DE4034821A1 - Vibrationsschweisskopf zum fuegen - Google Patents

Vibrationsschweisskopf zum fuegen

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibrationsschweißkopf gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1. angegebenen Merkmalen.
Lineare Reibschweißmaschinen besitzen zur Erzeugung der Schweißamplitude ein Feder- Massesystem (Schwingköpfe) auf das die Reibschweißwerkzeuge massemäßig fein abgestimmt sein müssen.
Die Erregung erfolgt durch zwei Systeme, elektromagnetisch oder hydraulisch mit Zylinder.
In beiden Fällen ist die Reibschweißbewegung durch eine Biegefeder geführt die durch ihre Federcharakteristik in Mittelstellung geht.
Maschinen dieser Gattung werden von den Firmen Branson und Bilomatik vertrieben.
Fachliteratur ist vom Herausgeber: Institut für Werkstofftechnik Prof. Dr. - Ing. G.W.Ehrenstein Universität - Gh Kassel Nr.ISBN:3-88 122-512-9 veröffentlicht.
Rotationsschweißmaschinen arbeiten nach dem Prinzip der rotierenden Relativbewegung die jedoch zu Schweißen unsymetrischer Werkstücke ungeeignet sind.
Diese bisher bekannten Vorschläge haben folgende Nachteile:
  • - Große, schwere Bauweisen der Schwingköpfe.
  • - Bei mehreren Fügeteilen ist nur eine Reibrichtung möglich.
  • - Amplitudenlänge von den Massen abhängig, damit unflexibel.
  • - Reibfrequenz von den Massen abhängig, damit unflexibel!
  • - Bei mehreren Fügeteilen keine räumliche Reibrichtung möglich.
  • - Hohe Reibgeräusche systembedingt, damit besondere Schallisolierung notwendig.
  • - Das Feder- Massesystem erlaubt es dem Betreiber nicht Parameter zu ändern, sowie die Anlagen von sich aus auf andere Schweißaufgaben umzurüsten.
  • - Aufwendige Werkzeuge bei mehreren Fügeteilen.
Aufgabe der Erfindung
ist es, einen Vibrationsschweißkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. zu schaffen der folgende Vorteile bietet:
  • - Kleine Bauform für die ebenfalls sehr kleinen Fügeteile die einzeln oder mehrfach an größere Werkstücke geschweißt werden.
  • - Beliebig einrichtbare Reibrichtung im Raum.
  • - Einrichtbare Amplitudenlänge.
  • - Einstellbare Arbeitsfrequenz.
  • - Lage der Richtposition (Schweißposition) innerhalb der Amplitudenlänge einstellbar.
  • - Niedrige Reibgeräusche, damit einfache Schallisolierung.
  • - Mehrmotorensteuerung möglich (Master-Slave).
  • - Handelsübliche Komponenten des Maschinenbaues.
  • - Verwendung in einem flexiblen Fügezentrum möglich.
  • - Günstige thermische Beeinflussung des Reibwerkstoffes durch gezielten Amplitudenverlauf (Kurventechnik und Motorregelung) .
  • - Schweiß- Festigkeitsprüfung in einem Arbeitsgang im Prozeß.
Lösung der Aufgabe
wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. gelöst.
Hierdurch ergibt sich ein Vibrationsschweißkopf einfacher Konstruktion mit den vorgenannten Vorteilen der einzeln oder mehrfach in Vorrichtungen, Maschinen, Zentren, Systemen wirtschaftlich Verwendung findet.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 Vibrationsschweißkopf im Schnitt in Ausführung mit Exzentertrieb.
Fig. 2 Vibrationsschweißkopf nach Fig. 1 im Schnitt A-A Fig. 3 Vibrationsschweißkopf in Vorderansicht und Teilschnitten in Ausführung mit Kurventrieb.
Fig. 4 Vibrationsschweißkopf nach Fig. 3 in Seitenansicht und Teilschnitten.
