DE29901140U1

DE29901140U1 - Vorschubeinheit für eine Ultraschall-Schweißvorrichtung

Info

Publication number: DE29901140U1
Application number: DE29901140U
Authority: DE
Original assignee: Sonotronic Nagel GmbH
Current assignee: Sonotronic Nagel GmbH
Priority date: 1999-01-23
Filing date: 1999-01-23
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2009-01-24

Description

porta Patentanwälte

Dipl.Phys. Ulrich Twelmeier Dr. techn. Waldemar Leitner Dr. phi/, not. Rudolf Bauer-1990 Dipl. Ing. Helmut Hubbuch -1991 European Patent Attorneys

SO01 E005DEU/ul99s09/Dr.L/ul/21.01.1999

SONOTRONIC Nagel GmbH, Becker-Göring-Straße 17, D-76307 Karlsbad

Vorschubeinheit für eine Ultraschall-Schweißvorrichtung Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorschubeinheit eine Ultraschall-Schweißvorrichtung, mit einem entlang einer Linearführung beweglichen, ein Schweißwerkzeug der Ultraschall-Schweißvorrichtung tragenden Schlitten, und mit mindestens einem mit dem Schlitten verbundenen, hydraulisch oder pneumatisch betätigten, über elektrisch gesteuerte Ventile mit Druck beaufschlagbaren Arbeitszylinder.

Ultraschall-Schweißen wird verbreitet zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe eingesetzt. Eine mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven elektrisch-

Zerrennerstraße 23-25 D-75172 Pforzheim Postbank Karlsruhe 16852-750 (BLZ660 10075]

Telefon (0723 1) 39840 Telefax(07231) 398444 Sparkasse Pforzheim 803812(BLZ66650085)

Es gelten ausschließlich unsere Allgemeinen Geschäftsbedingungen VAT Registration No. DE 144 180005

mechanischen Schwingungswandler ausgestattete Sonotrode des Schweißwerkzeugs der Ultraschall-Schweißvorrichtung setzt eine von einem Schwingungsgenerator erzeugte hochfrequente elektrische Schwingung in eine mechanische Schwingung um, die, an das zu bearbeitende Werkstück angepaßt, dieses unmittelbar vor einer beabsichtigten Verbindung oder Verformung plastifiziert. Beim Schweißvorgang wird der Druck auf das Werkstück nach einer von Größe und Form des Werkstückes sowie von der Art des eingesetzten Kunststoffs abhängigen Zeitfunktion gesteuert, wobei der Schwingungsgenerator zu vorgegebenen Zeitpunkten ein- oder ausgeschaltet wird. Zur Erzeugung des Schweißdruckes wird hierbei das mit dem Schlitten verbundene Schweißwerkzeug durch die Kraft des auf den Schlitten einwirkenden Arbeitszylinders gegen das Werkstück gedruckt.

Üblicherweise ist die gesamte elektrische Steuerung einschließlich der die Druckzuführung steuernden Ventile von der Vorschubeinheit getrennt angeordnet und über lange Schlauchleitungen mit dieser verbunden. Elektrische Signale, wie z. B. die Stellungen von Endlagekontakten, werden über Kabel an die Steuerung übertragen.

Die Druckversorgung des Arbeitszylinders über lange Schlauchleitungen hat jedoch Nachteile hinsichtlich der Konstanz des einzustellenden Drucks. Öffnungs - und Schließvorgänge an den von der Vorschubeinheit abgesetzten Ventilen führen insbesondere bei pneumatisch zu betätigenden Arbeitszylindern - zu niederfrequenten Schwingungen im Drucksystem und damit zu Druckschwankungen, die sich in nachteiliger Art und Weise in Abweichungen der gefertigten Produkte von ihren Sollabmessungen bemerkbar machen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorschubeinheit der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der das Auftreten von nachteiligen Durckschwankungen minimiert oder zumindest reduziert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Einstellung des den Schub des Arbeitszylinders bewirkenden Druckes ein in der Nähe des Arbeitszylinders angeordnetes, elektrisch gesteuertes Proportionalventil vorgesehen ist, dessen

