DE19902827C1 - Verfahren zum Konstanthalten der mittleren Spaltbreite zwischen einer Sonotrode eines Ultraschall-Systems und einem als Gegenwerkzeug ausgebildeten Schneidwerkzeugs einer Ultraschall-Schneideinrichtung - Google Patents
Verfahren zum Konstanthalten der mittleren Spaltbreite zwischen einer Sonotrode eines Ultraschall-Systems und einem als Gegenwerkzeug ausgebildeten Schneidwerkzeugs einer Ultraschall-SchneideinrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konstanthalten der mittleren Spaltbreite zwischen einer Sonotrode und einem Gegenwerkzeug einer Ultraschall-Schneideinrichtung zum Schneiden und/oder Verschweißen von unterschiedlichen Materialien, wie zum Beispiel von Kunststoff-Folien, kunststoffhaltigen Textilgeweben, mittels eines Schneidwerkzeuges, unter Verwendung einer Verstelleinrichtung. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Konstanthalten der mittleren Spaltbreite einer Ultraschall-Schneideinrichtung zu entwickeln, mit dem die Mängel der bekannten Verfahren und Einrichtung vermieden werden und mit der gewährleistet ist, daß unerschiedliche Materialien, wie Kunststoff-Folien, kunststoffhaltige Textilgewebe, zuverlässig und effektiv mit gleichbleibender Qualität durch die von äußeren Einflußfaktoren unabhängige Regelung einer konstanten, definierten optimalen mittleren Spaltbreite geschweißt und/oder geschnitten werden können, wird dadurch gelöst, daß die Berührungszeit zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug über eine Regelung konstant gehalten wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konstanthalten
der mittleren Spaltbreite zwischen einer Sonotrode
eines Ultraschall-Systems und einem als Gegenwerkzeug
ausgebildeten Schneidwerkzeugs einer Ultraschall-
Schneideinrichtung zum Schneiden und/oder Verschweißen
von unterschiedlichen Materialien, wie zum Beispiel von
Kunststoff-Folien, kunststoffhaltigen Textilgeweben,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um Ultraschall zu erzeugen und in ein Medium mit einer
gewünschten Leistung einzubringen, werden prinzipiell
ein Ultraschall-Wandler (λ/2-Schwinger), der die
eingebrachte elektrische Energie in mechanische
Schwingungen umwandelt, und eine Sonotrode bzw. ein
Horn verwendet.
Die Sonotrode ist als ein Werkzeug anzusehen, über das
die Ultraschall-Leistung an den Wirkungsort geleitet
wird.
Nach dem allgemeinen Stand der Technik wird die
Materialbahn oder die übereinandergelegten Material
bahnen zwischen einem Gegenwerkzeug, zum Beispiel einem
Schneidwerkzeug, und der Ultraschalleinheit geführt.
Die in das Material übertragenen Längsschwingungen
bewirken eine Erwärmung des Materials und damit den
Schweiß- und/oder Schneidvorgang.
Zur Erlangung einer gleichbleibenden optimalen Schweiß-
und Schneidqualität sowie zur Minimierung des
Schneidwerkzeugverschleißes ist die Einstellung einer
optimalen und konstanten mittleren Schweiß- und/oder
Schneidspaltbreite zwischen der Sonotrode und dem
Schneidwerkzeug von Wichtigkeit.
In der DE 44 39 284 A1 wird eine Vorrichtung zum
fortlaufenden Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn
beschrieben, bei der der Spalt zwischen der Sonotrode
und dem Gegenwerkzeug einstellbar ist. Die Ultraschall
schwingeinheit wird über eine temperaturgeführte
Verstelleinrichtung starr mit dem Maschinenständer
verbunden. Mittels der temperaturgeführten Verstell
einrichtung sollen temperaturbedingte Längenänderungen
in der Ultraschallschwingeinheit ausgeglichen werden,
so daß der Schweiß- und Schneidspalt eine gleich
bleibende Größe aufweist.
Nachteilig ist es dabei, daß nur die temperatur
bedingten Längenänderungen, nicht aber Längenänderungen
der beteiligten Bauteile erfaßt und kompensiert werden,
die sich aus der Materialelastizität und dem
Verschleiß des Werkzeuges ergeben und zum Beispiel nach
dem Durchlauf einer Materialbahn einige µm betragen
können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
gattungsgemäßes Verfahren zum Konstanthalten der
mittleren Spaltbreite einer Ultraschall-Schneidein
richtung zu entwickeln, mit dem die Mängel der
bekannten Verfahren und Einrichtungen vermieden werden
und mit der gewährleistet ist, daß, unterschiedliche
Materialien, insbesondere Kunststoff-Folien, zuver
lässig und effektiv mit gleichbleibender Qualität durch
die von äußeren Einflußfaktoren unabhängige Regelung
einer konstanten, definierten optimalen Spaltbreite
geschweißt und/oder geschnitten werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird die Berührungszeit
zwischen der Sonotrode und dem Schneidwerkzeug über
eine Regelung konstant gehalten. Die Regelung besteht
nach einer bevorzugten Ausführungsform entsprechend Anspruch 2 aus zwei
Regelkreisen, die miteinander verknüpft sind. Mit einem
ersten schnellen Regelkreis wird mit elektronischen
Mitteln laufend die Amplitude des schwingenden Systems
(Ultraschall-System) korrigiert und damit die Berüh
rungszeit bei schnellem Lastwechsel konstant gehalten.
