DE4101545A1 - Vorrichtung zur verbindung zweier bauteile mittels ultraschall - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbindung zweier Bauteile mittels Ultraschall, mit einer wenigstens aus einem Ultraschall-Generator, einem Konverter, einem Booster und einer Sonotrode bestehenden Ultraschall-Einheit.

Die Verbindung zweier Bauteile mittels Ultraschall ist aus der modernen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Bei den beiden Bauteilen kann es sich bspw. um zwei Teile eines Gehäuses handeln, aber auch um ein Kleinteil, das an einem größeren Bauteil befestigt werden soll. Letzteres besteht dann vielfach aus Kunststoff, während das Kleinteil bspw. ein Gewindeeinsatz oder dgl. sein kann. Nach entsprechender Erwärmung mittels Ultraschall wird dieses Kleinteil in eine Bohrung vorbestimmter Größe eingepreßt. Der Kunststoff fließt dann in Rillen und dgl. an der Außenfläche des Kleinteils. Nach dem Erkalten ist letzteres dreh- und aushebesicher im Kunststoff des größeren Bauteils verankert.

In ähnlicher Weise kann man auch zwei beispielsweise aus Kunststoff bestehende Bauteile durch Nieten, Bördeln, Punktschweißen oder Rollnahtschweißen miteinander verbinden. Diese Verbindungsarten sind bekannter Stand der Technik.

Man kann die Verbindung entweder mit einem Handgerät erzeugen oder aber mittels einer stationären Maschine. Im letzteren Falle können gleichzeitig mehrere Ultraschallschweißvorgänge ausgeführt werden. Hierzu sind dann allerdings Sondermaschinen erforderlich, die für ganz bestimmte Bauteile ausgelegt sind. So werden bspw. mit einer solchen Sondermaschine Kunststoff- Stoßstangen von Kraftfahrzeugen mit Gewindeeinsätzen versehen. Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß die vorbekannten Vorrichtungen mit Ausnahme des Handgeräts nicht flexibel sind und, sofern dies überhaupt möglich ist, sie einer langwierigen Umrüstung bedürfen, um zur Fertigung eines anderen Gegenstands benutzt werden zu können. Das Handgerät hat hingegen den Nachteil, daß verschiedene Arbeitsgänge, bspw. das Punktschweißen nicht sehr genau ausgeführt werden können, und daß das Arbeiten insgesamt sehr zeitaufwendig ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht infolgedessen darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine universelle Verwendung sowie ein schnelles und präzises Arbeiten damit möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend dem kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs ausgebildet ist. Durch die Anbringung der Ultraschall-Einheit an einem Arm eines Handhabungsgeräts, genauer gesagt, an dessen freiem Ende, kann man mit Hilfe der Steuerung des Handhabungsgeräts die Ultraschall-Einheit innerhalb des Bewegungsbereichs des Handhabungsgeräts automatisch, schnell und genau an die gewünschte Stelle der Bauteile bringen und dabei die Sonotrode in korrekter Weise ausrichten. Bei der Bearbeitung anderer Bauteile ist lediglich eine Änderung des Programms der Steuerung des Handhabungsgeräts vorzunehmen. Dadurch ergibt sich die universale Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wenn sich die Ultraschall-Einheit und insbesondere ihre Sonotrode in korrekter Ausrichtung gegenüber den Bauteilen befindet, also auch der Arm des Handhabungsgeräts seine Arbeitsposition einnimmt, gibt die Steuerung des letzteren die programmierbare Prozeßsteuerung der Ultraschall-Einheit frei. Jetzt kann die Sonotrode in der programmierten Weise und mit der vorgeschriebenen Kraft sowie Geschwindigkeit gegen die Bauteile bzw. das ihr unmittelbar zugeordnete obere Bauteil hin zugestellt werden.

Nach Beendigung dieses Arbeitsgangs wird die Ultraschall- Einheit wieder abgehoben und erforderlichenfalls in ihre Ausgangsstellung zurückgeführt. Nunmehr kann der Arm des Handhabungsgeräts an eine zweite Stelle ein- und desselben Bauteils gefahren werden, um dort eine zweite Verbindungsstelle zu schaffen. Falls die beiden Bauteile nur eine einzige gemeinsame Verbindung dieser Art bekommen sollen, werden nach Fertigstellung der letzteren die beiden nächsten Bauteile in die Arbeitsposition gebracht oder, falls es sich um eine neue Arbeitsposition handelt, mit Hilfe des Arms des Handhabungsgeräts die Ultraschall-Einheit an diese neue Position verbracht.

