WO2017001464A1 - Ultraschallschweissvorrichtung - Google Patents

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WO2017001464A1
WO2017001464A1 PCT/EP2016/065122 EP2016065122W WO2017001464A1 WO 2017001464 A1 WO2017001464 A1 WO 2017001464A1 EP 2016065122 W EP2016065122 W EP 2016065122W WO 2017001464 A1 WO2017001464 A1 WO 2017001464A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
converter
ultrasonic welding
sonotrode
primary
welding device
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/065122
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Aust
Gerhard Gnad
Dieter Jurzitza
Arnold Schneider
Original Assignee
Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg filed Critical Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg
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Publication of WO2017001464A1 publication Critical patent/WO2017001464A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B23K20/106—Features related to sonotrodes

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic welding apparatus comprising a generator for generating a high-frequency AC voltage, a converter for converting the AC voltage into a mechanical ultrasonic vibration and a sonotrode for transmitting the ultrasonic vibration to a material to be processed.
  • a sonotrode equipped with a welding or cutting surface is generally subjected to ultrasonic vibration and fed to a counter-tool for welding or cutting, so that the material to be welded or cut is held between the sonotrode on the one hand and the counter-tool on the other hand, and optionally through is moved.
  • a power generator also called a generator, is connected to the converter and generates an electrical alternating voltage.
  • the ultrasonic oscillating unit which consists of the converter, the sonotrode and possibly the amplitude transformer, is excited with the relevant natural frequency for the welding, so that within the Ultrasonic vibration unit forms a standing ultrasonic wave. Therefore, the generator is adapted to the ultrasonic vibration system so that it provides the AC voltage with the desired natural frequency.
  • coaxial cable and suitable connectors are usually used.
  • the ultrasonic welding devices described are installed in ultrasonic welding systems, ie the ultrasonic welding devices is mounted on a machine stand, which also has a corresponding counter tool and optionally a feed unit for the material to be machined and an adjusting device for adjusting the distance between sonotrode and counter tool.
  • Most of these systems also have electronic controls. Not infrequently, workpieces are processed in successive steps with different sonotrodes.
  • several ultrasonic welding systems are usually used, which are arranged one behind the other. Especially when processing only small quantities, the provision of two or more ultrasonic welding systems is very expensive. Therefore, it is not uncommon to change the ultrasonic vibration system consisting of sonotrode and converter between different processing steps in an ultrasonic welding system.
  • the ultrasonic vibrating unit can be removed from the ultrasonic welding system and replaced by another ultrasonic welding unit with a differently designed sonotrode.
  • this object is achieved in that between generator and converter, an inductive coupler with a primary circuit having two input terminals, which are interconnected via a primary winding, and a secondary circuit with two output terminals, which are connected to each other via a secondary winding, arranged to transmit the AC voltage is.
  • the secondary circuit is attached to the converter and the primary circuit attached to a not attached to the converter, movable relative to the converter coupling element.
  • sonotrode and converter are connected to each other, wherein the sonotrode has a welding surface which is provided for to contact the material to be processed.
  • the welding surface is arranged on the side of the sonotrode facing away from the converter.
  • the oscillating system consisting of sonotrode, converter and optionally amplitude transformer is positively or non-positively connected to a machine stand or with an adjusting unit attached to the machine stand.
  • the positive or non-positive connection ensures that the oscillating system withstands a counterforce that may be exerted on the sonotrode by the workpiece without the entire oscillating system evading.
  • the oscillating system is connected via a tool clamping system with a machine stand or with an adjusting unit attached to the machine stand.
  • a tool clamping system serves to easily detachably connect the ultrasonic vibration unit and the machine stand or the adjustment unit.
  • the coupling element is a lifting device for moving the secondary winding relative to the primary winding, wherein the lifting device is particularly preferably a lifting cylinder.
  • the primary winding can be separated from the secondary winding fully automatically in order to allow replacement of the ultrasonic vibrating system. After the replacement has taken place, the primary winding can again be positioned opposite the secondary winding with the aid of the lifting cylinder in order to ensure inductive transmission of the alternating voltage.
