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DE102006054760B4 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn - Google Patents

Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn Download PDF

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DE102006054760B4
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Klaus Wittmaier
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Schober GmbH Werkzeug und Maschinenbau
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Abstract

Vorrichtung (10) zum Bearbeiten einer Materialbahn (12) mit einer eine Sonotrode (18) aufweisenden Ultraschalleinheit (20) und einem Gegenwerkzeug (14), wobei die Materialbahn (12) durch einen Spalt zwischen der Sonotrode (18) und dem Gegenwerkzeug (14) geführt und von der Sonotrode (18) bearbeitet wird, wobei die Sonotrode (18) oder das Gegenwerkzeug (14) über einen elektrischen Antrieb (28) bezüglich dem Gegenwerkzeug (14) oder der Sonotrode (18) verstellbar ist, mit einem Sensor (48), der mit einer Steuer- oder Regeleinheit (44) verbunden ist, die abhängig vom Signal des Sensors (48) eine Änderung des Abstands der Sonotrode (18) zum Gegenwerkzeug (14) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (48) mit dem Eingang oder dem Ausgang des Antriebs (28) verknüpft ist, um die Zustandsdaten des Antriebs (28) an dessen Eingang oder an dessen Ausgang zu überwachen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit einer eine Sonotrode aufweisenden Ultraschalleinheit und einem Gegenwerkzeug, wobei die Materialbahn durch einen Spalt zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug geführt und von der Sonotrode bearbeitet wird, wobei die Sonotrode oder das Gegenwerkzeug über einen elektrischen Antrieb bezüglich dem Gegenwerkzeug oder der Sonotrode verstellbar ist, und mit einem Sensor, der mit einer Steuer- oder Regeleinheit verbunden ist, die abhängig vom Signal des Sensors eine Änderung des Abstands der Sonotrode zum Gegenwerkzeug bewirkt.
  • Es ist bekannt, dass mittels Ultraschall-Sonotroden Materialbahnen verbunden, geschnitten, perforiert, gestanzt, geprägt, wärmebehandelt oder auf ähnliche Weise bearbeitet werden. Entscheidend ist bei den Sonotroden, dass deren Spitze mit einer exakt vorgegebenen Kraft auf die Materialbahn drückt oder presst, so dass die zum Bearbeiten erforderliche Energie in die Materialbahn eingebracht werden kann. Aufgrund der bei der Bearbeitung entstehenden Wärme ändert sich die Länge des Bearbeitungswerkzeugs, zum Beispiel der Sonotrode, was zu einer Änderung der Spalthöhe führen kann. Ein zu enger Spalt führt jedoch in der Regel zu einer Verschlechterung der Materialbearbeitung und kann unter Umständen in einer Beschädigung der Materialbahn oder der Werkzeuge resultieren, da die Anpresskraft zu hoch ist und somit zu viel Energie in die Materialbahn eingebracht wird. Ein zu weiter Spalt ergibt eine nicht akzeptable Schweiß- oder Schneidqualität, da die Anpresskraft zu gering ist. Es wird daher angestrebt, die Anpresskraft auf einen gewünschten Wert möglichst konstant zu halten.
  • Auch eine Änderung der Bearbeitungsgeschwindigkeit, also der Durchlaufgeschwindigkeit der Materialbahn durch den Arbeitsspalt, macht eine Änderung der Anpresskraft erforderlich, da zum Beispiel bei einer Geschwindigkeitserhöhung in kürzerer Zeit die erforderliche Schweißenergie in die Materialbahn eingebracht werden muss. Also muss in diesem Fall die Anpresskraft erhöht werden.