Ausgang über eine kurze Druckleitung mit dem Eingang des Arbeitszylinders verbunden ist.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen besitzen den Vorteil, daß die mit Druckänderungen beaufschlagte, vom Proportionalventil zum Arbeitszylinder führende Zuleitung kurz ist, so daß keine störenden Druckschwankungen mehr entstehen können. Der in der zum Proportionalventil führenden Schlauchleitung eingestellte, von einer externen Druckerzeugungsvorrichtung generierte Primärdruck beeinflußt den Arbeitszylinder nicht mehr unmittelbar und ist üblicherweise während des Betriebes weitgehend konstant, so daß auch dort keine den Schweißvorgang störenden Druckschwankungen auftreten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen:

So sind gemäß Anspruch 2 das Proportionalventil sowie ein Drucksensor und ein die Position des Schlittens und damit die Position des Schweißwerkzeugs erfassender Weggeber in einem den Arbeitszylinder umschließenden Gehäuse untergebracht. Damit sind alle diese Einrichtungen gegen äußere Einflüsse und Beschädigungen geschützt und die interne Druckleitung zwischen Arbeitszylinder und Proportionalventil ist sehr kurz ausgeführt. Die elektrischen Anschlüsse des Proportionalventils, des Drucksensors und des Weggebers sind, gemäß Anspruch 3, gut in einer am Gehäuse angebrachten Steckbuchse zusammengefaßt und über ein gemeinsames, mit einem entsprechenden Stecker ausgestattetes Steuerkabel mit der elektrischen Steuerung verbunden.

Auch die Anschlüsse für die Druckzufuhr zum Proportionalventil und zur Rückhubseite des Arbeitszylinders lassen sich - gemäß Anspruch 5 - als Steckverbindungen ausführen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorschubeinheit nach der Erfindung sieht einen doppeltwirkenden, auch als Differentialzylinder bezeichneten Arbeitszylinder vor. Dieser hat gegenüber einem nur in Schubrichtung wirkenden Arbeitszylinder den Vorteil, auch den Rückhub durchführen zu können.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorschubeinheit nach der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 7 und betrifft die elektrische Steuerung, die hier als speicherprogrammierbare Steuerung ausgebildet ist und Steuersignale für die Bewegungsabläufe vieler verschiedener Schweißvorgänge vorprogrammiert enthält.

Anhand mehrerer Figuren soll im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Vorschubeinrichtung nach der Erfindung eingehend beschrieben werden.

Die Figuren zeigen im einzelnen:

Figur 1 mehrere Seitenansichten (Fig. 1a, Fig. 1b) einer Vorschubeinheit,

Figur 2 a eine Draufsicht auf eine Vorschubeinheit in Vorschubrichtung, Figur 2 b ein Schnittbild senkrecht zur Vorschubrichtung auf Höhe des Proportionalventils.

In den Figuren 1a und 1b ist schematisch und in Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorschubeinheit wiedergegeben. Mit 1 ist eine Linearführung bezeichnet, an der entlang ein Schlitten 2 gleitet, der ein Schweißwerkzeug 10 trägt, das in einem Konverterhalter 2a einen elektrisch - mechanischen Wandler 11 mit einer an diesen angekoppelten, entsprechend dem zu bearbeitenden Werkstück gestalteten Sonotrode 12 aufweist. Der Schlitten 2 ist mit einem vorzugsweise doppeltwirkenden, pneumatischen oder hydraulischen Arbeitszylinder 3 verbunden, dessen Kolben 3' entweder Schub oder Zug auf den Schlitten 2 ausübt. Über Druckzuführungen 8, 9 , die je nach Druckübertragungsmedium, z.B. Preßluft oder Hydraulikflüssigkeit entsprechend ausgelegt sind, wird der Kolben 3' in Schubrichtung oder - nach Beendigung des Schweißvoganges - in Rückhubrichtung mit Druck beaufschlagt.