  • the lifting device can be fastened either on the machine stand or on an adjusting unit attached to the machine stand.
  • the adjustment can be designed such that the sonotrode can be moved in the direction of the material to be processed.
  • the converter and / or coupling element can have stop surfaces which are designed such that the primary and secondary windings can not touch.
  • the stop surface can either be used to prevent accidental contact, or it can even be used to set the desired distance between the primary winding and the secondary winding with their help.
  • the touch of the abutment surfaces is basically not desired, but only in the case of incorrect positioning should prevent the primary winding on the secondary winding
  • a collision of the abutment surfaces is desired, since only then ensures that the right Distance between the primary winding on the one hand and the secondary winding on the other hand is complied with.
  • the compensation capacitor is arranged in the secondary circuit. This embodiment has the advantage that the compensation capacitor can be individually adapted to the ultrasound vibration unit, so that the replacement of the ultrasound vibration unit also exchanges the compensation capacitor.
  • the coupling element has two coupling parts, wherein the primary circuit is arranged on a first coupling part and the converter has a second coupling part, wherein the two coupling parts have mutually corresponding Paarslemente, so that the two coupling parts in a coupled position can be brought, in which an inductive coupling between primary and secondary circuit follows, wherein preferably the coupling parts are formed such that the first coupling part can be connected by a linear and / or rotational movement relative to the second coupling part with the second coupling part, wherein locking elements are particularly preferably provided which hold the first coupling part on the second coupling part in the coupled position.
  • the present invention further relates to an ultrasonic welding machine with an ultrasonic welding device as described above, wherein a counter tool is provided and the sonotrode can be moved relative to the counter tool.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a preferred embodiment.
  • the ultrasonic vibration system which consists of a sonotrode 1 and a converter 2 connected thereto.
  • the ultrasonic vibration system is connected here via a tool clamping system 3 with a plate 7, which is part of an adjusting device.
  • the individual components, in particular the converter 2 and the tool clamping system 3 are shown only schematically in the figures.
  • the plate 7 is movably mounted on a machine stand (not shown) so that the plate 7 can be moved in the direction of and away from the material to be processed. For processing the material, therefore, the plate 7 is moved in such a way that the welding surface 9 of the sonotrode 1 comes into contact with the material to be processed.
  • the tool clamping system 3 makes it possible in a simple manner, for example with the aid of a robot, to replace the oscillating unit, ie the sonotrode / converter combination, with any other oscillating units. Therefore, a tool magazine 14 is shown that can accommodate the oscillating unit and holds other oscillating units.
  • an inductive coupling is provided which has a primary circuit 5 and a secondary circuit 4. While the secondary circuit 4 is fastened to the converter 2, the primary circuit 5 is mounted on a lifting cylinder 6 with the aid of which the primary circuit 5 can be moved in the direction of the secondary circuit 4 and pulled back again.
  • the alternating voltage generated by the generator is applied to the primary winding of the primary circuit 5. If the primary circuit is positioned opposite the secondary circuit 4, an inductive coupling takes place, so that a corresponding alternating voltage is generated in the secondary circuit 4 in order to drive the converter.
  • the lifting cylinder 6 is also connected to the plate 7, so that the adjusting unit, with which the sonotrode can be moved in the direction of the workpiece, at the same time also moves the lifting cylinder 6. In principle, however, it would also be possible to attach the lifting cylinder 6 to the machine stand. It can be further seen that stops 8 are provided, which are designed such that when the abutment surfaces 8 abut the converter 2, a contact between the primary circuit and the secondary circuit is excluded.
  • the lifting cylinder 6 brings the primary circuit into a defined position at a short distance from the secondary circuit with the aid of precise guidance.
  • the primary and secondary circuits together form a transformer that is designed so that, on the one hand, the losses are very small and, on the other, the signal integrity requirements are met. It does not matter which circle is movably supported relative to which circle. It only has to come to a relative movement of the two circles, so that they can be moved away from each other to change the vibration system.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the inductive coupler.
  • the two connections of the primary circuit are denoted by "E”, while the two connections of the secondary circuit are denoted by "A”.