Fig. 5 Vibrationsschweißkopf in Ausführung mit Exzentertrieb und getrenntem Zubringe- Vorschubschlitten.
Der dargestellte Vibrationschweißkopf zum Fügen verschiedenster Materialien nach dem Prinzip des linearen Fügeweges (s), dem Fügedruck (p), der Fügezeit (t) umfaßt ein teilspezifisches Fügewerkzeug (5) indem das Fügeteil (22) paßgenau aufgenommen wird. Zentriert und befestigt ist das Fügewerkzeug (5) auf dem Schlitten (23) der Linearführung (3). Die Linearführung (3) besitzt beidseitig fettgeschmierte Nadelkäfig- Prismenführungen (6) deren Spiel einseitig einstellbar ist, wobei die Nadeln (24) im Durchmesser klein ausgelegt sind.
Eine Exzenterstange (9) verbindet Schlitten (23) mit Exzenterwelle (7), wobei die Verbindungen mit Rillenlager (11) und Pendellager (10) wälzgelagert sind.
Der Fügeweg (s) ist bestimmt durch das Exzentermaß (e) und kann durch Austausch der Exzenterwelle (7) verändert werden. Der Massenausgleich für den Exzentertrieb erfolgt durch eine Massenausgleichscheibe (8) auf der Exzenterwelle (7) zwischen den Exzenterlagern (25). Angetrieben ist die Exzenterwelle (7) über eine Wellenkupplung (14) von dem Elektromotor (2) in bürstenloser Drehstrom- Servotechnik mit der Drehfrequenz bis max. 10 000 min-l stufenlos regelbar.
Die Richtposition (16) wird über den Elektromotor (2) angefahren und ist die Fügeposition des Fügeteiles (22) auf dem Fügeweg (s), diese wird bei gesteuerter Ausführung durch einen Positionsinitiator (17) bestimmt in dessen Schaltpunkt der E-Motor im Schleichgang anhält, wobei der Schleichgang über eine Zeiteinstellung in der SPS-Steuerung ausgelöst wird.
Alternativ ist die Motorsteuerung durch einen Drehimpulsgeber mit Nullsignal und Zähler steuerbar, dabei kann die Füge­ position über den Zähler fein und stufenlos eingestellt werden.
Bei Ausführung mit Lageregelung erfolgt das Anfahren der Fügeposition weggeregelt, zeitoptimal für den Schweißprozeß, mit der bekannten Dynamik des Servomotors in gewünschter Präzision gemäß der Meßsystemauflösung.
Die Linearführung (3) mit Fügewerkzeug (5) und elektro­ mechanischem Antrieb ist montiert an der Vorschubeinheit (4) die auf einer Basis (1) in Vorrichtungen oder Maschinen aufgebaut ist. Bedingt durch die rechtwinklig zur Vorschubrichtung wirkende Schweißamplitude (a) ist der Vorschubschlitten (27) spielarm mit einem Gleitwerkstoff (18) abgeformt, das dimensionierte Führungsverhältnis garantiert verschleißarmen Betrieb der Führung. Ein Zylinder (20) schiebt mit einstellbarem Druck (p) den Vorschubschlitten (27) beim Start zum Schweißen in die Schweißposition, wobei der Vorschub durch den eingestellten Druck in die Endposition fährt.
Wahlweise ist die Endposition durch den Fügewiderstand der Werkstoffe oder durch einen Anschlag (31) bzw. bei Wegregelung durch die eingestellte Position definiert.
Nach Bedarf kann anstelle der Vorschubeinheit (4) ein Zubringe-Vorschubschlitten (19) das Werkstück (30) in die Schweißposition bringen um danach auch die vorbeschriebene Endposition anzufahren.
In der Ausführung mit Axialkurve (12) ist ohne Exzenter­ stange (9) der Schlitten (23) direkt durch Kurvenrollen (13) mit der Axialkurve (12) verbunden. Der Kurvenzug ist spielarm mit einer von beiden Kurvenrollen (13) eingestellt. Kurvenrollen (13) und Axialkurve (12) sind durch Sicherungs­ muttern (Spieth) gesichert. Die Axialkurve (12) ist durch Kegelrollenlager (28) gelagert.
