DE102024114301A1

DE102024114301A1 - Vorrichtung und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks

Info

Publication number: DE102024114301A1
Application number: DE102024114301.0A
Authority: DE
Inventors: Raphael Beck; Christian Himmer; Kevin Sieg; Volker Krell
Original assignee: MS Ultraschall Technologie GmbH
Current assignee: MS Ultraschall Technologie GmbH
Priority date: 2024-05-22
Filing date: 2024-05-22
Publication date: 2025-11-27
Also published as: WO2025242440A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks umfasst ein Grundgestell mit einer relativ zu dem Grundgestell bewegbaren Werkzeughalterung sowie ein Gegenwerkzeug. Zwischen Grundgestell und Werkzeughalterung ist eine Hubeinrichtung angeordnet, wobei ein Gegenkrafterzeuger vorgesehen ist, der die Werkzeughalterung in Richtung des Gegenwerkzeugs beaufschlagt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks, beispielsweise zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall mittels einer Sonotrode. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 10 2021 126 774 A1 bekannt. Aus diesem Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, das Werkzeug auf einem Schlitten anzuordnen, der das Werkzeug mit Hilfe einer kraftgesteuerten Hubeinrichtung in Richtung des Werkzeugs zustellt und den Abstand zum Werkstück variiert.
Wenn Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art mit einem rotierenden Amboss als Gegenwerkzeug zum Bearbeiten von Materialbahnen eingesetzt werden, kann sich das Problem ergeben, dass - insbesondere bei höheren Bahngeschwindigkeiten - das Werkzeug von dem mit Erhebungen versehenen Amboss abhebt. Dieses Problem kann insbesondere dann auftreten, wenn das Gegenwerkzeug mit einer Struktur zur Erstellung von Quernähten versehen ist, da die Struktur dann sich quer zur Bahnlaufrichtung erstreckende Rippen aufweist, die eine Beschleunigung des Werkzeugs weg vom Gegenwerkzeug bewirken können. Wird als Werkzeug beispielsweise eine Sonotrode eingesetzt, so kann diese bei höheren Bahngeschwindigkeiten bzw. höheren Umlaufgeschwindigkeiten des Gegenwerkzeugs weg vom Gegenwerkzeug beschleunigt werden, wobei der Abstand zwischen Sonotrode und Rotationsamboss so groß werden kann, dass die Sonotrode von der zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug hindurchgeführten Materialbahn abhebt, so dass es zu einer unvollständigen Verschweißung kommen kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks zu schaffen, mit denen eine einwandfreie Bearbeitung einer Materialbahn auch dann möglich ist, wenn diese sich quer zur Bahnlaufrichtung erstreckende Bearbeitungsmuster aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 an der Werkzeughalterung ein insbesondere ansteuerbarer Gegenkrafterzeuger montiert, der die Werkzeughalterung mit einem in Richtung des Gegenwerkzeugs orientierten Kraftstoß beaufschlagt. Mit einem solchen Gegenkrafterzeuger kann - im Gegensatz zu üblichen kraftgesteuerten Spaltregelungen - zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Kraftimpuls auf die Werkzeughalterung ausgeübt werden, so dass einem unerwünschten Abheben des Werkzeugs von der Materialbahn entgegengewirkt wird. Wenn der Gegenkrafterzeuger ansteuerbar ist, kann der Kraftstoß genau dann ausgelöst werden, wenn die Werkzeughalterung bzw. ein daran befestigtes Werkzeug aufgrund von Trägheitskräften weg von dem Gegenwerkzeug beschleunigt wird.