  • ⁇ _ ⁇ a leakage inductance between the two windings.
  • Such a leakage inductance has the consequence that the signal to be transmitted is both shifted in phase and changed in amplitude. This is usually not desired.
  • the inductance of the two coils is summarized here as the main inductance I_H.
  • FIG. 3 shows a further embodiment according to the invention.
  • the primary circuit 5 is arranged on a first coupling part 12 and the converter 2 has a second coupling part 13.
  • the two coupling parts 12, 13 have mutually corresponding Vietnameseslemente, so that the two coupling parts 12, 13 can be brought into a coupled position. In this coupled position primary and secondary circuits are arranged opposite each other and inductively coupled.
  • the coupling parts 12, 13 are formed such that the first coupling part 12 can be connected by a linear and / or rotational movement relative to the second coupling part 12 with the second coupling part 12, wherein particularly preferably locking elements are provided, which the first coupling part 12 on hold the second coupling part 13 in the coupled position.
  • the first coupling part 12 has guide pins 1 1
  • the second coupling part 13 has corresponding holes for receiving the guide pins 1 1.
  • the first coupling part 12 can then be moved by a robot arm and aligned with the aid of notches on the non-movably executed second coupling part 13 to this or on to be attached to this. Via the line 10, the primary circuit can be supplied with a high-frequency voltage.
  • connection of the two coupling parts 12, 13 is varied.
  • a bayonet connection could also be provided.
  • no screws or rivets are used to connect the two coupling parts 12, 13, so that the first coupling part 12 can be easily removed by turning or pulling the second coupling part 13.
  • a tool magazine 14 is provided for accommodating oscillating systems to be used as an alternative.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallschweißvorrichtung mit einem Generator zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung, einem Konverter (2) zum Umwandeln der Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung und eine Sonotrode (1) zur Übertragung der Ultraschallschwingung auf ein zu bearbeitendes Material. Um eine Ultraschallschweißvorrichtung der oben genannten Art bereitzustellen, die ein einfaches und zügiges Wechseln von Sonotrode (1) und Konverter (2) erlaubt, ohne dass die Gefahr besteht, dass Steckverbinder abnutzen und ausfallen, und die eine leichtere Realisierung einer Automatisierung erlaubt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zwischen Generator und Konverter ein induktiver Koppler (6) mit einem Primärkreis (5) mit zwei Eingangsanschlüssen, die über eine Primärwicklung miteinander verbunden sind, und einem Sekundärkreis (4) mit zwei Ausgangsanschlüssen, die über eine Sekundärwicklung miteinander verbunden sind, zur Übertragung der Wechselspannung angeordnet ist, wobei der Sekundärkreis (4) an dem Konverter (2) befestigt ist, wobei der Primärkreis (5) an einem nicht am Konverter (2) befestigten, relativ zum Konverter (2) beweglichen Koppelelement befestigt ist.

Description

Ultraschallschweißvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißvorrichtung mit einem Generator zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung, einem Konverter zum Umwandeln der Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung und einer Sonotrode zur Übertragung der Ultraschallschwingung auf ein zu bearbeitendes Material. Beim Ultraschallschweißen oder Ultraschallschneiden wird im Allgemeinen eine mit einer Schweiß- oder Schneidfläche ausgestattete Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt und zum Schweißen oder Schneiden auf ein Gegenwerkzeug zugefahren, sodass das zu schweißende oder zu schneidende Material zwischen Sonotrode einerseits und Gegenwerkzeug andererseits gehalten und gegebenenfalls hin- durch bewegt wird.
Um die Sonotrode in Schwingung zu versetzen, ist diese - gegebenenfalls über einen Amplitudentransformator - mit einem Konverter verbunden. Der Konverter wandelt die an ihm anliegende elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um. Der gegebenenfalls zwi- schengeschaltete Amplitudentransformator ändert die Amplitude, ohne jedoch die Frequenz der Schwingung zu verändern. An dem Konverter ist in der Regel ein Stromerzeuger, auch Generator genannt, angeschlossen, der eine elektrische Wechselspannung erzeugt.