Weil sowohl das Handhabungsgerät als auch die Ultraschall- Einheit jeweils durch Programme gesteuert werden können und die beiden Steuerungen in geeigneter Weise miteinander verknüpft sind, ergibt sich die präzise, rasche und universelle Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Vorstehend wurde unterstellt, daß die Sonotrode jeweils gegenüber der zu bearbeitenden Stelle der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile ausgerichtet werden muß, wobei sich das Bauteil dabei an einer ganz bestimmten Stelle des Raumes befindet. Die Vorrichtung wird dadurch noch universeller verwendbar, wenn man in Weiterbildung der Erfindung die Ultraschall-Einheit mit einem durch die Prozeßsteuerung verstellbaren Tragarm für einen Gegenhalter ausstattet, wobei der Gegenhalter dem freien Arbeitsende der Sonotrode gegenüberliegt und der Tragarm insbesondere zumindest heb- und senkbar ist. Mit Hilfe der Steuerung des Handhabungsgeräts richtet man die Sonotrode gegenüber der Verbindungsstelle der beiden Bauteile aus. Damit ist dann automatisch auch der Gegenhalter in seiner richtigen Position. Falls die Bauteile auf dem Gegenhalter noch nicht aufliegen, kann man diesen, sofern er heb- und senkbar ist, anheben, bis er an der Unterseite des unteren Bauteils anliegt. Anschließend fährt man die Sontorode gegen die Bauteile, bis sie die Oberfläche des oberen Bauteils erreicht hat. Nunmehr kann mit der Herstellung der Ultraschall-Verbindung begonnen werden.

Wenn es sich im vorstehend beschriebenen Falle um ein größeres Bauteil handelt, welches ortsfest gehalten ist, so kann man anschließend über die Steuerung des Handhabungsgeräts in Verbindung mit dem Rechner auf einfache und rasche Weise die nächste Arbeitsposition anfahren und anschließend das nächste Arbeitsspiel durchführen. Hieraus ersieht man, daß diese Vorrichtung universell einsetzbar ist und die Größe sowie die Form der zu verbindenen Bauteile in weiten Grenzen variieren können. Wenn man an die Grenze des Bewegungsbereichs des Handhabungsgeräts stößt, so kann man beim genannten Beispiel nach Durchführung mehrerer Ultraschall-Verbindungen das Bauteil um einen vorgegebenen Betrag verlagern, der in die Steuerung des Handhabungsgeräts eingegeben und anschließend berücksichtigt werden kann.

Die Verwendung eines Gegenhalters hat den Vorteil, daß sich die Bauteile bei der Ultraschall-Bearbeitung auch dann nicht verbiegen können, wenn sie relativ dünnwandig sind. Der Tragarm mit dem Gegenhalter und die Ultraschall-Einheit sind mit einer Schweißzange beim Punktschweißen vergleichbar.

Der Gegenhalter ist zweckmäßigerweise abnehmbar am Tragarm gehalten, so daß man wahlweise mit und ohne Gegenhalter arbeiten kann.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Ultraschall-Einheit einen Kleinteile-Speicher trägt, dessen Auslaß dem Arbeitsbereich der Ultraschall-Einheit unmittelbar oder einer durch die Prozeßsteuerung betätigbaren Positioniervorrichtung zugeordnet ist. Im ersteren Falle müssen die Kleinteile den Speicher so verlassen, daß sie beim Aufsetzen auf dem Bauteil, mit welchem sie per Ultraschall verbunden werden sollen, die richtige Lage einnehmen. Wenn die Kleinteile mit Hilfe einer Positioniervorrichtung an die Bearbeitungsstelle des zweiten Bauteils gebracht werden, so müssen sie der Positioniervorrichtung ebenfalls in vorgegebener Stellung übergeben werden, damit sie von der Positioniervorrichtung auch korrekt erfaßt werden können. Der Kleinteilespeicher kann auch extern angebracht sein. In diesem Falle gelten die vorstehenden Ausführungen sinngemäß.

In diesem Zusammenhang ist es sehr vorteilhaft, wenn die Positioniervorrichtung einen auswechselbaren Teilegreifer aufweist, so daß man sie an die unterschiedlichsten Teile leicht anpassen kann.