Mit einem zweiten langsameren Regelkreis, dessen
Regelzeit aber schneller ist als die Temperaturänderung
des Systems, werden durch ein Stellglied thermisch
bedingte und verschleißbedingte Abstandsänderungen, die
wegen ihrer zu erwartenden Größe durch die Ampli
tudenregelung nicht mehr kompensiert werden können,
zwischen dem Schneidwerkzeug und der Sonotrode
kompensiert, so daß die voreingestellte Berührungszeit
konstant gehalten wird.
Dadurch wird der reale Abstand bzw. die reale Spalt
breite erfaßt. Abweichungen von der Solleinstellung
werden unabhängig von Einflußfaktoren automatisch
kompensiert. Es werden konstant gute und
reproduzierbare Schweiß- und Schneidergebnisse sowie
ein minimierter Verschleiß des Schneidwerkzeuges und
der Sonotrode gewährleistet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach Anspruch 1 ergeben sich
aus den weiteren Unteransprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Zeichnung
an einem Ausführungsbeispiel einer Schneideinrichtung
näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1: die schematische Darstellung einer
Ultraschall-Schneideinrichtung und
Fig. 2: eine schematische Darstellung der
Regelungsstruktur.
Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 besteht die
Ultraschall-Schneideinrichtung aus einem Ultraschall-
System 1, einer Sonotrode 2, die über einen
schwingungsfreien Flansch 8 mit einer Befestigungs
platte 4 verbunden ist, einem Koppelglied 7, an dem ein
Schneidwerkzeug 3, hier eine Schweiß- und Schneid
platte, befestigt ist, einer Stellschraube 5, hier eine
Mikrometerschraube, mit der ein Spalt 9 zwischen der
Sonotrode 2 und dem Schneidwerkzeug 3 mechanisch
einstellbar ist, und aus einem thermischen Stellglied
und einem Hebelsystem 6, hier ein Aktuator, zur
Kompensation von thermisch bedingten und
verschleißbedingten Abstandsänderungen zwischen der
Sonotrode 2 und dem Schneidwerkzeug 3 (Spalt 9).
Die Ultraschall-Leistung wird über die Sonotrode 2 des
Ultraschall-Systems 1, welche als Amplitudentransfor
mator wirkt, an das Schneidwerkzeug 3 geleitet. Durch
die zu Ultraschallschwingungen in Längsrichtung
erregte Sonotrode 2 wird ein Schweiß- und/oder
Schneidvorgang dadurch bewirkt, daß während eines
kurzen Bruchteils der Schwingungsperiode sich das zu
schneidende Material und das Schneidwerkzeug 3 in
kraftschlüssigem Eingriff befinden. Wenn das zu
schneidende Material auch verschweißt werden soll, dann
wird durch eine entsprechende Formgebung der Sonotrode 2
und des Gegenwerkzeugs 3 sowie durch die Material
eigenschaften das Material durch die Schwingungen
außerdem so gewalkt, daß eine für das Verschweißen des
Materials ausreichend hohe Temperatur erreicht wird.
Die Regelung nach der Fig. 2 besteht aus zwei
Regelkreisen. Der erste Regelkreis ist ein schneller
Regelkreis, mit dem auf elektronischem Wege Laufend die
Berührungszeit von Sonotrode 2 und Schneidwerkzeug 3
gemessen und durch Veränderung der Amplitude des
schwingenden Systems 1 so korrigiert wird, daß die
voreingestellte Berührungszeit zwischen dem Schneid
werkzeug 3 und der Sonotrode 2 konstant gehalten wird.
Der Referenz- bzw. der voreingestellte Sollwert 12 der
Berührungszeit wird aus einer Voreinstellung
(Grundeinstellung) des Spaltes 9 mittels einer
Mikrometerschraube 5 abgeleitet. Dabei erfolgt die
mechanische Einstellung des Spaltes 9 so, daß die
Berührungszeit sehr gering ist, also einen Wert gegen
Null aufweist (Fig. 1).
Der Sollwert 12 der Berührungszeit kann auch durch
andere Verstelleinrichtungen mechanisch und/oder
elektronisch, auch opto-elektronisch, manuell oder
automatisch eingestellt werden, zum Beispiel mittels
Piezoelement. Wenn eine Konstanthaltung über längere
Zeiträume zu gewährleisten ist, dann kann eine auto
matische Nachstellung evtl. auch unter Berücksichtigung
des Sonotrodenverschleißes erforderlich sein.
Die Berührungszeit wird elektronisch in einer
Meßschaltung 10 (Fig. 2) gemessen und einer
Auswerteschaltung 11 zugeführt.