Die im allgemeinen zeitabhängige Einstellung des Schweißdruckes erfolgt bei der beschriebenen Vorschubeinheit über ein Proportionalventil 4, das unmittelbar oberhalb des Arbeitszylinders 3 in einer Erweiterung eines den Arbeitszylinder 3 umschließenden Gehäuses 7 angeordnet und mit seiner Druckausgangsseite mit der

Schub erzeugenden Zylinderkammer des Arbeitszylinders 3 verbunden ist. Den weitgehend konstanten Eingangsdruck erhält das Proportionalventil 4 über die Druckzuführung 8, die, wie die für den Rückhub benötigte Druckzuführung 9 und die in einer Steckbuchse 14 zusammengeführten elektrischen Zuführungen am Gehäuse 7 vorzugsweise an geschützter Stelle angebracht ist.

Das Proportionalventil 4 setzt ein von einer nicht dargestellten elektrischen Steuereinrichtung eingeprägtes elektrisches Steuersignal in einen entsprechenden Ausgangsdruck für den Arbeitszylinder 3 um, der jedoch den Eingangsdruck nicht übersteigen kann, so daß der Druckverlauf unterhalb des Eingangsdruckes während eines Schweißvorganges durch Vorgabe des Steuersignalverlaufs eingestellt werden kann. Durch die bevorzugte Verwendung einer speicherprogrammierbaren Steuerung zur Vorgabe des das Proportionalventil 4 ansteuernden Stuersignals können einmal optimierte Schweißvorgänge gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden.

Ein Schweißvorgang läuft z. B. wie folgt ab: Das Proportionalventil 4 der Vorschubeinheit erhält, neben einem konstanten Eingangsdruck über die Druckzuführung 8, ein definiertes Steuersignal zugeführt und erzeugt ausgangsseitig einen diesem Steuersignal entsprechenden Druck auf der Schubseite des Arbeitszylinders 3. Der Kolben 3' des Arbeitszylinder 3 übt nun eine Kraft auf den Schlitten 2 der Vorschubeinheit aus, unter der dieser sich in Richtung eines Werkstückes (nicht gezeigt) bewegt, bis die Sonotrode 12 auf dem zu schweißenden Werkstück, z. B. auf einem vorbereiteten Nietdom, aufsitzt. Nun schaltet der Ultraschallgenerator (nicht gezeigt) ein, während der Schweißdruck gemäß eines von der Steuerung vorgegebenen Druck-Zeit-Profils gesteuert wird. Infolge der Ultraschalleinwirkung über die Sonotrode 12 wird der Nietdom anplastifiziert und unter der Wirkung des Schweißdruckes bis zu einer vorgewählten Tiefe herunterverformt. Hierbei kann die erreichte Tiefe von einem Wegmesser 6 gemessen oder weniger genau, unter Verwendung von Erfahrungswerten durch Zeitablauf ermittelt werde. Nach dem Erreichen der Solltiefe wird der Ultraschallgenerator abgeschaltet und der Schweißdruck auf einen maximalen Wert erhöht. Dadurch wird der Nietdom noch einen kurzen Weg mit hohem Druck nachgedrückt, was eine Verfestigung des Nietkopfes

bewirkt. Nach einer vorgegebenen Auskühlzeit schaltet das Proportionalventil 4 auf Entlüften und über ein externes Rückhubventil und die Druckzuführung 9 wird Druck auf die Rückhubseite des Arbeitszylinders 3 gegeben und die Vorschubeinheit damit in Grundstellung zurückgefahren.

Die Figur 1 b zeigt die bereits in Figur 1a dargestellte Vorschubeinheit in einer Seitenansicht aus der in Figur 1a mit X bezeichneten Richtung. Hier sind die Anordnung des Arbeitszylinders 3 und die Anordnung des Weggebers 6 , der in der Art eines Flachbahnreglers mit einer aufgedampften Widerstandsschicht ausgestaltet sein kann, gut zu erkennen.