Eine weitere Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Einheit mittels einer Kupplungs-Vorrichtung abnehmbar am Arm des Handhabungsgeräts gehalten ist. Man kann sie dadurch leicht gegen eine andere austauschen, bspw. mit größerer oder kleinerer Leistung. Die verschiedenen Ultraschall-Einheiten kann man in einem Magazin unterbringen, aus welchem sie der Arm des Handhabungsgeräts leicht entnehmen kann, da er gegenüber jeder einzelnen programmgesteuert korrekt ausgerichtet werden kann.

Die Kupplungsvorrichtung muß so gestaltet werden, daß die Kupplung möglichst über eine einfache Bewegung, bspw. eine Zustellbewegung hergestellt und, soweit notwendig, verriegelt werden kann. Hierbei geht es allerdings nicht nur um die Verbindung des Arms des Handhabungsgeräts mit der Ultraschall-Einheit, vielmehr ist es vorteilhaft, wenn dabei gleichzeitig auch die notwendigen Verbindungen für elektrische Energie und dgl. geschaffen werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die Kupplungsvorrichtung Kupplungselemente zumindest für die Hochfrequenzenergie vom Ultraschallgenerator zum Konverter, für elektrischen Strom, insbesondere Steuerstrom, und vorzugsweise auch für ein pneumatisches und/oder hydraulisches Steuermedium aufweist. Die Kupplungselemente müssen dem Medium entsprechend gestaltet sein, wobei man auf bekannte Formen zurückgreifen kann.

Die Ultraschall-Einheit ist mittels eines Stellmotors, insbesondere eines Pneumatik-Zylinders, gegen die Bauteile hin zustellbar, wobei sie sich an einem Schlitten befindet, der verschiebbar an einem mit dem Arm des Handhabungsgeräts verbundenen Basisgerät gelagert ist. Der Pneumatik-Zylinder oder dgl. Stellmotor legt die maximale Verschiebestrecke der Sonotrode fest. Die Gesamtbewegung kann sich aus einer Zustellbewegung und einer Arbeitsbewegung zusammensetzen.

In sehr vorteilhafter Weise ist zwischen das Basisgerät und den Schlitten eine erste Wegmeßvorrichtung geschaltet, die mit der Prozeßsteuerung verbunden ist. Über diese Wegmeßvorrichtung kann die momentane Lage der Sonotrode bzw. ihres arbeitenden freien Endes stets erfaßt und an die Prozeßsteuerung zurückgemeldet werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste Kraftmeßeinrichtung zur Ermittlung des Sonotroden- Auflagedrucks, die insbesondere im Bereich des Schlittens angeordnet und mit der Prozeßsteuerung verbunden ist, vorgesehen. Mit dieser Kraftmeßeinrichtung kann man den Auflagedruck generell messen und an die Prozeßsteuerung zurückmelden. Sobald der Auflagedruck einen endlichen Wert erreicht hat, ist die Sonotrode am zugeordneten Bauteil aufgetroffen. Anschließend steigt dann dieser Wert auf die vorgesehene Marke an und über eine geeignete Regelung kann man diesen Wert konstant halten.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist eine zweite Kraftmeßeinrichtung zur Ermittlung des Gegenhalter- Anlagedrucks am zugeordneten Bauteil vorgesehen, die insbesondere im Bereich eines verschiebbaren Halters des Tragarms angeordnet ist, und die mit der Prozeßsteuerung verbunden ist. Mit Hilfe dieser zweiten Kraftmeßeinrichtung kann man überwachen und letztlich auch sicherstellen, daß bei einem zustellbaren Gegenhalter dieser tatsächlich an der Unterseite des unteren Bauteils zu Anlage gekommen ist. Wenn in dieser Beschreibung von "unten" und "oben" die Rede ist, so ist jeweils unterstellt, daß die Bauteile auf dem Gegenhalter aufliegen und die Sontrode von oben nach unten zugestellt wird. Bei anderer Zustellrichtung der Sonotrode gelten die Begriffe "unten" und "oben" jeweils sinngemäß.

Eine andere Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Halter des Tragarms und die Ultraschall-Einheit eine zweite Wegmeß-Vorrichtung geschaltet und diese mit der Prozeßsteuerung verbunden ist. Mit Hilfe dieser Wegmeß-Vorrichtung kann die jeweilige Position des Tragarms und damit auch des Gegenhalters gegenüber der Sonotrode festgestellt bzw. eingestellt werden.

