic drive can be provided for moving the rotary mount around the axis of rotation. This second pneumatic drive can act at a point on the rotary mount that is spaced from the axis of rotation. In a particularly preferred embodiment, the pneumatic cylinder acts on the rotary holder at a point that is further away from the axis of rotation than the sonotrode sealing surface is away from the axis of rotation. This allows the welding force to be adjusted very finely.
Für die Bewegung der Drehhalterung kann auch eine Feder vorgesehen sein, deren Federkraft vorzugweise einstellbar ist. Als Feder kann beispielsweise eine Spiralfeder oder eine Gasfeder verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feder derart vorgespannt, dass die Drehhalterung in der vorgesehenen Arbeitsposition, in welcher ein Material zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug bearbeitet werden soll, Sonotrode und Gegenwerkzeug aufeinander drückt. Mit der Feder wird somit eine vorzugweise einstellbare Schweißkraft auf das Material aufgebracht.A spring, the spring force of which is preferably adjustable, can also be provided for moving the rotary mount. A spiral spring or a gas spring, for example, can be used as the spring. In a preferred embodiment, the spring is pretensioned in such a way that the rotary holder presses the sonotrode and the counter tool on one another in the intended working position in which a material between the sonotrode and the counter tool is to be processed. A preferably adjustable welding force is thus applied to the material with the spring.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Gegenwerkzeug ein Aufnahmeelement auf, welches die Gegenwerkzeugsiegelfläche umfasst, wobei das Aufnahmeelement in mindestens zwei Aufnahmeelementpositionen an dem Gegenwerkzeug befestigt werden kann.In a further preferred embodiment, the counter-tool has a receiving element which comprises the counter-tool sealing surface, wherein the receiving element can be fastened to the counter-tool in at least two receiving element positions.
Je nachdem welche zusätzliche Kraft über die Drehachse ausgeübt wird bzw. um welchen Winkel die Ultraschallschwingeinheit um die Drehachse gedreht wird, verschiebt sich der Punkt, bei welchem die Siegelfläche der Sonotrode die Gegenwerkzeugsiegelfläche berührt. Daher kann in der bevorzugten Ausführungsform die Gegenwerkzeugsiegelfläche in mindestens zwei Positionen mit dem Gegenwerkzeug befestigt werden.The point at which the sealing surface of the sonotrode touches the counter-tool sealing surface is shifted depending on which additional force is exerted via the axis of rotation or the angle by which the ultrasonic oscillating unit is rotated around the axis of rotation. Therefore, in the preferred embodiment, the counter-tool sealing surface can be attached to the counter-tool in at least two positions.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Drehhalterung ein Drehlager oder ein Festkörpergelenk auf, welches die Drehbarkeit der Ultraschallschwingeinheit um die Drehachse ermöglicht.In a preferred embodiment, the rotary mount has a rotary bearing or a solid-state joint, which enables the ultrasonic oscillating unit to rotate about the axis of rotation.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur schweißenden Bearbeitung von Materialien, wie z.B. metallischen Litzen, beschrieben. Ein Verfahren, das die oben genannten Nachteile überwindet, wird dadurch verwirklicht, dass eine Ultraschallschweißanlage wie gerade beschrieben verwendet wird. Dabei wird das zu bearbeitende Material zwischen der Siegelfläche der Sonotrode einerseits und der Gegenwerkzeugsiegelfläche andererseits angeordnet. Durch die Bewegung der Siegelfläche der Sonotrode in Richtung der Gegenwerkzeugsiegelfläche mittels der Drehalterung kann dann eine Schweißkraft auf das zu bearbeitende Material ausgeübt werden. Wird gleichzeitig die Ultraschallschwingeinheit in Schwingung versetzt, kann eine Ultraschallschwingung in das Material eingebracht und dadurch eine Verschweißung bewirkt werden.Furthermore, a method for the welding processing of materials such as metallic strands is described. A method which overcomes the above-mentioned disadvantages is achieved by using an ultrasonic welding system as just described. The material to be processed is arranged between the sealing surface of the sonotrode on the one hand and the counter-tool sealing surface on the other hand. By moving the sealing surface of the sonotrode in the direction of the counter-tool sealing surface by means of the rotary holder, a welding force can then be exerted on the material to be processed. If the ultrasonic oscillating unit is set into oscillation at the same time, an ultrasonic oscillation can be introduced into the material, thereby causing welding.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird daher zuerst die Ultraschallschwingeinheit entlang der Linearführung derart bewegt, dass der Abstand zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Gegenwerkzeugsiegelfläche verkleinert wird, und danach wird eine Drehung der Ultraschallschwingeinheit um die Drehachse vorgenommen, wodurch die für die Schweißbearbeitung notwendige Kraft auf das zu bearbeitende metallische Material aufgebracht wird.In a preferred embodiment, therefore, the ultrasonic oscillating unit is first moved along the linear guide in such a way that the distance between the sealing surface of the sonotrode and the counter-tool sealing surface is reduced, and then the ultrasonic oscillating unit is rotated about the axis of rotation, whereby the force required for the welding process is applied to the metallic material to be processed is applied.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
-
1 eine seitliche Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ultraschallschweißanlage in einer Arbeitsposition, -
2 eine seitliche Draufsicht auf die Ultraschallschweißanlage von1 in einer Grundposition, -
3 eine teilgeschnittene Ansicht durch den Antrieb zur Aufbringung der Schweißkraft und -
4 eine Explosionsansicht der Gegenwerkzeugverstellung.
-
1 a side plan view of an ultrasonic welding system according to the invention in a working position, -
2 a side plan view of the ultrasonic welding system of1 in a basic position, -
3 a partially sectioned view through the drive for applying the welding force and -
4th an exploded view of the counter tool adjustment.
In
Die Ultraschallschwingeinheit wird von einem als Mantelelement ausgebildeten Halteelement
Die Sonotrode
Die gezeigte Ausführungsform ist für das Bearbeiten von Metallen vorgesehen. Die Siegelflächen
Das Halteelement
In
In der in
Wird nun die Bearbeitung gestartet, so wird zunächst mit Hilfe des ersten Pneumatikzylinders
Für die schweißende Bearbeitung wird nun lediglich der zweite Pneumatikzylinder
Zur Verdeutlichung ist in
In
Das Aufnahmeelement
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- UltraschallschweißanlageUltrasonic welding system
- 22
- SonotrodeSonotrode
- 33
- Konverterconverter
- 44th
- AmplitudentransformatorAmplitude transformer
- 55
- HalteelementRetaining element
- 66th
- HebelelementLever element
- 7,87.8
- DrehlagerPivot bearing
- 99
- erster Pneumatikzylinderfirst pneumatic cylinder
- 1010
- zweiter Pneumatikzylindersecond pneumatic cylinder
- 1111th
- GegenwerkzeugCounter tool
- 12, 1312, 13
- SiegelflächeSealing surface
- 1414th
- Kabelcable
- 1515th
- LinearführungLinear guide
- 1616
- GegenwerkzeugsiegelflächeCounter tool sealing surface
- 1717th
- SchlittenelementSlide element
- 1818th
- Oberer GegenwerkzeugträgerUpper counter tool carrier
- 1919th
- AufnahmeelementReceiving element
- 2020th
- GewindestangeThreaded rod
- 2121
- eingeformte Nutenmolded grooves
- 2222nd
- vorstehende Nutensteineprotruding slot nuts
- 2323
- NutGroove
- 2424
- BefestigungsschraubenFastening screws
- 2525th
- SiegelflächengliedSealing surface member
- 2626th
- unterer Gegenwerkzeugträgerlower counter tool carrier
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |