DE3921653A1 - Schweisspresse zum verschweissen von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißpresse zum Ver­ schweißen von Werkstücken, insbesondere zum Ultraschall- Schweißen, mit über einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb relativ gegeneinander beweglichen Schweißwerkzeugen, insbesondere Sonotrode zur Ultraschall-Einkopplung in die Werkstücke und Amboß zur Aufnahme der Werkstücke, wobei das bewegliche Werkzeug in seiner Geschwindigkeit durch gegen den Antrieb wirkende Dämpfungsglieder beeinflußbar ist, und mit einem Kraftmeßsystem zur Erfassung der vom Antrieb auf die Werkstücke wirkenden Kräfte.

Beim Ultraschall-Schweißen von metallischen Werkstücken oder auch Kunststoffteilen wird durch Kraftbeaufschlagung einer­ seits und Ultraschalleinwirkung einer Sonotrode andererseits eine stoffschlüssige Verbindung der Werkstücke durch Material­ verformung und/oder Plastifizierung wenigstens einer der Werk­ stücke entsprechend einer vorbestimmten Absenkgeschwindigkeit der Sonotrode erreicht. Für viele Anwendungen des Ultraschall- Schweißens hat es sich als notwendig erwiesen, die Kraftein­ wirkung auf die Werkstücke zu erfassen, insbesondere die für den Fügevorgang notwendige bzw. sich einstellende Schweißkraft zu messen. Bei bekannten Ultraschall-Schweißanlagen ist dafür beispielsweise eine Kraftmeßdose im Antrieb vorhanden, der üblicherweise nach pneumatischem oder hydraulischem Prinzip arbeitet.

Bei herkömmlicher Anordnung der Meßdose hinter dem Arbeits­ zylinder des pneumatischem Antriebs ergibt sich der Nachteil, daß nicht die tatsächlich wirkende Kraft am Werkstück, sondern sämtliche im Pressensystem auftretende Kräfte, wie beispiels­ weise die Rückholfederkraft für den Arbeitszylinder und/oder die Dämpfungskraft durch Auffahren des Arbeitszylinders auf einen ihm zugeordneten Dämpfungszylinder zur Steuerung der Geschwindigkeit, erfaßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schweißpresse zu schaffen, bei der die tatsächlich an den Werkstücken antrei­ bende Kraft erfaßt wird und bei der beispielsweise sowohl die Rückholfederkraft als auch die Dämpfereinwirkung des Antriebes eliminiert sind.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Schweißpresse der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Kraftmeßsystem gegenüber allen gegen die Antriebsbewegung wirkenden Kräfte entkoppelt ist und nur in Wirkverbindung mit dem beweglichen Werkzeug steht, wodurch allein die sich in den zu verschweißen­ den Werkstücken aufbauenden Kräfte erfaßt werden.

Die Erfindung schließt die Anordnung des Kraftsystems unter­ halb der Werkzeugaufnahme außerhalb des eigentlichen Antriebes mit ein. Vorzugsweise ist aber das Kraftsystem zwischen zwei miteinander in Abstand festverbundenen Kraftaufnahmeelementen im Antrieb angeordnet und steht nur mit einem der beiden Kraft­ aufnahmeelementen in Wirkverbindung. Insbesondere sind die Kraftaufnahmeelemente durch zwei über Bolzen parallel ange­ ordnete Platten gebildet, wobei die erste Platte dem Antrieb und die zweite Platte dem Dämpfungsglied zugewandt ist. Das Kraftmeßsystem umfaßt dabei eine Meßdose, die zwischen den Platten im Antrieb angeordnet ist und mit der antriebsseitigen Platte und einem Ausleger eines Schlittens für das bewegliche Werkzeug in Wirkverbindung steht.

Für Schweißpressen zum Ultraschall-Schweißen ergeben sich durch die Erfindung erheblich verbesserte Meßverhältnisse. Derartige Schweißpressen weisen in herkömmlicher Art einen pneumatischen Antrieb mit einem Arbeitszylinder und zugehöriger Rückholfeder auf, wobei die Geschwindigkeit des Arbeitszylinders über Dämp­ fungsglieder beeinflußbar ist. Durch die Erfindung wird beim Starten des Arbeitszylinders nunmehr zunächst die Zugkraft der Rückholfeder entkoppelt und beim Auffahren des als Prallplatte ausgebildeten Kraftaufnahmeelementes auf den Dämpfungszylinder die Dämpferkraft durch Entlasten des in der Meßdose als Sen­ sor unter Vorspannung angeordneten piezokeramischen Elementes mittels vorhandener Bolzen von der Gesamtschweißkraft subtra­ hiert. Damit werden jetzt nur noch die sich in den zu ver­ schweißenden Werkstücken aufbauenden Kräfte erfaßt. Das Kraft­ signal kann ohne weitere Korrekturen unmittelbar zur Triggerung von Steuervorgängen verwendet werden.