Um eine nennenswerte Energiemenge von der Sonotrode auf das zu bearbeitende Werkstück zu übertragen, ist es notwendig, dass die Ultraschallschwingeinheit, die aus dem Konverter, der Sonotrode und gegebenenfalls dem Amplitudentransformator besteht, mit der für die Schweißung relevanten Eigenfrequenz angeregt wird, sodass sich innerhalb der Ultraschallschwingeinheit eine stehende Ultraschallwelle ausbildet. Daher wird der Generator auf das Ultraschallschwingsystem angepasst, sodass er die Wechselspannung mit der gewünschten Eigenfrequenz bereitstellt. Zur Übertragung der hochfrequenten Wechselspannung vom Generator auf den Konverter werden in der Regel Koaxialkabel und geeignete Steckverbinder verwendet.
Die beschriebenen Ultraschallschweißvorrichtungen sind in Ultraschallschweißanlagen eingebaut, d.h. die Ultraschallschweißvorrichtungen ist an einem Maschinenständer montiert, der auch ein entsprechendes Gegenwerkzeug und gegebenfalls eine Vorschubeinheit für das zu bearbeitende Material und eine Einsteilvorrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug aufweist. Meist weisen diese Anlagen auch elektronische Steuerungen auf. Nicht selten werden Werkstücke in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten mit unterschiedlichen Sonotroden bearbeitet. Hierzu kommen in der Regel mehrere Ultraschallschweißanlagen zum Einsatz, die hintereinander angeordnet sind. Insbesondere bei der Bearbeitung von nur geringen Stückzahlen ist das Bereitstellen von zwei oder mehr Ultraschallschweißanlagen sehr teuer. Daher ist es nicht unüblich, in einer Ultraschallschweißanlage das Ultraschallschwingsystem bestehend aus Sonotrode und Konverter zwischen verschiedenen Bearbeitungsschritten zu wechseln. So kann beispielweise zunächst eine Materialcharge mit einer ersten Sonotrode bearbeitet werden, dann die Ultraschallschwingeinheit aus der Ultraschallschweißanlage ausgebaut und durch eine andere Ultraschallschweißeinheit mit einer anders ausgebildeten Sonotrode ersetzt werden.
Durch diese Maßnahme kann auf das Bereitstellen von weiteren Ultraschallschweißanlagen verzichtet werden, was den Platzbedarf der gesamten Bearbeitungseinrichtung deutlich reduziert und zudem weitaus günstiger ist.
Allerdings muß bei jedem Austausch der Schwingungseinheit die Kabelverbindung zwischen Generator einerseits und Konverter andererseits gelöst werden. Durch das häufige Lösen und Wiederverbinden der Steckverbindungen kommt es - abhängig auch von der Betriebsumgebung - zu Abnutzungen und Verschmutzungen der Steckverbindungen, sodass die Kontaktsicherheit nicht mehr gewährleistet ist, was zu erhöhten Kontaktwiderständen führt, die sich negativ auf die Übertragung der Wechselspannung auswirkt, wobei im schlimmsten Fall die Steckverbinder sogar ausfallen können. Darüber hinaus ist eine automatisierte Steckverbinderwechseleinrichtung schwierig zu realisieren. Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallschweißvorrichtung der oben genannten Art bereitzustellen, die ein einfaches und zügiges Wechseln von Sonotrode und Konverter erlaubt, ohne dass die Gefahr besteht, dass Steckverbinder abnutzen und ausfallen, und die eine leichtere Realisierung einer Automatisierung erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen Generator und Konverter ein induktiver Koppler mit einem Primärkreis mit zwei Eingangsanschlüssen, die über eine Primärwicklung miteinander verbunden sind, und einem Sekundärkreis mit zwei Ausgangsanschlüssen, die über eine Sekundärwicklung miteinander verbunden sind, zur Übertragung der Wechselspannung angeordnet ist. Dabei ist der Sekundärkreis an dem Konverter befestigt und der Primärkreis an einem nicht am Konverter befestigten, relativ zum Konverter beweglichen Koppelelement befestigt. Durch diese Maßnahme ist es bei einem Wechsel der Ultraschallschwingeinheit möglich, den Primärkreis vom Konverter wegzubewegen, sodass die Ultraschallschwingeinheit einschließlich des Konverters gewechselt werden kann. Sobald die gewünschte Ultraschallschwingeinheit wieder befestigt ist, kann der Primärkreis mit Hilfe des Koppelelementes wieder derart in der Nähe des Se- kundärkreises positioniert werden, dass die Wechselspannung über den induktiven Koppler übertragen wird.
Da der Konverter und damit auch die Sekundärwicklung Teil des Schwingungssystems ist, wird auch dieses mit einer Ultraschallfrequenz schwingen. Um die Kopplung der Wechselspannung vom Generator in den Konverter möglichst gleichmäßig und ungestört zu bewerkstelligen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass Sonotrode und Konverter, gegebenenfalls über einen Amplitudentransformator, miteinander verbunden sind, wobei die Sonotrode eine Schweißfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist, mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt zu treten. Dabei ist die Schweißfläche an der dem Konverter abgewandten Seite der Sonotrode angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Schwingsystem bestehend aus Sonotrode, Konverter und gegebenenfalls Amplitudentransformator form- oder kraftschlüssig mit einem Maschinenständer oder mit einer mit dem Maschinenständer befestigten Verstelleinheit verbunden. Durch die form- oder kraftschlüssige Verbindung ist sichergestellt, dass das Schwingsystem einer eventuell von dem Werkstück auf die Sonotrode ausgeübten Gegenkraft standhält, ohne dass das gesamte Schwingsystem ausweicht. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das Schwingsystem über ein Werkzeugspannsystem mit einem Maschinenständer oder mit einer mit dem Maschinenständer befestigten Verstelleinheit verbunden ist. Ein Werkzeugspannsystem dient dazu, die Ultraschallschwingeinheit und den Maschinenständer bzw. die Verstelleinheit leicht lösbar miteinan- der zu verbinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Koppelelement eine Hubeinrichtung zur Bewegung der Sekundärwicklung relativ zur Primärwicklung, wobei besonders bevorzugt die Hubeinrichtung ein Hubzylinder ist. Durch diese Maßnahme kann vollautomatisch die Primärwick- lung von der Sekundärwicklung getrennt werden, um einen Austausch des Ultraschallschwingsystems zu erlauben. Nachdem der Austausch stattgefunden hat, kann mit Hilfe des Hubzylinders die Primärwicklung wieder gegenüber der Sekundärwicklung positioniert werden, um eine induktive Übertragung der Wechselspannung zu gewährleisten. Die Hubeinrichtung kann in einer bevorzugten Ausführungsform entweder am Maschinenständer oder an einer am Maschinenständer befestigten Verstelleinheit befestigt sein. Zudem kann die Verstelleinheit derart ausgebildet sein, dass die Sonotrode in Richtung des zu bearbeitenden Materials bewegt werden kann.
Des Weiteren können Konverter und/oder Koppelelement Anschlagsflächen aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass sich Primär- und Sekundärwicklung nicht berühren können. Dabei kann die Anschlagsfläche entweder dazu verwendet werden, ein versehentliches Berühren zu verhindern, oder sie kann sogar dazu verwendet werden, dass mit ihrer Hilfe der gewünschte Abstand zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung eingestellt wird. Während im ersten Fall die Berührung der Anschlagsflächen im Grunde genommen nicht gewünscht ist, sondern nur im Falle einer Fehlpositionierung ein Auftreffen der Primärwicklung auf der Sekundärwicklung verhindern soll, ist im zweiten Fall ein Aufeinandertreffen der Anschlagsflächen erwünscht, da nur dann sichergestellt ist, dass der richtige Abstand zwischen Primärwicklung einerseits und Sekundärwicklung andererseits eingehalten wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Primärkreis und/oder der Sekundärkreis einen Kompensationskondensator auf, welcher parallel oder in Reihe zu der Primär- oder Sekundärwicklung geschaltet ist, wobei der Kompensationskondensator vorzugsweise eine Kapazität CK aufweist, die sich zu CK =— berechnet, mit der Kreisfrequenz ω und der Streu Induktivität Ι_σ. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Kompensationskondensator im Sekundärkreis angeordnet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Kompensationskondensator individuell an die Ultraschallschwingeinheit angepasst werden kann, so dass durch den Austausch der Ultraschallschwingeinheit auch der Kompensationskondensator getauscht wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Koppelelement zwei Koppelteile aufweist, wobei der Primärkreis an einem ersten Koppelteil angeordnet ist und der Konverter ein zweites Koppelteil aufweist, wobei die beiden Koppelteile zueinander korrespondierende Verbindungslemente aufweisen, so dass die beiden Koppelteile in eine gekoppelte Position gebracht werden können, in der eine induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärkreis er- folgt, wobei vorzugsweise die Koppelteile derart ausgebildet sind, dass das erste Koppelteil durch eine lineare und/oder Drehbewegung relativ zum zweiten Koppelteil mit dem zweiten Koppelteil verbunden werden kann, wobei besonders bevorzugt Rastelemente vorgesehen sind, die das erste Koppelteil am zweiten Koppelteil in der gekoppelten Position halten. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Ultraschallschweißanlage mit einer Ultraschallschweißvorrichtung wie oben beschrieben, wobei ein Gegenwerkzeug vorgesehen ist und die Sonotrode relativ zum Gegenwerkzeug bewegt werden kann. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren. Es zeigen: eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäß verwendeten Kopplung, und eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Zu erkennen ist das Ultraschallschwingsystem, das hier aus einer Sonotrode 1 und einem mit dieser verbundenen Konverter 2 besteht. Das Ultraschallschwingsystem ist hier über ein Werkzeugspannsystem 3 mit einer Platte 7 verbunden, die Teil einer Versteileinrichtung ist. Die einzelnen Bauteile, insbesondere der Konverter 2 und das Werkzeugspannsystem 3 sind in den Figuren nur schematisch dargestellt. Die Platte 7 ist beweglich an einem Maschinenständer (nicht gezeigt) befestigt, sodass die Platte 7 in Richtung des zu bearbeitenden Materials und von diesem weg bewegt werden kann. Zum Bearbeiten des Materials wird daher die Platte 7 derart bewegt, dass die Schweißfläche 9 der Sonotrode 1 mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt. Das Werkzeugspannsystem 3 erlaubt es auf einfache Weise beispielsweise mit Hilfe eines Roboters, die Schwingeinheit, d.h. die Sonotroden-Konverterkombination, gegen beliebige andere Schwingeinheiten auszutauschen. Daher ist eine Werkzeugmagazin 14 dargestellt, dass die Schwingeinheit aufnehmen kann und weitere Schwingeinheiten hält. Um den Konverter 2 mit der gewünschten elektrischen Wechselspannung zu versorgen, die durch einen Generator (nicht dargestellt) erzeugt wird, ist eine induktive Kopplung vorgesehen, die einen Primärkreis 5 und einen Sekundärkreis 4 aufweist. Während der Sekundärkreis 4 am Konverter 2 befestigt ist, ist der Primärkreis 5 an einem Hubzylinder 6 montiert, mit dessen Hilfe der Primärkreis 5 in Richtung des Sekundärkreises 4 be- wegt und wieder zurückgezogen werden kann. Die vom Generator erzeugte Wechselspannung wird auf die Primärwicklung des Primärkreises 5 aufgegeben. Ist der Primärkreis gegenüber dem Sekundärkreis 4 positioniert, so findet eine induktive Kopplung statt, sodass in dem Sekundärkreis 4 eine entsprechende Wechselspannung erzeugt wird, um den Konverter anzutreiben. In dem gezeigten Beispiel ist der Hubzylinder 6 ebenfalls mit der Platte 7 verbunden, sodass die Verstelleinheit, mit der die Sonotrode in Richtung des Werkstückes bewegt werden kann, zugleich auch den Hubzylinder 6 bewegt. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, den Hubzylinder 6 am Maschinenständer zu befestigen. Man erkennt des Weiteren, dass Anschläge 8 vorgesehen sind, die derart ausgebildet sind, dass dann, wenn die Anschlagsflächen 8 am Konverter 2 anliegen, eine Berührung zwischen Primärkreis und Sekundärkreis ausgeschlossen ist. Soll eine neue Sonotroden-Konverterkombination an der Verstelleinheit 7 befestigt werden, bringt der Hubzylinder 6 mit Hilfe einer präzisen Führung den Primärkreis in eine definierte Position in geringem Abstand zum Sekundärkreis. Primär- und Sekundärkreis bilden zusammen einen Transformator, der derart ausgelegt ist, dass zum Einen die Verluste sehr klein sind und zum Anderen die Anforderungen an die Signalintegrität eingehalten werden. Dabei ist es nicht von Bedeutung, welcher Kreis relativ zu welchem Kreis beweglich gela- gert ist. Es muss lediglich zu einer Relativbewegung der beiden Kreise kommen, sodass diese zum Wechsel des Schwingsystems voneinander wegbewegt werden können.
In Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild des induktiven Kopplers gezeigt. Die beiden Anschlüsse des Primärkreises sind mit„E" bezeichnet, während die beiden Anschlüsse des Sekundärkreises mit„A" bezeichnet sind. Üblicherweise besteht zwischen den beiden Wicklungen eine Streuinduktivität Ι_σ. Eine solche Streuinduktivität hat zur Folge, dass das zu übertragende Signal sowohl in der Phase verschoben wird als auch in der Amplitude verändert wird. Dies ist in der Regel nicht gewünscht.
Die Induktivität der beiden Spulen ist hier als Hauptinduktivität I_H zusammengefasst.
Um die Phasenverschiebung und die Amplitudenveränderung zu reduzieren, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass ein Kondensator elektrisch zu einer der beiden Spulen in Reihe geschaltet ist. Beispielsweise kann dieser in das Gehäuse des Konverters integriert sein. In Figur 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt. Hier ist der Primärkreis 5 an einem ersten Koppelteil 12 angeordnet und der Konverter 2 weist ein zweites Koppelteil 13 auf. Die beiden Koppelteile 12, 13 weisen zueinander korrespondierende Verbindungslemente auf, so dass die beiden Koppelteile 12, 13 in eine gekoppelte Position gebracht werden können. In dieser gekoppelten Position sind Primär- und Sekundärkreis gegenüberliegend angeordnet und induktiv gekoppelt. Des weiteren sind die Koppelteile 12, 13 derart ausgebildet, dass das erste Koppelteil 12 durch eine lineare und/oder Drehbewegung relativ zum zweiten Koppelteil 12 mit dem zweiten Koppelteil 12 verbunden werden kann, wobei besonders bevorzugt Rastelemente vorgesehen sind, die das erste Koppelteil 12 am zweiten Koppelteil 13 in der gekoppelten Position halten. In der gezeigten Ausführungsform weist das erste Koppelteil 12 Führungsstifte 1 1 auf, wäh- rend das zweite Koppelteil 13 entsprechende Bohrungen zur Aufnahme der Führungsstifte 1 1 besitzt. Das erste Koppelteil 12 kann dann durch einen Roboterarm bewegt und mit Hilfe von Verras- tungen am nicht beweglich ausgeführten zweiten Koppelteil 13 zu diesem ausgerichtet bzw. an diesem befestigt werden. Über die Leitung 10 kann der Primärkreis mit einer hochfrequenten Spannung versorgt werden.
Die Möglichkeiten der Verbindung der beiden Koppelteile 12, 13 ist vielfältig. Beispielsweise könnte auch eine Bajonettverschlußverbindung vorgesehen sein. Vorzugsweise werden jedoch keinerlei Schrauben oder Nieten zur Verbindung der beiden Koppelteile 12, 13 verwendet, so dass das erste Koppelteil 12 leicht durch Drehen oder Ziehen vom zweiten Koppelteil 13 entfernt werden kann.
Auch in dieser Ausführungsform ist ein Werkzeugmagazin 14 zur Aufnahme von alternativ zu ver- wendenden Schwingsystemen vorgesehen.