  • Die DE 197 53 740 C1 betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn, die den oben genannten Aufbau aufweist. Mit dieser Vorrichtung soll ein weitestgehend konstanter Spalt für die Bearbeitung der Materialbahn aufrechterhalten werden, wobei sich die Vorrichtung schnell auf sich ändernde Material- und/oder Bearbeitungsparameter einstellt. Dies soll dadurch erfolgen, dass über einen Kraftsensor eine die Sonotrode in Richtung des Gegenwerkzeugs beaufschlagende Kraft messbar ist. Mit dem Kraftsensor kann die Anpresskraft der Sonotroden direkt oder indirekt ermittelt werden, so dass bei einer Änderung dieser Kraft die Sonotrode in Richtung auf das Gegenwerkzeug beziehungsweise weg von diesem verlagert werden kann. Als nachteilig hat sich herausgestellt, dass der Sensor störanfällig ist, da er in einem Schenkel eines Kniegelenks angeordnet und daher beweglich gelagert werden muss und zusätzlich die Sensordaten mittels Kabel an die Steuer- und Regeleinrichtung übertragen werden müssen. Außerdem stellt der Kraftsensor ein zusätzliches Bauteil dar. Da der Kraftsensor lediglich Kräfte innerhalb bestimmter Kraftbereiche erfassen kann, müssen für unterschiedliche, verschiedene Kräfte erfordernde Einsatzzwecke unterschiedliche Kraftsensoren montiert werden, so dass die Vorrichtung relativ oft umgebaut werden muss. Schließlich sind Kraftsensoren relativ teuer.
  • Aus der DE 103 47 015 A1 ist eine Ultraschallschweißvorrichtung bekannt, bei der die Höhe des Schweißspalts mittels eines Wegaufnehmers oder durch die Messung der Energieaufnahme des Generators auf einen konstanten Wert geregelt wird. Hierdurch können lediglich Folien mit konstanter Dicke optimal bearbeitet werden. Sobald Folien mit sich verändernder Dicke bearbeitet werden müssen, kann die Anpassung des Schweißspaltes nur noch durch die Messung der Energieaufnahme des Generators erfolgen. Sobald der Generator aber mit einer schwankenden Spannung versorgt wird, versagt auch dieses System, da der Schweißspalt verändert wird, obwohl dies nicht erforderlich ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, mit welcher die Anpresskraft relativ einfach erfasst und eingestellt, insbesondere geregelt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Bearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sensor mit dem Eingang oder dem Ausgang des Antriebs verknüpft ist, um die Zustandsdaten des Antriebs an dessen Eingang oder an dessen Ausgang zu überwachen.
  • Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik besteht darin, dass nicht mehr die Kraft ermittelt wird, mit welcher die Sonotrode die Materialbahn auf das Gegenwerkzeug presst. Ändert sich die Anpresskraft, dann ändern sich die Zustandsdaten des Antriebs, welcher die Sonotrode oder das Gegenwerkzeug in Richtung auf das jeweils andere Bauteil zustellt, indem der Antrieb mehr oder weniger Energie für die Zustellung benötigt, ein größeres oder kleineres Drehmoment an dessen Abtrieb aufbringen muss oder der Abtrieb mehr oder weniger weit ausgefahren werden muss. Dabei werden nunmehr erfindungsgemäß diese Zustandsdaten entweder am Eingang oder am Ausgang des Antriebs überwacht. Der Sensor ist also nicht mehr, wie beim Stand der Technik, der Sonotrode sondern dem Antrieb zugeordnet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst der Sensor die Energieaufnahme des Antriebs. Dies bedeutet, dass zum Beispiel bei einer Verringerung der Anpresskraft die Sonotrode beziehungsweise das Gegenwerkzeug weniger stark angepresst werden muss, so dass die Energieaufnahme des Antriebs geringer ist. Dies kann direkt vom Sensor erfasst werden, indem dieser zum Beispiel ein Stromaufnahmesensor ist. Soll die Anpresskraft verringert werden, dann wird über die Steuer- und Regeleinrichtung die Stromaufnahme so weit verringert, bis die gewünschte Anpresskraft und dadurch die gewünschte Leistungs- und Energieabgabe erreicht ist. Dabei ist in einem geeigneten Speicher die Beziehung zwischen Anpresskraft und Stromaufnahme in digitaler oder analoger Form abgelegt. Andererseits kann durch eine Veränderung der Stromaufnahme festgestellt werden, dass sich die Anpresskraft ändert, so dass durch geeignete Ansteuerung des Antriebs die Anpresskraft wieder auf den gewünschten Wert zurückgeführt werden kann.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird am Ausgang des Antriebs die Momentabgabe erfasst. Hierfür ist zum Beispiel ein Drehmomentsensor vorgesehen, der ein hochpräzises aber dennoch preiswertes Bauteil ist. Auch hier stellt das vom Antrieb aufgebrachte Drehmoment eine direkte Beziehung zur Anpresskraft dar. Drehmomente können zum Beispiel mit Hallsensoren relativ einfach ermittelt werden.
  • Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die Verlagerung eines Abtriebselements des Antriebs, insbesondere die Verschiebung des Abtriebselements bei einem Linearmotor, erfasst wird. Hierfür ist zum Beispiel ein Wegsensor vorgesehen.
  • Wie bereits erwähnt, wird bevorzugt ein Elektromotor, insbesondere ein Drehmotor, Schrittmotor, Servomotor oder Linearmotor, als Antrieb verwendet. Dabei kann die Sonotrode oder das Gegenwerkzeug verlagert werden. Falls erforderlich, können auch beide Bauteile, das heißt Sonotrode und Gegenwerkzeug, verlagert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung wirkt das Abtriebselement des Antriebs direkt oder indirekt auf die Sonotrode, das heißt mit oder ohne Zwischenschaltung eines Getriebes. Ferner können die Sonotrode oder das Gegenwerkzeug einerseits und der Antrieb andererseits parallel zueinander, d. h. mit parallelen Achsen oder in einer gemeinsamen Achse, d. h. übereinander liegen. Diese Ausgestaltung besitzt den wesentlichen Vorteil, dass die gesamte Vorrichtung sehr schlank ist, da die einzelnen Bauteile übereinander angeordnet sind.
  • Bei einer anderen Ausführungsform schließen die Achsen der Sonotrode und des Gegenwerkzeugs einerseits und des Antriebs andererseits einen Winkel zwischen 0° und 180° ein, und es ist ein Getriebe zwischengeschaltet. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil, dass die Vorrichtung eine geringe Höhe aufweist und dass über das Getriebe relativ große Kräfte bei Verwendung eines kleinen Antriebs erzeugt werden können.
  • Mit Vorzug ist der Sensor direkt oder indirekt am Antrieb angeordnet, insbesondere in diesen integriert, wie zum Beispiel ein Stromsensor, ein Drehmomentsensor an der Abtriebswelle oder ein Wegsensor an der Abtriebsstange.
  • Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der Sensor in die Steuer- oder Regeleinrichtung integriert ist, was zum Beispiel bei einem Stromsensor der Fall sein kann, der direkt auf der Steuerplatine platziert ist. Diese Lösung ist äußerst preiswert.
  • Die Erfindung wird in der nachfolgenden Zeichnung im Detail erläutert, wobei die:
  • 1 eine Variante zeigt, bei der die Achse des Antriebs und die Achse der Ultraschallschwingeinheit einen Winkel von 90° einschließen; und die
  • 2 eine Variante zeigt, bei der die Achse des Antriebs und die Achse der Ultraschallschwingeinheit parallel zueinander verlaufen.
  • Die 1 zeigt eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung 10, mit welcher eine Materialbahn 12 bearbeitet werden kann. Hierfür weist die Ultraschallbearbeitungsvorrichtung 10 ein Gegenwerkzeug 14 auf, welches als Zylinder ausgeführt ist und in Richtung des Pfeils 54 um eine Achse 16 drehbar gelagert ist. Außerdem ist eine insgesamt mit 18 bezeichnete Ultraschallsonotrode vorgesehen, die Teil einer insgesamt mit 20 bezeichneten Ultraschalleinheit ist. Diese Ultraschalleinheit 20 ist an einem Halter 22 befestigt, welcher über zwei Schlitten 24, die ihrerseits an einer Schiene 26 verschiebbar gelagert sind, in Richtung auf das Gegenwerkzeug 14 und weg von diesem bewegt werden kann. Hierfür ist ein Antrieb 28 vorgesehen, dessen Abtriebselement 30 auf einen Kniehebel 32 wirkt. Sowohl der Antrieb 28 über geeignete Haltevorrichtung 34 als auch ein Schenkel 36 des Kniehebels 32 sind an einem Halterahmen 38 befestigt. Der andere Schenkel 40 des Kniehebels 32 wirkt auf den Halter 22 und bewirkt dessen Verlagerung in Richtung des Doppelpfeils 42.