Aus der DE 100 34 057 A1 ist es zwar bereits bekannt, zur Dämpfung von Schwingungen der Sonotrode einen mit Öl oder Luft gefüllten Dämpfer vorzusehen. Aufgrund der in der Praxis auftretenden äußerst geringen Hübe im Bereich von etwa 0,1 mm ist ein solcher passiver Dämpfer für den hier vorliegenden Anwendungsfall jedoch nicht geeignet, zumal dieser nicht in der Lage ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt über einen derartig kurzen Hub einen Kraftstoß auszuüben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere für die Verwendung mit einer Sonotrode, die gegen einen rotierenden Amboss angestellt wird, wobei zwischen Sonotrode und Amboss eine Materialbahn hindurchgeführt wird. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch für andere Bearbeitungswerkzeuge und Gegenwerkzeuge anwendbar ist, beispielsweise für Schweißvorgänge, Siegelvorgänge, Trennschweißvorgänge oder auch Trennvorgänge.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann der Gegenkrafterzeuger eine am Grundgestell abgestützte Reibungsbremse aufweisen. Mit einer solchen Reibungsbremse kann einer unerwünschten Hubbewegung der Werkzeughalterung bzw. des Werkzeugs in sehr kurzer Zeit entgegengewirkt werden, indem die Reibungsbremse pulsartig betätigt wird. Hierzu kann die Reibungsbremse einen Stellzylinder mit einstellbarer Kolbenkraft aufweisen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Gegenkrafterzeuger eine am Grundgestell abgestützte Wirbelstrombremse aufweisen, die den Vorteil besitzt, dass ein Bremsimpuls berührungsfrei und verschleißfrei aufgebracht werden kann. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Wirbelstrombremse einen Elektromagneten mit einer Stromsteuerung und/oder einen Permanentmagneten mit einer veränderbaren Flächenüberdeckung aufweist. In beiden Fällen kann die Bremswirkung aktiv gesteuert werden, nämlich durch passende Bestromung des Elektromagneten, oder durch eine Veränderung der Flächenüberdeckung im Falle eines Permanentmagneten, der mit einem elektrisch leitenden Flächenelement zusammenwirkt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Gegenkrafterzeuger einen am Grundgestell abgestützten Aktor aufweisen, mit dem zu einem geeigneten Zeitpunkt auf die Werkzeughalterung bzw. auf das damit verbundene Werkzeug ein Kraftstoß ausgeübt wird, der in Richtung des Gegenwerkzeugs gerichtet ist. Ein solcher Aktor kann als Linearantrieb, beispielsweise als Elektromagnet, Linearmotor oder piezoelektrischer Aktor ausgebildet sein, und/oder einen rotatorischen Antrieb aufweisen, beispielsweise ein mechanisches System mit Kurbel und Pleuel.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Gegenkrafterzeuger eine am Grundgestell abgestützte Magnetfeder aufweisen, die sich dadurch bilden lässt, dass zwei Magnete mit einander abstoßenden Polen nebeneinander angeordnet werden, wobei der eine Magnet an dem Grundgestell und der andere Magnet an der Werkzeughalterung befestigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist zum einen keine aktive Ansteuerung erforderlich, zum anderen ergibt sich der große Vorteil, dass über einen sehr kurzen Weg eine sehr große Kraftänderung erzielt werden kann. Durch geeignete Dimensionierung kann eine solche Magnetfeder so montiert werden, dass diese nur bei einem unerwünschten Überschwingen der Werkzeughalterung eine magnetische Gegenkraft auf die Werkzeughalterung ausübt. Die für eine Magnetfeder verwendeten Magnete können entweder zwei Permanentmagnete oder aber zumindest ein Elektromagnet und ein weiterer Magnet sein. So kann beispielsweise ein Elektromagnet mit einem Permanentmagneten gleichpolig gegenüberliegend angeordnet werden, wobei durch geeignete Ansteuerung des Elektromagneten die Federkraft der Magnetfeder gezielt gesteuert werden kann. Auch ist es möglich, zwei Elektromagnete zu verwenden, um eine noch besser anpassbare Steuerung zu erhalten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Gegenkrafterzeuger eine translatorisch und/oder rotatorisch angetriebene Gegenmasse aufweisen. Bei dieser Ausführungsform muss der Gegenkrafterzeuger nicht am Grundgestell abgestützt werden. Vielmehr lässt sich der erforderliche Kraftstoß durch Bewegen der Gegenmasse in Richtung des Ambosses erzeugen, wenn die Werkzeughalterung sich unerwünscht vom Amboss wegbewegt.
Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn der Gegenkrafterzeuger verschiebbar an dem Grundgestell befestigt ist. Wenn nämlich die Werkzeughalterung über eine größere Distanz von dem Gegenwerkzeug wegbewegt wird, beispielsweise um eine Materialbahn in den Bearbeitungsspalt einzuführen, kann der Gegenkrafterzeuger aufgrund seiner Verschiebbarkeit dieser Bewegung folgen.