Der Antrieb erfolgt achsparallel mit einem Synchronriemen (15) und Zahnscheiben (29) unterschiedlicher Zähnezahl, dieses Verhältnis ist abgestimmt auf den gewählten Kurvenzug.
Die Montageflansche für Exzenter- und Kurventrieb sind baugleich. Die beim Exzentertrieb angesprochene Steuer-und Regeltechnik gilt auch für den Kurventrieb.
Beim Schweißen ist das Werkstück (30) in einer Aufnahme konturgerecht fixiert, wird nicht bewegt und nimmt durch seine Befestigung an einer gemeinsamen Basis (1) alle Fügekräfte auf.

Claims (13)

1. Vibrationsschweißkopf zum Fügen der Materialien Polymerkunststoffe, Faserverbundwerkstoffe, Holzwerkstoffe, Metalle, mit und ohne Schweißzusätze, wobei die notwendige Arbeitsamplitude (a) über einen Elektromotor (2) angetrieben wird, indem mit Exzenter- oder Kurventrieb und Linear­ führung (3) die eingangsseitige Rotationsenergie in eine Lineare umgesetzt wird und der Fügedruck (p) durch eine integrierte Vorschubeinheit (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearführung (3) mit einer Hälfte des Fügewerkzeuges (5) und elektromechanischem Antrieb als Baugruppe mit der Vorschubeinheit (4) verbunden ist.
2. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearführung (3) mit angebautem Fügewerkzeug (5) massearm gestaltet ist und eine Nadelkäfig- Prismenführung (6, 24) hat.
3. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Exzentertrieb die Exzenterwelle (7) eine Massenausgleichsscheibe (8) aufnimmt und die Exzenterstange (9) in massearmer Ausführung einerseits mit einem Pendellager (10) und andererseits mit einem Rillenlager (11) gelagert ist.
4. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise ein Kurventrieb bestehend aus Axialkurve (12) und Kurvenrollen (13) direkt die Linearführung (3) antreibt, wobei der Kurvenzug nach den Erfordernissen der Schweißaufgabe und der Dynamik abgestimmt ist.
5. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (2) zum Zweck der Dämpfung über eine Kupplung (14) bzw. Synchronriemen (15) antreibt.
6. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (2) ein bürstenloser Drehstrom- Servomotor ist.
7. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (2) mit dem Schweißende in einer vorgegebenen Richtposition (16) stoppt.
8. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtposition (16) des Elektromotor (2) über Positionsinitiator (17) und oder Zähler in Verbindung mit einer SPS- Steuerung gesteuert wird.
9. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtposition (16) mittels Elektromotor (2) auch über eine Lageregelung, Meßsystem und Sollwertvorgabe geregelt wird.
10. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschubschlitten (27) mit einer aus Gleitwerkstoff (18) abgeformten, spielarmen, langen Führung versehen ist, wobei der Vorschubantrieb durch einen Zylinder (20) erfolgt.
11. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubbewegung zum Schweißen auch von einem Zubringe- Vorschubschlitten (21) ausgeführt wird, wobei die Linearführung (3) mit Fügewerkzeug (5) und elektromechanischem Antrieb als Baugruppe separat angeordnet ist.
12. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubbewegung zum Schweißen druck­ oder weggeregelt sein kann.
13. Vibrationsschweißkopf nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Fügen wahlweise der Elektromotor (2) mit reduziertem Strom (Moment) eine Hälfte des Fügewerkzeuges (5) in einer Amplitudenrichtung zum Zwecke der Schweißprüfung bewegt werden kann, wobei in Abhängigkeit des Drehwinkels am Elektromotor (2) über die Steuerung die Fügeverbindung als i.O. oder n.i.O. ausgewertet wird.
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