  • Der Antrieb 28 ist an eine Steuer- und Regeleinrichtung 44 angeschlossen, die eine entsprechende Steuerung mit Datenspeicher 46 aufweist. Außerdem ist in der Steuer- und Regeleinrichtung 44 ein Sensor 48 vorgesehen, der als Stromsensor 50 ausgebildet ist. Vom Stromsensor 50 führt eine Versorgungsleitung 52 zum Antrieb 28.
  • Erhöht sich die Durchlauf- oder Transportgeschwindigkeit (Pfeil 54) der Materialbahn 12, dann muss in kürzerer Zeit die erforderliche Schweißleistung in die Materialbahn 12 eingebracht werden, weshalb die Schweißenergie erhöht werden muss. Dies erfolgt zum Beispiel durch Erhöhen des Anpressdrucks der Sonotrode 18 in Richtung des Gegenwerkzeugs 14. Selbstverständlich kann gleichermaßen gut das Gegenwerkzeug 14 in Richtung auf die Sonotrode 18 verstellt werden. Hierfür wird über den Antrieb 28 das Kniegelenk 32 derart bewegt, dass sich die Schenkel 36 und 40 weiter strecken. Da eine erhöhte Kraft vom Antrieb 28 aufgebracht werden muss, besitzt dieser eine größere Stromaufnahme, was vom Stromsensor 50 erfasst wird. Die Beziehung zwischen Stromaufnahme und Anpresskraft ist im Datenspeicher 46 abgelegt, so dass zu jedem Wert der Stromaufnahme eine bestimmte Anpresskraft ermittelt werden kann. Die vom Stromsensor 50 ermittelten Daten werden über eine Datenleitung 56 der Steuerung zugeleitet und der Antrieb 28 wird entsprechend so lange angesteuert, bis die gewünschte Anpresskraft erreicht ist. Diese Variante hat den wesentlichen Vorteil, dass die Ermittlung der Anpresskraft relativ einfach, schnell und preiswert erfolgt und dass der Stromsensor 50 zwar ein zusätzliches Bauteil darstellt, dieses jedoch entweder im Antrieb 28 oder in der Steuer- und Regeleinrichtung 44 untergebracht ist und ein preiswertes Bauteil darstellt.
  • Die 1 zeigt jedoch auch eine andere Variante der Erfindung, bei welcher der Sensor 48 ein Drehmomentsensor 58 ist, der am Abtriebselement 30 des Antriebs 28 befestigt ist. In diesem Falle wird das Abtriebselement 30 von einer Welle gebildet. Die Daten dieses Drehmomentsensors 58 werden ebenfalls über eine Datenleitung 56 in die Steuer- und Regeleinrichtung 44 eingespeist, so dass der Antrieb 28 entsprechend diesen Daten betrieben werden kann.
  • Schließlich zeigt die 1 noch eine weitere Variante der Erfindung, bei welcher der Sensor 48 ein Wegsensor 60 ist, welcher die Verlagerung des Abtriebselements 30 erfasst, welches zum Beispiel eine Stange ist, die aus dem Abtrieb 28, der als Linearantrieb ausgebildet ist, herausragt.
  • Die drei Varianten verdeutlichen, dass der Sensor 48 direkt an den Antrieb 28 gekoppelt ist und Zustandsdaten des Antriebs 28 am Eingang oder am Ausgang des Antriebs 28 überwacht, das heißt entweder die Stromaufnahme oder das Abtriebsdrehmoment beziehungsweise den Weg des Abtriebselements 30 ermittelt. Von Vorteil ist, dass Sensor 48 und Antrieb 28 als Baueinheit beziehungsweise die Steuer- und Regeleinrichtung 44 und der Sensor 48 als Baueinheit ausgebildet werden können.