Der Gegenhalter ist in besonders zweckmäßiger Weise mit einer dritten, mit der Prozeßsteuerung verbundenen Kraftmeßeinrichtung versehen. Zusätzlich oder anstelle der Wegmessung kann diese Kraftmeßeinrichtung zur Überwachung der korrekten Lage des Gegenhalters bei der Bearbeitung herangezogen werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das arbeitende freie Ende der Sonotrode als abnehmbares Werkzeugteil ausgebildet. Es kann dem jeweiligen Bauteil, aber auch dem jeweiligen Arbeitsverfahren entsprechend ausgewählt werden. So ist bspw. beim Bördeln ein anderes Werkzeugteil notwendig als beim Nieten. Entsprechendes gilt beim Punktschweißen oder beim Rollnahtschweißen. Beim Einbetten von Metallteilen in eine Kunststoffwandung kann wiederum ein anderes Werkzeugteil notwendig sein.

In diesem Zusammenhang sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß sich am freien Ende der Sonotrode eine zentrische, insbesondere sacklochartige Aufnahme für einen eingreifenden, zapfenartigen Ansatz des abnehmbaren Werkzeugteils befindet, der mittels einer Spanneinrichtung zumindest kraftschlüssig einriegelbar ist. Der Wechselvorgang sowie das Ein- und Ausriegeln kann automatisiert werden. Außerdem ist auch die kinematisch umgekehrte Ausbildung ohne weiteres brauchbar, gemäß der sich die Aufnahme am Werkzeugteil und der Ansatz an der Sonotrode befindet; jedoch wird der erstgenannten Ausführungsform der Vorzug gegeben.

Eine besondere Ausbildung der Spanneinrichtung ergibt sich aus Anspruch 16. Der Drehwinkel des darin erwähnten Spreizdorns ist kleiner als 90°. Es reichen 45° ohne weiteres aus. In der Klemmstellung muß der Spreizdorn so arretiert werden, daß seine Spreizwirkung, so lange es erwünscht ist, erhalten bleibt. Sofern die Reibung nicht ausreicht, muß in geeigneter Weise für eine entsprechende Sicherung gesorgt werden. Außerdem ist der Spreizdorn von außen zugänglich, damit er mit einem geeigneten Werkzeug oder Drehantrieb verbunden werden kann. Der in den Schlitz eingreifende Teil des Spreizdorns kann bspw. im Querschnitt oval sein, wobei die kurze Ovalachse etwa der Schlitzbreite des nicht aufgeweiteten Schlitzes entspricht, so daß das Werkzeugteil in der Freigabestellung leicht herausgenommen bzw. eingesetzt werden kann.

Eine andere Variante einer Spanneinrichtung ergibt sich aus Anspruch 17. In der Freigabestellung des Spannrings ist das Gegenprofil konisch aufgespreizt, wobei es innen am engsten ist, und der Durchmesser dort etwa dem Zapfendurchmesser entspricht. Die Sägezähne sind so gerichtet, daß sie sich einem Herausziehen des Zapfens aus der Bohrung widersetzen, d. h., die Zähne weisen schräg von innen nach außen. Durch entsprechende Profilgebung der Sägezähne kann man erreichen, daß beim Spannen der zapfenartige Ansatz in die Aufnahme hineingezogen und dadurch das abnehmbare Werkzeugteil fest gegen das zugeordnete Ende der Sonotrode gepreßt wird.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung bzw. dieser Spanneinrichtung geht aus Anspruch 18 hervor. Damit der Spannring nicht über das freie Ende der Sonotrode hinausgeschoben werden kann, befindet sich dort zweckmäßigerweise ein radial nach außen abstehender Bund. Bei entsprechender Dimensionierung aller Teile kann man erreichen, daß der Spannring bei maximaler Spannkraft an diesem Außenbund gerade zur Anlage kommt.

Anspruch 19 beschreibt eine dritte Ausführungsform einer Spanneinrichtung. In diesem Falle besteht die Aufnahme der Sonotrode aus einer sich absatzartig von außen nach innen verengenden zentrischen Bohrung, wobei der größere Durchmesser dem Außendurchmesser des Montagerings, und der kleinere Durchmesser dem Zapfendurchmesser des Ansatzes entspricht.

Eine weitere Ausbildung der dritten Ausführungsform der Spanneinrichtung ergibt sich aus Anspruch 20. Der dort erwähnte nockenartige Ansatz kann bspw. dadurch gebildet werden, daß man außen am zweiten Ring im Umfangsabstand zwei Kerben anbringt. Der nockenartige Ansatz steht dann über den Umfang des zweiten Rings nicht vor.

Eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 21. In analoger Weise zur Verbindung von Sonotrode und abnehmbarem Werkzeugteil können die Verhältnisse bezüglich Zapfen und Aufnahme auch hier kinematisch umgekehrt sein.

Die Spanneinrichtung zur Verbindung von Sonotrode und Booster, aber auch von Booster und Konverter, kann sehr vorteilhafter Weise gemäß wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 20 ausgebildet sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Hierbei stellen dar

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht der gesamten Vorrichtung,

Fig. 2 eine weitergebildete Variante der Vorrichtung nach Fig. 1, ebenfalls schematisch von der Seite her gesehen,

Fig. 3 abgebrochen und teilweise in Längsrichtung geschnitten eine erste Ausführungsform einer Spannvorrichtung,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV der Fig. 3,

Fig. 5 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung um 90° gedreht, wobei die Fig. 3 bis 5 die Wechsellage zeigen,

Fig. 6 bis 8 die Arbeitslage der Spanneinrichtung nach den Fig. 3 bis 5,

Fig. 9 einen abgebrochenen Halbschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Spanneinrichtung,

Fig. 10 einen Schnitt gemäß der Linie X-X, wobei die Fig. 9 und 10 die Wechsellage zeigen,

Fig. 11 und 12 die Arbeitslage dieser Spanneinrichtung entsprechend den Darstellungen nach Fig. 9 und 10,

Fig. 13 eine abgebrochene, teilweise längsgeschnittene Darstellung einer dritten Spanneinrichtung,

Fig. 14 einen Schnitt gemäß der Linie XIV-XIV der Fig. 13, wobei die Fig. 13 und 14 die Wechsellage zeigen,

Fig. 15 und 16 Darstellungen entsprechend den Fig. 13 und 14 in der Arbeitslage dieser Spanneinrichtung,

Fig. 17 eine Vorderansicht der Ultraschall-Einheit ohne den Konverter, teilweise in Längsrichtung geschnitten,

Fig. 18 eine Seitenansicht der Fig. 17.

Wesentliche Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein Handhabungsgerat 1, an dessen Arm 3 eine Ultraschall-Einheit 2 gehalten ist. Zum Handhabungsgerät 1 gehört eine Steuerung 4, wobei es sich um eine übliche, bekannte Roboter-Steuerung handeln kann, so daß diese nicht näher erläutert zu werden braucht. Außerdem weist die Vorrichtung noch eine Prozeßsteuerung 5 auf, die in nachstehend beschriebener Weise mit der Steuerung 4 des Handhabungsgeräts 1 elektrisch verbunden ist.

Zur Ultraschall-Einheit 2 gehören ein Ultraschall-Generator 6, ein Konverter 7, ein Booster 8 und eine Sonotrode 9. Insoweit handelt es sich um bekannte Elemente, die dem Fachmann nicht erläutert werden müssen.

Die Ultraschall-Einheit 2 ist mittels einer Kupplungs- Vorrichtung 10 abnehmbar am Handhabungsgerät 1 bzw. dessen Roboterarm 3 gehalten. Die Trennebene dieser Kupplungsvorrichtung ist mit 11 bezeichnet. Mit Hilfe eines Pneumatikzylinders 12 kann die aus Konverter 7, Booster 8 und Sonotrode 9 bestehende Einheit im Sinne des Doppelpfeils 13 gegenüber einem Basisgerät 14 der Ultraschall-Einheit 2 hin und her, bzw. in den Fig. 1 und 2 auf und ab verschoben werden. Dadurch kann die Sonotrode bzw. deren am freien Ende angebrachtes abnehmbares Werkzeugteil 15 an das zugeordnete, nicht gezeigte Bauteil angenähert bzw. von diesem abgehoben werden. Die durch Ultraschall miteinander zu verbindenden Bauteile liegen beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 auf dem stationären Gegenhalter 16 auf. Im übrigen sind in Fig. 1 der Übersichtlichkeit wegen die Steuerung 4, der Ultraschall- Generator 6 und die Prozeßsteuerung 5 nicht gezeichnet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Ultraschall- Einheit 2 mit einem verstellbaren Tragarm 17 für einen Gegenhalter 18 ausgestattet, wobei zumindest die Verstelleinrichtung für den Tragarm mit der Prozeßsteuerung 5 elektrisch verbunden ist. Der Gegenhalter 18 ist abnehmbar am Tragarm 17 angebracht, so daß er gegen einen anderen oder einen neuen ausgetauscht werden kann. Der Tragarm 17 ist zumindest im Sinne des Doppelpfeils 13 auf und ab verschieb- und feststellbar.