Wie eingangs bereits erwähnt, ist der unerwünschte Hub des Werkzeugs bzw. der Werkzeughalterung äußerst gering und liegt in einer Größenordnung von etwa 0,1 mm. Es kann deshalb vorteilhaft sein, wenn der Gegenkrafterzeuger über einen Hebel mit der Werkzeughalterung verbunden ist, der eine Hubbewegung der Werkzeughalterung in einen erhöhten Hub eines Hebelendes übersetzt. Auf diese Weise lässt sich ein Hub der Werkzeughalterung von 0,1 mm beispielsweise in einen Hub von 1 mm oder auch mehr umsetzen, wodurch der erforderliche Kraftstoß entlang eines erhöhten Hubes von 1 mm aufgebracht werden kann, was sich steuerungstechnisch einfacher bewerkstelligen lässt.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art gelöst, die an der Werkzeughalterung ein Bearbeitungswerkzeug aufweist. Hierbei wird der Gegenkrafterzeuger zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiviert und dadurch wird einem unerwünschten Impuls des Bearbeitungswerkzeugs weg von dem Gegenwerkzeug entgegengewirkt. Im Gegensatz zu einer kraftgesteuerten Spaltregelung oder aber einem nicht aktiv ansteuerbaren Dämpfer wird bei diesem Verfahren der Gegenkrafterzeuger gezielt zu einem bestimmten Zeitpunkt angesteuert, so dass nur dann eine impulsartige Gegenkraft auf das Bearbeitungswerkzeug ausgeübt wird, wenn dieses sich unerwünscht von dem Gegenwerkzeug wegbewegt.
Der Zeitpunkt, zu dem der Gegenkrafterzeuger aktiviert wird, kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Beschleunigung und/oder einem Hub des Werkzeugs bzw. der Werkzeughalterung gewählt werden. So kann die Werkzeughalterung beispielsweise mit einem Beschleunigungssensor versehen werden, der detektiert, wenn sich die Werkzeughalterung zu schnell von dem Gegenwerkzeug wegbewegt. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Wegmessung möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Aktivierung des Gegenkrafterzeugers durch zumindest ein Signal ausgelöst wird, das von einem ein Ultraschallwerkzeug ansteuernden Signalgenerator erzeugt wird. Wenn nämlich das Werkzeug in den Bereich einer Erhebung oder eines Querstegs auf dem Amboss gelangt, so kann dies auf zuverlässige Weise aus Strom- und/oder Spannungssignalen des Signalgenerators detektiert werden. Somit wird bei dieser Ausführungsform eine sehr präzise Bestimmung des Auslösezeitpunkts möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann die Aktivierung des Gegenkrafterzeugers auch durch Signale eines Kraftsensors ausgelöst werden, der die von dem Werkzeug auf die Materialbahn ausgeübte Kraft misst. Auch hier lässt sich aus Signalen eines solchen Kraftsensors präzise ableiten, zu welchem Zeitpunkt ein in Richtung des Gegenwerkzeugs ausgeübter Kraftstoß erforderlich ist.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der Zeitpunkt der Aktivierung des Gegenkrafterzeugers in Abhängigkeit von einer Drehwinkelstellung des Gegenwerkzeugs gewählt wird. Da sich eine Profilierung des Gegenwerkzeugs entlang der Umfangsfläche des Gegenwerkzeugs erstreckt, kann über eine Detektion des Drehwinkels des Gegenwerkzeugs erfasst werden, wann das Werkzeug über eine solche Profilierung hinweggeführt wird. Da es ab bestimmten Bahngeschwindigkeiten zu einer unerwünschten Bewegung des Werkzeugs weg von dem Gegenwerkzeug kommen kann, kann der Gegenkrafterzeuger zu diesen Zeitpunkten aktiviert werden, um dies zu verhindern.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn eine Aktivierung in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit des Gegenwerkzeugs erfolgt, da dann beispielsweise eine Aktivierung nur dann veranlasst wird, wenn eine unerwünschte Abhebebewegung des Werkzeugs aufgrund der vorhandenen Bahngeschwindigkeit auftreten kann.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:

1 eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Gegenkrafterzeuger, der eine angetrieben Gegenmasse aufweist;
2 eine weitere Ausführungsform mit einem Gegenkrafterzeuger in Form einer Reibungsbremse;
3 eine weitere Ausführungsform mit einem Gegenkrafterzeuger in Form einer Wirbelstrombremse mit Elektromagnet;
4 eine weitere Ausführungsform mit einem Gegenkrafterzeuger in Form einer Wirbelstrombremse mit Permanentmagneten;
5 eine weitere Ausführungsform mit einem Gegenkrafterzeuger mit einem Aktor;
6 eine weitere Ausführungsform mit einem Gegenkrafterzeuger in Form einer Magnetfeder; und
7 eine weitere Ausführungsform mit einem Hebel zur Übersetzung des auftretenden Hubs.

1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks W, beispielsweise einer Materialbahn, mit Ultraschall. Die Vorrichtung umfasst ein nicht näher dargestelltes Grundgestell 10, auf dem ein Schlitten 12 linear verschiebbar ist. Der Schlitten 12 ist über zwei Gleitlager, beispielsweise zwei Rollenumlauflager 13 und 15 an dem Grundgestell 10 so gelagert, dass er (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel) in vertikaler Richtung verschoben werden kann.
Weiterhin ist eine relativ zu dem Schlitten 12 bewegbare Werkzeughalterung 14 vorgesehen, an der ein Werkzeug, beispielsweise eine Sonotrode 17 angeordnet ist. Mit Hilfe der Sonotrode 17 kann das Werkstück W bearbeitet werden, beispielsweise können zwei Materialbahnen miteinander verschweißt werden, indem das Werkzeug bzw. die Sonotrode 17 gegen ein Gegenwerkzeug 21, beispielsweise einem drehbaren Amboss, angestellt und in Betrieb gesetzt wird.
Zur Erzeugung von Quernähten ist das Gegenwerkzeug 21 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an seiner äußeren Mantelfläche mit Querstegen 23 versehen, wobei der Einfachheit halber nur ein Quersteg 23 (vergrößert) dargestellt ist. Wenn die Materialbahnen W in Bewegungsrichtung M durch den Spalt zwischen Sonotrode 17 und Gegenwerkzeug 21 geführt werden, bewegt sich das Gegenwerkzeug 21 in Richtung des gekrümmten Pfeils, so dass der Quersteg 23 zu einem bestimmten Zeitpunkt unterhalb des der Sonotrode 17 zu liegen kommt. Bei der in 1 dargestellten Position muss das Gegenwerkzeug 21 noch einen Winkel α zurücklegen, bis dies eintritt.
Der Schlitten 12 ist mit der Werkzeughalterung 14 über zwei parallele Blattfedern 16 und 18 verbunden, so dass die Werkzeughalterung 14 relativ zu dem Schlitten 12 parallel bewegt werden kann.
Zur Bewegung sowohl des Schlittens 12 wie auch der Werkzeughalterung 14 ist eine Hubeinrichtung 20 vorgesehen, die zwischen dem Grundgestell 10 und der Werkzeughalterung 14 angeordnet ist und die eine Hubbewegung der Werkzeughalterung 14 relativ zu dem Schlitten 12 bewirkt, wenn der Schlitten 12 fixiert ist. Die Hubeinrichtung 20 umfasst einen über ein Gelenk 29 gelenkig gelagerten Antrieb 30, beispielsweise einen Spindelantrieb, der in und entgegen des Pfeils 31 bewegbar ist und dadurch ein Kniehebelgelenk 34, das gegenüber dem Grundgestell 10 abgestützt ist, so bewegt, dass die Werkzeughalterung 14 und der mit dieser über die Blattfedern 16 und 18 verbundene Schlitten 12 in vertikaler Richtung nach oben oder nach unten bewegt werden kann.
Wie 1 weiterhin zeigt, ist an dem Grundgestell 10 ein Festanschlag 22 für den Schlitten 12 vorgesehen, der verstellbar ist und der eine vertikale Bewegung des Schlittens 12 in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 blockiert. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Festanschlag 24 für die Werkzeughalterung 14, wobei der Festanschlag 24 einen oberen Referenzanschlag sowie einen unteren Endanschlag umfasst und wobei sich letzterer kurz vor dem Totpunkt des Kniehebelgelenks 34 befindet. Auch ist zwischen dem Kniehebelgelenk 34 und der Werkzeughalterung 14 ein Kraftsensor 36 vorgesehen, der mit einer (nicht dargestellten) Steuerung verbunden ist, die den Antrieb 30 in Abhängigkeit von der detektierten Kraft so ansteuert, dass das Werkzeug 17 mit einer gewünschten, beispielsweise konstanten Kraft gegen das Gegenwerkzeug 21 angestellt wird.