Bezugszeichenliste
Sonotrode
Konverter
Werkzeugspannsystem
Sekundärkreis
Primärkreis
Hubzylinder
Platte
Anschläge
Schweißfläche
Zuleitung
Führungsstift
ersten Koppelteil
zweites Koppelteil
Werkzeugmagazin

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Ultraschallschweißvorrichtung mit einem Generator zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung, einem Konverter zum Umwandeln der Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung und eine Sonotrode zur Übertragung der Ultraschallschwingung auf ein zu bearbeitendes Material, wobei zwischen Generator und Konverter ein induktiver Koppler mit einem Primärkreis mit zwei Eingangsanschlüssen, die über eine Primärwicklung miteinander verbunden sind, und einem Sekundärkreis mit zwei Ausgangsanschlüssen, die über eine Sekundärwicklung miteinander verbunden sind, zur Übertragung der Wechselspannung angeordnet ist, wobei der Sekundärkreis an dem Konverter befestigt ist, wobei der Primärkreis an einem nicht am Konverter befestigten, relativ zum Konverter beweglichen Koppelelement befestigt ist.
2. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Sonotrode und Konverter, gegebenenfalls über einen Amplitudentransformator miteinander verbunden sind, wobei die Sonotrode eine Schweißfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist, mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt zu treten, wobei die Schweißfläche an der dem Konverter abgewandten Seite der Sonotrode angeordnet ist.
Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sonotrode, Konverter und gegebenenfalls ein Amplitudentransformator ein Schwingsystem bilden, wobei das Schwingsystem form- oder kraftschlüssig mit einem Maschinenständer oder mit einer mit dem Maschinenständer befestigten Verstelleinheit verbunden ist, wobei vorzugsweise das Schwingsystem über ein Werkzeugspannsystem mit einem Maschinenständer oder mit einer mit dem Maschinenständer befestigten Verstelleinheit verbunden ist.
Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement eine Hubeinrichtung zur Bewegung der Sekundärwicklung relativ zur Primärwicklung aufweist, wobei die Hubeinrichtung vorzugsweise ein Hubzylinder ist.
5. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubeinrichtung am Maschinenständer oder an einer am Maschinenständer befestigten Verstelleinheit verbunden ist.
Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit derart ausgebildet ist, dass die Sonotrode in Richtung des zu bearbeitenden Materials bewegt werden kann.
Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Konverter und/oder Koppelelement korrespondierende Anschlagsflächen aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass sich Primär- und Sekundärwicklung nicht berühren können und bei Ineingrifftreten der korrespondierenden Anschlagsflächen ein vorgegebener Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung gegeben ist.
Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis an einem ersten Koppelteil angeordnet ist und der Konverter ein zweites Koppelteil aufweist, wobei die beiden Koppelteile zueinander korrespondierende Verbindungslemente aufweisen, so dass die beiden Koppelteile in eine gekoppelte Position gebracht werden können, in der eine induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärkreis erfolgt, wobei vorzugsweise die Koppelteile derart ausgebildet sind, dass das erste Koppelteil durch eine lineare und/oder Drehbewegung relativ zum zweiten Koppelteil mit dem zweiten Koppelteil verbunden werden kann, wobei besonders bevorzugt Rastelemente vorgesehen sind, die das erste Koppelteil am zweiten Koppelteil in der gekoppelten Position halten.
Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis und/oder der Sekundärkreis einen Kompensationskondensator aufweist, welcher parallel oder in Reihe zu der Primär- oder Sekundärwicklung geschaltet ist, wobei der Kompensationskondensator vorzugsweise eine Kapazität CK aufweist, die sich zu CK =— berechnet, mit der Kreisfrequenz ω und der Streuinduk- tivität La.
Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreis den Kompensationskondensator aufweist.
Ultraschallschweißanlage mit einer Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenwerkzeug vorgesehen ist und die Sonotrode relativ zum Gegenwerkzeug bewegt werden kann.
12. Ultraschallschweißanlage nach Anspruch 1 1 mit einer Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeugmagazin mit mindestens zwei Schwingsystemen vorgesehen sind, wobei jedes Schwingsystem einen eigenen Sekundärkreis aufweist.
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