Bei der Erfindung sind vorteilhafterweise der Arbeitszylinder, die durch die Platten mit Bolzen gebildeten Kraftaufnahmeele­ mente einschließlich Kraftmeßsystem und die Dämpfungsglieder in einer Linie übereinander angeordnet. Wenn die Einbauver­ hältnisse es erlauben, kann der Dämpfer auch direkt auf die Unterseite eines mit der ersten Platte verbundenen Verlänge­ rungsstückes einwirken, das auch die Rückholfeder trägt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung. Die Figur zeigt in schema­ tischer Darstellung eine verbesserte Vorrichtung zum Ultra­ schall-Schweißen.

Eine Schweißpresse zur Verwendung beim Ultraschall-Schweißen besteht in bekannter Weise aus der eigentlichen Werkzeugan­ ordnung 1 und dem zugehörigen Antrieb 10 zur Erzeugung der Absenkbewegung des beweglichen Werkzeuges. Im einzelnen sind eine Sonotrode 2 und ein zugehöriger Amboß 3 angedeutet, wobei die Sonotrode das bewegliche Werkzeug darstellt und über einen Ausleger 4 mit einem Schlitten 5 verbunden sind. Sonotrode 2 und Amboß 3 sind als Austauschwerkzeuge konzipiert und können der jeweiligen Schweißaufgabe angepaßt sein. Der Ultraschall- Generator und entsprechende Übertragungseinheiten sind in der Figur nicht weiter dargestellt.

Der Schlitten 5 ist gegenüber einem Träger 6 des Antriebes in vertikaler Richtung beweglich ausgebildet und läuft über Führungen 7 auf einer Führungsstange 8. Aktiviert wird der Werkzeugschlitten 5 durch den zugeordneten Antrieb 10.

Der Antrieb 10 besteht im einzelnen aus einem Arbeitszylinder 11, der speziell als Pneumatikzylinder oder gegebenenfalls auch als Hydraulikzylinder ausgebildet ist und eine Kolben­ stange 12 trägt. Dem Pneumatikzylinder 11 mit Kolbenstange 12 ist eine Rückholfeder 13 zugeordnet, über die der Träger 6 und ein Gegenstück 9 am Ende der Kolbenstange miteinander elastisch verbunden sind.

Mit einer solchen Anordnung kann eine Linearbewegung vorgege­ bener Geschwindigkeit unter Kraftbeaufschlagung generiert werden. Zur Beeinflussung der Bewegungsgeschwindigkeit ist ein Dämpfungszylinder 14 vorhanden. Über verschiedene Stufen des Dämpfungszylinders 14 läßt sich die Arbeitsgeschwindigkeit des Pneumatikzylinders 11 verringern.

Zur Übertragung der Zylinderbewegung auf das bewegliche Werk­ zeug 2 ist am Schlitten 5 rückseitig ein Ausleger 15 ange­ bracht, auf den die Kolbenbewegung des pneumatischen Antriebes einwirken kann. Mit der Kolbenstange 12 ist eine Platte 16 ver­ bunden, deren exzentrische Verlängerung das Gegenstück 9 für die Rückholfeder 13 bildet. Die Platte 16 ist als runde Scheibe ausgebildet und trägt über mehrere Bolzen 18 im Abstand eine zweite Platte 17. Beide Platten 16 und 17 wirken als Kraftauf­ nahmeelemente für die Antriebskraft einerseits und die Dämp­ ferkraft andererseits. Durch die Bolzen 18 wird die Dämpfer­ kraft auf die obere Platte 16 übertragen.

Zwischen die beiden, über die Bolzen 18 verbundenen Platten 16 und 17 greift der rückseitige Ausleger 15 des Schlittens 5 ein, wobei die Bolzen 18 in entsprechenden Ausnehmungen frei beweg­ bar sind. Der Ausleger 15 ist mit einer Schraube 19 mit der oberen Platte 16 verbunden, wobei zwischen der unteren Fläche der Platte 16 und der oberen Fläche des Auslegers 15 eine piezokeramische Scheibe 20 als Kraftsensor angeordnet ist. Mit entsprechender Komplettierung durch elektrische Anschlüsse und dergleichen bildet die piezokerämische Scheibe 21 eine Kraft­ meßdose 20. Die Schraube 19 ist als Dehnschraube ausgebildet und dient zum Vorspannen der Piezokeramikscheibe 21.