  • Es ist in der 1 deutlich erkennbar, dass die Längsachse des Antriebs 28 in waagerechter und die Längsachse der Ultraschallschwingeinheit 20, also die Längsachse der Sonotrode 18, welche die Achse 16 des Gegenwerkzeugs 14 schneidet, einen Winkel von 90° einschließen. Diese Anordnung besitzt eine geringe Bauhöhe. Es sei angemerkt, dass unter der Längsachse der Ultraschallschwingeinheit 20 die in der 1 vertikal verlaufende Achse gemeint ist, obwohl die Drehachse 16 des Gegenwerkzeugs orthogonal zur Zeichenebene verläuft.
  • Die 2 zeigt eine Variante, bei welcher die Ultraschallbearbeitungsvorrichtung 10 zwar eine größere Höhe aufweist, jedoch sehr schlank ausgebildet ist. Der Antrieb 28 und die Ultraschallschwingeinheit 20 weisen Längsachsen 62 und 64 auf, die parallel zueinander verlaufen und in welcher die Achse 16 des Gegenwerkzeugs 14 liegt. Der Antrieb 28 befindet sich oberhalb der Ultraschallschwingeinheit 20 und kann somit direkt auf den Halter 22 einwirken, indem der Abtrieb 30 entweder direkt oder über ein Getriebe 66 mit dem Halter 22 gekoppelt ist.

Claims (14)

  1. Vorrichtung (10) zum Bearbeiten einer Materialbahn (12) mit einer eine Sonotrode (18) aufweisenden Ultraschalleinheit (20) und einem Gegenwerkzeug (14), wobei die Materialbahn (12) durch einen Spalt zwischen der Sonotrode (18) und dem Gegenwerkzeug (14) geführt und von der Sonotrode (18) bearbeitet wird, wobei die Sonotrode (18) oder das Gegenwerkzeug (14) über einen elektrischen Antrieb (28) bezüglich dem Gegenwerkzeug (14) oder der Sonotrode (18) verstellbar ist, mit einem Sensor (48), der mit einer Steuer- oder Regeleinheit (44) verbunden ist, die abhängig vom Signal des Sensors (48) eine Änderung des Abstands der Sonotrode (18) zum Gegenwerkzeug (14) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (48) mit dem Eingang oder dem Ausgang des Antriebs (28) verknüpft ist, um die Zustandsdaten des Antriebs (28) an dessen Eingang oder an dessen Ausgang zu überwachen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Eingang des Antriebs (28) verknüpfte Sensor (48) die Energieaufnahme des Antriebs (28) erfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Eingang des Antriebs (28) verknüpfte Sensor (48) ein Stromaufnahmesensor (50) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Ausgang des Antriebs (28) verknüpfte Sensor (48) die Momentabgabe des elektrischen Antriebs (28) erfasst.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Ausgang des Antriebs (28) verknüpfte Sensor (48) ein Drehmomentsensor (58) ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Ausgang des Antriebs (28) verknüpfte Sensor (48) die Verlagerung des Abtriebselements (30) des elektrischen Antriebs (28) erfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Ausgang des Antriebs (28) verknüpfte Sensor (48) ein Wegsensor (60) ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (28) ein Elektromotor ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Drehmotor, ein Schrittmotor, ein Servomotor oder ein Linearmotor ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (30) des Antriebs (28) direkt oder indirekt auf die Sonotrode (18) oder das Gegenwerkzeug (14) wirkt.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (18) oder das Gegenwerkzeug (14) einerseits und der Antrieb (28) andererseits parallel oder in einer gemeinsamen Achse liegen.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Sonotrode (18) oder des Gegenwerkzeugs (14) einerseits und des Antriebs (28) andererseits einen Winkel zwischen 0° und 180° einschließen und ein Getriebe (66) zwischengeschaltet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (48) direkt oder indirekt am Abtriebselement (30) angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (48) in die Steuer- oder Regeleinrichtung (44) integriert ist.
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