Bei einem schnellen Lastwechsel, zum Beispiel wenn die
Materialbahn in den Spalt 9 einläuft, wird das
geringfügige elastische Nachgeben der starren Anordnung
zwischen der Sonotrode 2 und dem Schneidwerkzeug 3
dadurch schnell, d. h. in wenigen Millisekunden,
ausgeglichen, daß die Amplitude sofort vergrößert wird,
bis der voreingestellte Sollwert 12 der Berührungszeit
wieder erreicht ist. Die entgegengesetzte Regelung
erfolgt beim Auslauf der Materialbahn aus dem Spalt 9,
indem die Amplitude der Schwingung verringert wird.
Aus der Messung der Berührungszeit ergibt sich eine
Impulsdauer als zur Berührungszeit proportionales
Signal 13, welche mit der fest voreingestellten
Impulsdauer (Sollwert) 12 in der Auswertungsschaltung
11 verglichen und zu einem Korrektursignal 14 der
Impulsdauer verarbeitet und einem Amplitudenstellglied
15 zugeführt wird, der eine Vergrößerung oder
Verkleinerung der Schwingungsamplitude über das
Amplituden-Korrektur-Signal 17 bewirkt.
Mit dem ersten Regelkreis ist ein zweiter, etwas
trägerer Regelkreis verbunden, mit dem über ein
thermisches Stellglied 6 (Aktuator, Fig. 1) und ein
Hebelsystem thermisch und verschleißbedingte Abstands
änderungen zwischen dem Schneidwerkzeug 3 und der
Sonotrode 2 ausgeglichen werden. Es werden alle
thermisch bedingten Abstandsänderungen (Spaltände
rungen) kompensiert.
Die fest voreingestellten Referenzwerte 18, 19 für die
Aktivierung und Deaktivierung des thermischen Stell
gliedes 6 werden zusammen mit dem Korrektursignal 17
für die Amplitudenverstellung einem Ein-/Aus-Tempe
raturschalter 20 zugeführt, dessen Ausgangssignal 21
dem thermischen Stellglied 6 zugeführt wird.
Aus der Festlegung eines optimalen Arbeitsbereiches für
die Berührungszeit werden Grenzwertsignale definiert,
die zur mechanischen Grundeinstellung des mechanischen
Gesamtsystems benutzt werden.
Das Amplituden-Korrektursignal 17 wirkt in einem
definierten Signalbereich, bei dessen Verlassen die
Aktivierung oder Deaktivierung des thermischen
Stellgliedes 6 erfolgt.
Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es
möglich, durch Kombination und Modifikation der
beschriebenen Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu
realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu
verlassen.
Claims (7)
1. Verfahren zum Konstanthalten der mittleren
Spaltbreite zwischen einer Sonotrode (2) eines
Ultraschall-Systems (1) und einem als Gegenwerkzeug
ausgebildeten Schneidwerkzeugs (3) einer
Ultraschall-Schneideinrichtung zum Schneiden
und/oder Verschweißen von unterschiedlichen
Materialien, wie zum Beispiel von Kunststoff-
Folien, kunststoffhaltigen Textilgeweben, unter
Verwendung einer Verstelleinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Berührungszeit zwischen der Sonotrode (2) und
dem Schneidwerkzeug (3) über eine Regelung konstant
gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Berührungszeit konstant gehalten wird,
indem mit einem ersten schnellen Regelkreis mit
elektronischen Mitteln laufend die Amplitude des
Ultraschall-Systems (1) korrigiert und damit die
Berührungszeit bei schnellem Lastwechsel konstant
gehalten wird und mit einem zweiten langsameren
Regelkreis, dessen Regelzeit aber schneller ist als
die Temperaturänderung des Systems (1), durch
mindestens ein Stellglied (6) thermisch bedingte
und verschleißbedingte Abstandsänderungen zwischen
dem Schneidwerkzeug (3) und der Sonotrode (2)
kompensiert werden, so daß die voreingestellte
Berührungszeit konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Regelkreise in ihrer Wirksamkeit
aufeinander abgestimmt werden, indem die Aktivie
rung/Deaktivierung des mindestens einen Stellglie
des (6) mit dem definierten Signalbereich des
Amplituden-Korrektursignals (17) gesteuert wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Voreinstellung des
Sollwertes (12) für die Berührungszeit zwischen der
Sonotrode (2) und dem Schneidwerkzeug (3) mittels
einer Verstelleinrichtung (5) wie Mikrometer
schraube, Piezoelement, Aktuator so vorgenommen
wird, daß die gemessene Berührungszeit sehr gering
ist und gegen Null geht.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß als Stellglied (6) für die
Kompensation der thermisch bedingten und ver
schleißbedingten Abstandsänderungen ein beheizbares
Aluminiumteil angeordnet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schneid- und/oder Schweißvor
gang im intermittierenden Betrieb vorgenommen wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug (3) an der
schwingenden Sonotrode (2) angebracht ist und die
mittlere Spaltbreite zwischen diesem Schneidwerk
zeug (3) und einem mit diesem Schneidwerkzeug (3)
zusammenwirkenden Gegenlager gebildet wird.
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