Die Figur 2a gibt eine Draufsicht auf die Vorschubeinheit in der in Figur 1a mit Y bezeichneten Richtung wieder. Die durchbrochene Kreislinie zeigt die Position des von außen nicht sichtbaren Arbeitszylinders 3 an. Außerdem sind die Anordnungen des Wegmeßgebers 6 und der Druckzuführung 8 zu sehen.

Ein in Figur 2b wiedergegebenes Schnittbild entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Linie A-A zeigt die Lage des Proportionalventils 4 innerhalb des Gehäuses 7. Neben dem Wegmeßgeber 6 ist ein Drucksensor 5 zu erkennen, der mit der Druckausgangsseite des Proportionalventils 4 und einer von diesem zum Arbeitszylinder 3 führenden Druckleitung 11 in Verbindung steht. Eine Eingangsdruckleitung 10 führt - im Schnittbild nicht erkennbar - zur Druckzuführung 8. Von der Druckausgangsseite des Proportionalventils 4 führt eine Bohrung zu einem Service-Anschluß 12, der zu Mess- und Prüfzwecken benutzt wird. Ein in der Achse des Proportionalventils 4 angeordneter Schalldämpfer 12 schwächt die bei pneumatischen Schaltvorgängen entstehenden Geräusche ab und braucht bei Verwendung eines hydraulisch betätigten Arbeitszylinders nicht vorgesehen zu werden.

Claims

Schutzansprüche

1. Vorschubeinheit für eine Ultraschall-Schweißvorrichtung, mit einem entlang einer Linearführung (1) beweglichen, ein Schweißwerkzeug (10) der Ultraschall-Schweißvorrichtung tragenden Schlitten (2), und mit mindestens einem mit dem Schlitten verbundenen, hydraulisch oder pneumatisch betätigten, über elektrisch gesteuerte Ventile mit Druck beaufschlagbaren Arbeitszylinder (3), dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des den Schub des Arbeitszylinders (3) bewirkenden Druckes ein in der Nähe des Arbeitszylinders (3) angeordnetes, elektrisch gesteuertes Proportional ventil (4) vorgesehen ist, dessen Ausgang über eine kurze Druckleitung (11) mit dem Eingang des Arbeitszylinders (3) verbunden ist.

2. Vorschubeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Proportionalventil (4) zusammen mit einem dessen Ausgangsdruck erfassenden Drucksensor (5) und/oder einem die Position des Schlittens erfassenden Weggeber (6) in einem den Arbeitszylinder (3) umschließenden Gehäuse (7) angeordnet ist.

3. Vorschubeinheit nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen zum Proportional ventil (4), zum Drucksensor (5) und zum Weggeber (6) über eine gemeinsame Steckverbindung (14) mit einer von der Vorschubeinheit abgesetzt angeordneten elektrischen Steuerung verbunden sind.

4. Vorschubeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (7) Druckzuführungen (8, 9) aufweist, durch welchen der Vorschubeinheit ein einen Kolben (3') des Arbeitszylinders (3) in Schubrichtung oder in Rückhubrichtung druckbeaufschlagendes Druckübertragungsmedium zuführbar ist.

5. Vorschubeinheit nach Anspruch A, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckzuführungen (8, 9) als Steckverbindungen ausgeführt sind.

6. Vorschubeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (3) ein doppeltwirkender Arbeitszylinder ist, dessen Kolben (3¹) in Vorschubrichtung vom Ausgangsdruck des Proportionalventils (4) und in Rückhubrichtung durch einen über ein externes Rückhubventil zugeführten Arbeitsdruck beaufschlagbar ist.

7. Vorschubeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung verbunden ist, die Steuersignale für das Proportionalventil (4) und/oder das externe Rückhubventil generiert und Signale des Drucksensors (5) und des Weggebers (6) verarbeitet.