Die Ultraschall-Einheit 2 trägt beim Ausführungsbeispiel einen Kleinteilespeicher 19, dessen Auslaß unmittelbar dem Arbeitsbereich zwischen dem abnehmbaren Werkzeugteil 15 und dem Gegenhalter 18 zugeordnet sein kann. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist aber der Auslaß des Kleinteilespeichers 19 einer Positionier-Vorrichtung 20 mit einem Teilegreifer 21 zugeordnet. Die Positionier-Vorrichtung 20 ist durch die Prozeßsteuerung 5 ebenso steuerbar wie ihr Teilegreifer 21. Letzterer entnimmt die Teile einzeln dem Auslaß des Kleinteilespeichers oder einer dort befindlichen Zwischenlagerstelle, wobei die Teile jeweils schon die richtige Lage einnehmen, so daß sie unmittelbar auf das untere Bauteil aufgesetzt werden können.

Die Ultraschall-Einheit 2 ist, wie bereits angedeutet, an einem Schlitten 22 gehalten, der mit Hilfe eines Stellmotors, insbesondere des Pneumatikzylinders 12, gegenüber dem Basisgerät 14 auf und ab verschiebbar ist. Zwischen das Basisgerät und den Schlitten 22 ist eine nicht gezeigte erste Wegmeß-Vorrichtung 23 geschaltet, die in ebenfalls bekannter Weise ausgebildet sein kann. Sie ist, wie an sich bekannt, mit der Prozeßsteuerung 5 verbunden, so daß letzterer die jeweilige Position des Schlittens 2 übermittelt werden kann. Außerdem befindet sich in diesem Bereich eine lediglich schematisch angedeutete erste Kraftmeßeinrichtung 24. Sie ermittelt den Sonotroden-Auflagedruck und überwacht beim Arbeiten die Einhaltung des Sollwerts. Demzufolge ist sie auch mit der Prozeßsteuerung 5 elektrisch verbunden. Es kann sich dabei um eine Kraftmeßdose oder eine andere bekannte Kraftmeßeinrichtung handeln.

Eine zweite, ebenfalls mit der Prozeßsteuerung 5 elektrisch verbundene Kraftmeß-Einrichtung 25 ist im Bereich eines verschiebbaren Halters 26 des Tragarms 17 angeordnet. Sie dient zur Ermittlung des Gegenhalter-Anlagedrucks am zugeordneten bzw. unteren Bauteil. Statt dessen kann man auch unmittelbar im Bereich des Gegenhalters eine dritte Kraftmeß- Einrichtung 27 anbringen. Außerdem ist im Bereich der zweiten Kraftmeß-Einrichtung 25 - falls eine solche vorhanden ist - eine ebenfalls nicht gezeigte, aber an sich bekannte zweite Wegmeß-Vorrichtung 28 eingebaut. Sie dient zur Ermittlung und Überwachung der Verschiebebewegung des Halters 26 mit dem Tragarm 17 und dem Gegenhalter 18. Sowohl die zweite Wegmeß- Vorrichtung 28 als auch die dritte Kraftmeß-Einrichtung 27 sind selbstverständlich mit der Prozeßsteuerung 5 elektrisch verbunden.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß über die Prozeßsteuerung 5 in Verbindung mit der aus Kraft- und Wegaufnehmern bestehenden Sensorik der Füge- oder Verbindungsprozeß der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile geregelt und überwacht werden kann. Dies erlaubt gleichzeitig eine Aussage über die Qualität der Verbindung. Es können sowohl der Weg als auch die Zustellgeschwindigkeit und/oder die Beschleunigung der verschiebbaren Vorrichtungsteile ermittelt und über geeignete Regler geregelt werden. Dabei kommen bekannte Überwachungs- und Regelvorrichtungen zum Einsatz. Sämtliche Bewegungen, insbesondere die Verschiebebewegungen, werden von der Prozeßsteuerung 5 gesteuert oder stufenlos geregelt. Dabei besitzt die Prozeßsteuerung eine integrierte Qualitätskontrolle zur Prüfung und Protokollierung der Qualität der Verbindung. Der modulare Aufbau der Steuerung und der Ultraschall-Einheit gestattet die Verwendung an den unterschiedlichsten Handhabungsgeräten.