Die Vorrichtung weist weiterhin eine Hubbegrenzung 40 für die beiden Blattfedern 16 und 18 auf, die dafür sorgt, dass die beiden Blattfedern nur innerhalb eines begrenzten Bereiches ausgelenkt werden können. Eine Vorspannung der beiden Blattfedern 16 und 18 kann durch eine Feder 42 erreicht werden, die zwischen dem Schlitten 12 und der Werkzeughalterung 14 vorgesehen ist. Die Vorspannung kann einstellbar und so gewählt sein, dass die Werkzeughalterung 14 gegen den Schlitten 12 in Richtung der Hubeinrichtung 20, d.h. von dem Werkstück W bzw. dem Gegenwerkzeug 21 weg vorgespannt wird.
Weiterhin kann der Schlitten 12 mit der Werkzeughalterung 14 über ein (nicht dargestelltes) elastisches Element verbunden sein, so dass Schlitten und Werkzeughalterung zwar von der Hubeinrichtung 20 gemeinsam bewegt werden können, dass jedoch eine gewisse Bewegung der Werkzeughalterung 14 relativ zu dem Schlitten 12 noch möglich ist, wenn der Schlitten 12 an dem Festanschlag 22 anschlägt.
Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung lässt sich das Werkzeug 17 mit Hilfe der Hubeinrichtung 20 zunächst um einen Anstellhub und anschließend um einen Arbeitshub bewegen. Durch Betätigen des Antriebs 30 lässt sich das Kniehebelgelenk 34 so bewegen, dass zunächst die Werkzeughalterung 14 und mit dieser zusammen der Schlitten 12 vertikal relativ zu dem Grundgestell 10 in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 bewegt werden. Bei dieser Bewegung wird am Ende des Anstellhubs die Bewegung des Schlittens 12 durch den Festanschlag 22 gestoppt. Die Werkzeughalterung 14 kann jedoch nach wie vor relativ zu dem stillstehenden Schlitten 12 weiterbewegt werden, da die Blattfedern 16 und 18 dies ermöglichen.
Zunächst kann die Vorrichtung in ihrer Arbeitsstellung eingestellt werden, d.h. der ideale Arbeitspunkt ist eingestellt, bei dem die Sonotrode 17 gegenüber dem Gegenwerkzeug 21 einen gewünschten Abstand einnimmt. Beim Bewegen einer Materialbahn in Richtung des Pfeils M kann sich durch Toleranzen des Materials oder durch Temperaturschwankungen die Notwendigkeit ergeben, die Spaltbreite zu erhöhen oder zu verringern. Hierzu misst der Kraftsensor 36 die von der Hubeinrichtung 20 auf das Werkzeug 17 aufgebrachte Kraft und regelt in Abhängigkeit von der gemessenen Kraft die Bewegung der Hubeinrichtung 20. Hierbei kann die Werkzeughalterung 14 relativ zu dem stillstehenden Schlitten 12 vertikal nach unten bewegt werden, wenn das Kniehebelgelenk 20 weiter durchgedrückt wird. Genauso kann die Werkzeughalterung 14 vertikal nach oben bewegt werden, wenn das Kniehebelgelenk 20 geöffnet wird.
Wenn also ausgehend von der idealen Arbeitsposition, die in 1 dargestellt ist, von dem Kraftsensor 36 eine Abnahme der Kraft im Kraftfluss zwischen dem Werkzeug 17 und dem Grundgestell 10 detektiert wird, so kann der Antrieb 30 in Richtung des Pfeils 31 zurückgefahren werden, so dass sich die Werkzeughalterung 14 vertikal nach unten bewegt. Hierbei bewegt sich jedoch der Schlitten 12 aufgrund der Vorspannung der Feder 42 nicht. Dies würde erst dann erfolgen, wenn die obere Hubbegrenzung 40 erreicht ist.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist an der Werkzeughalterung 14 ein Gegenkrafterzeuger G montiert, der die Werkzeughalterung 14 mit einem in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 orientierten Kraftstoß beaufschlagen kann. Der Gegenkrafterzeuger G weist bei dieser Ausführungsform eine translatorisch in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 angetriebene Gegenmasse m auf. Alternativ oder zusätzlich kann eine rotatorisch angetriebene Gegenmasse m' vorgesehen sein. Als translatorischer Antrieb für die Gegenmasse m kommen Aktoren, Piezoaktoren, Stellzylinder oder dergleichen in Frage. Die rotatorisch angetriebene Gegenmasse m' kann beispielsweise über einen Elektromotor angetrieben werden.