In der beschriebenen Vorrichtung ist das Kraftmeßsystem im An­ trieb 10 mit der Sonotrode 2 als bewegliches Werkzeug gekop­ pelt. Durch die Anordnung der unteren Platte 17 im Abstand zur oberen Platte 16 und dem Freiraum zwischen dessen Oberfläche und der unteren Fläche des Auslegers 15 ist eine Einrichtung zur Kraftumleitung geschaffen. Wenn die gesamte Vorrichtung über die Kolbenstange 12 auf den Dämpfer 14 auffährt, wirkt die untere Platte 17 als Prallplatte und leitet die Kraft über die Bolzen 18 auf die obere Platte 16 um. Durch die Bolzen 18 kommt es also zu einer Entlastung der vorgespannten Keramikscheibe, so daß die Dämpferkraft von der Kraft des Antriebes subtrahiert wird. In gleicher Weise ist die Rückholkraft der Rückholfeder 13 eliminiert.

Durch obige Anordnung ist also gewährleistet, daß das Kraft­ meßsystem mit Meßdose 20 und Piezokeramikscheibe 21 gegenüber allen gegen die Antriebsbewegung wirkenden Kräfte entkoppelt ist und nur in Wirkverbindung mit der Sonotrode als beweglichem Werkzeug steht. Dadurch können nunmehr in exakter Form, die sich beim Ultraschall-Schweißvorgang durch die Absenkbewegung der Sonotrode erzeugte Verformung der zu verschweißenden Werk­ stücke aufbauenden Kräfte erfaßt und ohne weitere Korrektur als Steuer- bzw. Regelsignale verwendet werden.

Die Erfindung wurde vorstehend speziell für eine Ultraschall- Schweißanlage beschrieben. Sie ist auch für Schweißpressen bei anderen Schweißverfahren verwendbar.

Claims (9)

1. Schweißpresse zum Verschweißen von Werkstücken, insbesondere zum Ultraschall-Schweißen, mit über einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb relativ gegeneinander beweglichen Schweißwerkzeugen, insbesondere Sonotrode zur Ultraschall-Ein­ kopplung in die Werkstücke und Amboß zur Aufnahme der Werk­ stücke, wobei das bewegliche Werkzeug in seiner Geschwindigkeit durch gegen den Antrieb wirkende Dämpfungsglieder beeinflußbar ist, und mit einem Kraftmeßsystem zur Erfassung der vom Antrieb auf die Werkstücke wirkenden Kräfte, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kraftmeßsystem (20) gegenüber allen gegen die Antriebsbewegung wirkenden Kräfte entkoppelt ist und nur in Wirkverbindung mit dem beweglichen Werkzeug (2) steht, wodurch allein die sich in den zu verschweißenden Werk­ stücken aufbauenden Kräfte erfaßt werden.

2. Schweißpresse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kraftmeßsystem (20) zwischen zwei miteinander im Abstand starr verbundenen Kraftaufnahme­ elementen (16, 17) im Antrieb (10) angeordnet ist und zur kräftemäßigen Entkopplung nur mit einem der beiden Kraftauf­ nahmeelemente (16, 17) in Wirkverbindung steht.

3. Schweißpresse nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kraftaufnahmeelemente durch zwei über Bolzen (18) parallel angeordnete Platten (16, 17) gebildet sind, wobei die erste Platte (16) dem Antrieb (10) und die zweite Platte (17) dem Dämpfungsglied (14) zugewandt ist.

4. Schweißpresse nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kraftmeßsystem eine Meßdose (20) umfaßt, die zwischen den beiden Platten (16, 17) im Antrieb (10) angeordnet ist und mit der antriebsseitigen Platte (16) und einem Ausleger (15) eines Schlittens (5) für das be­ wegliche Werkzeug (2) in Wirkverbindung steht.

5. Schweißpresse nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßdose (20) eine Piezokera­ mikscheibe (21) enthält, die mittels einer Dehnschraube (22) mit Vorspannung zwischen der antriebsseitigen Platte (16) und dem Ausleger (15) eingespannt ist.

6. Schweißpresse nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Platte (16) am Kol­ ben (11) des pneumatischen oder hydraulischen Antriebes (10) bzw. dessen Kolbenstange (12) befestigt ist.

7. Schweißpresse nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an die erste Platte (16) bzw. ein Verlängerungsstück (9) eine Rückholfeder (13) für die Kolbenstange (12) angreift.

8. Schweißpresse nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Platte (17) mit ihrer freien Fläche eine Prallplatte für das Dämpfungsglied (14) bildet.

9. Schweißpresse nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Platte (16) über das Verlängerungsstück (9) für die Rückholfeder (13) soweit ex­ zentrisch verlängert ist, daß dessen untere Fläche eine Prall­ platte für das Dämpfungsglied (14′) bildet.