Soweit Verschiebebewegungen stattfinden, werden diese bevorzugterweise mittels pneumatischen Arbeitszylindern bewirkt. Statt dessen können natürlich auch hydraulische oder elektrische Antriebe verwendet werden. Im Falle eines pneumatischen Antriebs, bspw. des Pneumatikzylinders 12 in Verbindung mit einer abnehmbaren Ultraschall-Einheit befindet sich an der Trennstelle 11 der Kupplungsvorrichtung 10 auch eine geeignete Steckkupplung für das pneumatische Medium. Außerdem sind dort elektrische Steckkupplungen bekannter Bauart, um auch die Hochfrequenzenergie sowie den benötigten elektrischen Strom, bspw. Steuerstrom von dem am Arm 3 des Handhabungsgeräts gehaltenen Andockelement 29 auf die Ultraschall-Einheit 2 übertragen zu können. Eine solche elektrische Leitung führt bspw. zu einem Endschalter, der beim Auftreffen der Sonotrode 9 oder ihres abnehmbaren Werkzeugteils 15 am oberen Bauteil über einen Schaltvorgang den Ultraschall-Generator einschaltet oder zumindest freigibt. Gleichzeitig oder etwas zeitversetzt wird dann auch von diesem Schalter oder einem weiteren der Zustellantrieb für die Sonotrode gegen das Bauteil hin eingeschaltet oder freigegeben. Im übrigen können sämtliche Prozeßparameter wie Hub, Kraft, Geschwindigkeit, Fügezeit und Frequenz frei programmiert werden. Über das Programm können auch die unterschiedlichsten Größen und Formen der Bauteile erfaßt werden.

Die Steuerung 4 des Handhabungsgeräts 1 gibt nach Erreichen der für die Verbindung der Bauteile maßgeblichen Arbeitsposition ein Identifikationssignal an die Prozeßsteuerung 5. Diese gibt dann ihrerseits aufgrund der Kenntnisse der Bauteilgeometrie, der Werkstoffe und des Fügeverfahrens Steuersignale an den Ultraschallgenerator 5 sowie die verschiedenen Antriebe.

Um ein einfaches und ggf. auch automatisiertes Auswechseln des abnehmbaren Werkzeugteils 15 von der Sonotrode 9 zu ermöglichen, werden verschiedene Spanneinrichtungen vorgeschlagen, die in den Fig. 3ff dargestellt sind. Zu diesem Zwecke ist an dem das abnehmbare Werkzeugteil 15 tragenden Ende der Sonotrode 9 eine zentrische, axiale, bei den Ausführungsbeispielen jeweils nach unten hin offene Aufnahme 30 vorgesehen, die vorzugsweise in der Art einer Sacklochbohrung ausgebildet ist. In jede dieser Aufnahmen greift ein zapfenartiger Ansatz 31 des abnehmbaren Werkzeugteils 15 ein. Mittels einer Spanneinrichtung 32 wird zumindest eine kraftschlüssige Verriegelung bewirkt.

Gemäß Fig. 3 ist der zapfenartige Ansatz 31a des abnehmbaren Werkzeugteils 15 auf nahezu seiner gesamten Länge in Längsrichtung geschlitzt, wobei der zentrische Längsschlitz 33 zum freien Zapfenende hin randoffen ist. Es entsteht dadurch ein gabelartiges Ende. Die Aufnahme 30a besteht in diesem Falle aus einer zentrischen, axialen, sich nach innen hin konisch erweiternden Bohrung, deren geringster Durchmesser etwa dem Durchmesser des zapfenartigen Ansatzes 31a entspricht. An der Sonotrode ist im Bereich der Aufnahme 30a ein Spreizdorn 34 drehbar gelagert. Er ist drehbar, aber axial unverschiebbar gehalten und kann mittels eines geeigneten Werkzeugs oder einer Vorrichtung begrenzt gedreht werden. Zu diesem Zwecke besitzt er bspw. außen einen Mehrkant 35. Der Spreizdorn durchsetzt den Längsschlitz 33 des zapfenartigen Ansatzes 31, d. h., seine Längs- und Drehachse verläuft senkrecht zur geometrischen Achse des zapfenartigen Ansatzes 31. Ein mittlerer Bereich 36 des Spreizdorns 34 ist oval ausgebildet. Die kurze Querachse dieses Ovals entspricht etwa der Weite des Längsschlitzes 33, wie Fig. 3 der Zeichnung entnommen werden kann. Dreht man nun gemäß Fig. 6 den Spreizdorn 34 um bspw. etwa 45°, so drückt der mittlere Bereich 36 die beiden Gabelzinken elastisch auseinander, so daß sie sich an der konischen Aufnahme 30a satt anlegen. Dadurch ist eine kraft- und formschlüssige Verbindung des zapfenartigen Ansatzes mit der Sonotrode 9 geschaffen.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 9 bis 12) hat der zapfenartige Ansatz 31b des abnehmbaren Werkzeugteils 15 mehrere in Achsrichtung hintereinander liegende Umfangsrillen 37, die ein sägezahnartiges Längsprofil ergeben (Fig. 9). Die Aufnahme 30b hat ein dem entsprechendes Gegenprofil 38, d. h. sie ist auch mit in Achsrichtung hintereinander liegenden Umfangsrillen ausgestattet, die in der Arbeitslage (Fig. 11) genau den Umfangsrillen 37 des zapfenartigen Ansatzes 31b entsprechen.