Zur Ansteuerung des Gegenkrafterzeugers G ist eine schematisch dargestellte Steuerung 50 vorgesehen, die mit einem Winkeldrehgeber 52 des Gegenwerkzeugs 21 verbunden ist. Hierdurch erhält die Steuerung 50 eine Information über den aktuellen Drehwinkel des Gegenwerkzeugs 21. Wenn das Gegenwerkzeug 21 den in 1 dargestellten α zurückgelegt hat, befindet sich der Quersteg 23 im Bereich des Werkzeugs 17. Oberhalb bestimmter Bahngeschwindigkeiten kann es vorkommen, dass im Anschluss daran das Werkzeug 17 bzw. die Werkzeughalterung 14 leicht von der Materialbahn W abheben, so dass die Steuerung 50 zu diesem Zeitpunkt den Gegenkrafterzeuger G kurzeitig aktivieren kann, um einen in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 orientierten Kraftstoß auszulösen, indem die Gegenmasse m und/oder m' in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 bewegt wird bzw. werden.
Es versteht sich, dass die Konstruktion der Hubeinrichtung 20 und der Werkzeughalterung 14 grundsätzlich völlig beliebig sein kann und nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Beispielsweise kann es sich bei der Werkzeughalterung nur um einen vertikal verschiebbaren Schlitten (ohne Blattfedern oder dergleichen) handeln, der mit Hilfe einer beliebigen Hubeinrichtung, beispielsweise einem Stellzylinder oder einem Linearantrieb, relativ zu dem Grundgestell 10 vertikal bewegt und an das Gegenwerkzeug angestellt und von diesem wegbewegt werden kann.
2 zeigt eine solche vereinfachte Ausführungsform mit einer Werkzeughalterung 14, die als vertikal verfahrbarer Schlitten ausgebildet ist, der an einem Grundgestell 10 mit Hilfe einer Hubeinrichtung 20 vertikal verfahren werden kann. Ein an der Werkzeughalterung 14 befestigtes Werkzeug, beispielsweise eine Sonotrode, ist nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Gegenkrafterzeuger G in Form einer Reibungsbremse vorgesehen, die sich am Grundgestell 10 abstützt, und die auf eine an der Werkzeughalterung 14 fest montierte Reibfläche 60 wirkt. Mit dem Grundgestell 10 ist ein Tragrahmen 62 fest verbunden, wobei an dem Tragrahmen 62 ein Aktor 64, beispielsweise ein Stellzylinder mit einstellbarer Kolbenkraft montiert ist. Wird der Aktor 64 betätigt, so übt dieser eine Kraft auf die Reibfläche 60 aus, die fest mit der Werkzeughalterung 14 verbunden ist, so dass eine vertikal nach unten in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 gerichtete Reibungskraft wirkt. Eine Ansteuerung der Reibungsbremse erfolgt wiederum über die Steuerung 50, die mit dem Drehwinkelgeber 52 verbunden ist, um die aktuelle Drehstellung des Gegenwerkzeugs 21 zu erkennen. Zum geeigneten Zeitpunkt löst dann die Steuerung 50 mit Hilfe der Reibungsbremse einen Kraftstoß in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 aus, der durch analoge oder digitale Signale 66 initiiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 50 zur Bestimmung des Auslösezeitpunkts auch mit einem Beschleunigungssensor 54 in Verbindung stehen, der an der Werkzeughalterung 14 und/oder einem Bearbeitungswerkzeug befestigt ist.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Gegenkrafterzeugers G in Form einer Wirbelstrombremse, die einen Elektromagneten 70 aufweist, der über eine Halterung 72 fest mit dem Grundgestell 10 verbunden ist. Der Elektromagnet 70 wird wiederum über die Steuerung 50 angesteuert und so bestromt, dass zum passenden Zeitpunkt eine Bremskraft auf den Schlitten 14 ausgeübt wird, da der Elektromagnet 70 in einer elektrisch leitenden Platte 74 Wirbelströme erzeugt, die mit dem Werkzeugträger 14 fest verbunden ist. Durch geeignete Bestromung des Elektromagneten 70 kann wiederum ein Richtung des Gegenwerkzeugs 21 orientierter Kraftstoß auf die Werkzeughalterung 14 ausgeübt werden, um einer unerwünschten Aufwärtsbewegung der Werkzeughalterung 14 und damit auch des Werkzeugs entgegenzuwirken.
4 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit einem Gegenkrafterzeuger G in Form einer Wirbelstrombremse unter Verwendung von Permanentmagneten 76, die mit elektrisch leitenden Platten 78 zusammenwirken. Die Permanentmagnete 76 sind an dem Grundgestell 10 befestigt, jedoch in vertikaler Richtung (Doppelpfeil 77 in 4) verschiebbar. Die elektrisch leitenden Platten 78 sind fest mit der Werkzeughalterung 14 verbunden und können sich zusammen mit dieser zwischen den Permanentmagneten 77 vertikal bewegen. Durch eine vertikale Verschiebung der Permanentmagneten 77 relativ zu dem Grundgestell 10 lässt sich hierbei die Flächenüberdeckung zwischen den Permanentmagneten 77 und den elektrisch leitenden Platten 78 verändern, so dass hierdurch die von der Wirbelstrombremse ausgeübte Bremskraft variiert werden kann. Eine Verstellung der Permanentmagnete 76 kann wiederum über einen Aktor erfolgen, der von der Steuerung 50 angesteuert wird.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Gegenkrafterzeugers G in Form eines Aktors 80, der fest am Grundgestell 10 montiert ist, und der entweder auf die Hubeinrichtung 20 oder auf die Werkzeughalterung 14 einen Kraftstoß ausüben kann, wenn die Steuerung 50 von dem Drehgeber 52 (oder von einem Beschleunigungssensor) die Information erhalten hat, dass dies erforderlich ist, da sich das Werkzeug unerwünscht vom Gegenwerkzeug wegbewegt. Der Aktor 80 kann einen Linearantrieb, beispielsweise einen Piezoaktor oder dergleichen aufweisen. Er kann jedoch auch einen rotatorischen Antrieb besitzen.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Gegenkrafterzeugers G, wobei die Vorrichtung ähnlich zu derjenigen von 1 ausgestaltet ist. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Gegenkrafterzeuger G eine am Grundgestell 10 abgestützte Magnetfeder, die zwei Permanentmagnete 90 und 92 umfasst. Hierbei ist der Permanentmagnet 90 fest an dem Grundgestell 10 montiert, wohingegen der andere Permanentmagnet 92 fest an der Werkzeughalterung 14 montiert ist. Beide Permanentmagnete liegen einander mit gleichnamigen Polen gegenüber, so dass bei einer Annäherung der beiden Permanentmagnete 90 und 92 eine in Richtung des Gegenwerkzeugs 21 orientierte Bremskraft erzeugt wird, die umso größer wird, je näher sich die beiden Pole annähern.
Wie eingangs bereits beschrieben, kann es bei den meisten Ausführungsformen vorteilhaft sein, wenn der Gegenkrafterzeuger verschiebbar an dem Grundgestell 10 befestigt ist, damit die Werkzeughalterung 14 auch über größere Distanzen von dem Gegenwerkzeug 21 wegbewegt werden kann, beispielsweise um eine Materialbahn in den Bearbeitungsspalt einzuführen.
Wie eingangs ebenfalls bereits erwähnt wurde, sind die im Betrieb auftretenden (unerwünschten) Hübe außerordentlich gering und liegen im Bereich von etwa 0,1 mm. Da dies die rechtzeitige und passende Beaufschlagung mit einem Kraftstoß außerordentlich erschwert, kann es vorteilhaft sein, wenn der auftretende Hub mit Hilfe eines Hebels vergrößert wird. 7 zeigt eine solche Ausführungsvariante, die wiederum derjenigen von 1 und 6 ähnelt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Hebel 90 an seinem rechten Ende mit der Werkzeughalterung 14 verbunden und nach etwa einem Drittel an dem Grundgestell 10 gelenkig gelagert. Hierdurch besitzt der Hebel 90 einen kurzen und einen langen Hebelarm und eine Hubbewegung der Werkzeughalterung 14 wird in eine vergrößerte Hubbewegung des linken Hebelendes 91 übersetzt. Im Bereich des linken Hebelendes 91 kann dann ein Gegenkrafterzeuger G angeordnet werden, wobei an dieser Stelle ein vergrößerter Hub entsteht, was ein geeignetes Aufbringen eines Kraftstoßes erleichtert.
Es versteht sich, dass der Hebel als einarmiger oder zweiarmiger Hebel ausgebildet sein kann, und dass die Drehgelenke des Hebels beispielsweise als Festkörpergelenke ausgebildet sein können.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art, wobei an der Werkzeughalterung ein Bearbeitungswerkzeug angebracht ist. Bei dem Verfahren wird der Gegenkrafterzeuger zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiviert und dadurch wird einem unerwünschten Impuls des Bearbeitungswerkzeugs weg von dem Gegenwerkzeug entgegengewirkt. Insbesondere bei der Erzeugung von quer zur Bahnlaufrichtung verlaufenden Schweißnähten mit Hilfe einer Sonotrode und einem drehbaren Amboss lässt sich mit diesem Verfahren unter Verwendung einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen einem Abheben der Sonotrode von der Materialbahn entgegenwirken, so dass ordnungsgemäße und nicht unterbrochene Schweißnähte erzielt werden können. Der Aktivierungszeitpunkt kann dabei von einer Steuerung ermittelt werden, die den aktuellen Drehwinkel des Gegenwerkzeugs und/oder eine Beschleunigung des Werkzeugs bzw. der Werkzeughalterung detektiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10 2021 126 774 A1 [0001]
DE 100 34 057 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (W), umfassend - ein Grundgestell (10), - eine relativ zu dem Grundgestell (10) bewegbare Werkzeughalterung (14), - ein insbesondere drehbares Gegenwerkzeug (21), und - eine Hubeinrichtung (20), die zwischen dem Grundgestell (10) und der Werkzeughalterung (14) angeordnet ist und die eine Hubbewegung der Werkzeughalterung (14) relativ zu dem Gegenwerkzeug (21) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass an der Werkzeughalterung (14) ein insbesondere ansteuerbarer Gegenkrafterzeuger (G) montiert ist, der die Werkzeughalterung (14) mit einem in Richtung des Gegenwerkzeugs (21) orientierten Kraftstoß beaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkrafterzeuger (G) eine am Grundgestell (10) abgestützte Reibungsbremse (60 - 64) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsbremse einen Stellzylinder (66) mit einstellbarer Kolbenkraft aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkrafterzeuger (G) eine am Grundgestell (10) abgestützte Wirbelstrombremse aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstrombremse einen Elektromagneten (70) mit einer Stromsteuerung (50) und/oder Permanentmagnete (76) mit einer veränderbaren Flächenüberdeckung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkrafterzeuger (G) einen am Grundgestell (10) abgestützten Aktor (80) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (80) einen Linearantrieb und/oder einen rotatorischen Antrieb aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkrafterzeuger (G) eine am Grundgestell abgestützte Magnetfeder (90, 92) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkrafterzeuger (G) eine translatorisch und/oder rotatorisch angetriebene Gegenmasse (m, m') aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkrafterzeuger (G) verschiebbar an dem Grundgestell befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkrafterzeuger (G) über einen Hebel (90) mit der Werkzeughalterung (14) verbunden ist, der eine Hubbewegung der Werkzeughalterung (14) in einen erhöhten Hub eines Hebelendes (91) übersetzt.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (W) mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die an der Werkzeughalterung (14) ein Bearbeitungswerkzeug (17), insbesondere eine Sonotrode, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkrafterzeuger (G) zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiviert wird und dadurch einem unerwünschten Impuls des Bearbeitungswerkzeugs (17) weg von dem Gegenwerkzeug (21) entgegengewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt in Abhängigkeit von einer Beschleunigung und/oder einem Hub des Werkzeugs gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt in Abhängigkeit von einer Drehwinkelstellung des Gegenwerkzeugs gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivierung in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit des Gegenwerkzeugs (21) erfolgt.