Das freie Sonotrodenende ist gemäß Fig. 10 im Bereich der Aufnahme 30b mit drei radialen Längsschlitzen 39 bis 41 versehen. Auf diese Weise entsteht ein spannzangenartiges Gebilde. Die drei Spannbacken 42 bis 44 verlaufen jedoch nicht genau in axialer Richtung, vielmehr sind sie gemäß Fig. 9 leicht nach außen gebogen. Die Sonotrode hat infolgedessen im Bereich der Längsschlitze außen eine im wesentlichen konische Mantelfläche 46.

Wenn man den Spannring 45 im Sinne des Pfeils 47 von seiner Wechsellage (Fig. 9) in seine Arbeitslage (Fig. 11) verschiebt, so drückt er die drei Spannbacken 42 bis 44 federelastisch nach innen, so daß sich das Gegenprofil 38 satt an das Profil des zapfenartigen Ansatzes 31b anlegt. Das sägezahnartige Profil verhindert dabei ein Herausziehen des abnehmbaren Werkzeugteils 15 aus der Sonotrode 9. Ein kleiner Gegenkonus unterhalb jedes Sägezahns bewirkt zusammen mit dem Gegenprofil ein Hineinziehen des zapfenartigen Ansatzes 31b in die Aufnahme 30b.

Damit der Spannring 45 seine Arbeitslage beibehält, ist er mit in axialer Richtung hintereinander liegenden Verrastrillen 48 ausgestattet. Am Außenmantel 46 befinden sich entsprechende Gegenrillen 49, die mit den Verrastrillen 48 federelastisch verrasten, wenn die Arbeitslage herbeigeführt wird. Ein Außenbund 50 am freien Ende der Sonotrode 9 begrenzt die Verschiebung des Spannrings 45 in Pfeilrichtung 47. Die Spanneinrichtung ist bei dieser Variante mit 32b bezeichnet.

Eine Spanneinrichtung 32c eines dritten Ausführungsbeispiels ergibt sich aus den Fig. 13 bis 16. Aus montagetechnischen Gründen ist dort die Aufnahme 30c als absatzartig erweiterte Bohrung ausgebildet. In den weiten Bohrungsteil ist ein Montagering 51 eingeschoben und in geeigneter Weise festgehalten. Sein Innendurchmesser entspricht demjenigen des engen Bohrungsteils der Aufnahme 30c und gleichzeitig auch dem Durchmesser des zapfenartigen Ansatzes 31c. Weil der Montagering 51 kürzer ist als der weite Bohrungsteil, entsteht eine Aufnahmenut 52, für den einen ersten Ring 53 umgebenden zweiten Ring 54.

Der erste Ring 53 greift in eine am zapfenartigen Ansatz 31c angebrachte Umfangsnut 55 veränderlicher Tiefe ein. Aufgrund der veränderlichen Tiefe entsteht ein exzentrischer Zapfen 56. Der erste Ring 53 hat eine exzentrische Bohrung, d. h., seine Wandstärke ändert sich über den Umfang gesehen stetig. In der Wechsellage des abnehmbaren Werkzeugteils 15 verläuft die Außenkontur des ersten Rings 53 bündig mit der Außenkontur des zapfenartigen Ansatzes 31c, diesseits und jenseits der Umfangsnut 55. Es ist leicht einzusehen, daß man in dieser Wechsellage den zapfenartigen Ansatz 31c zusammen mit dem ersten Ring 53 im Sinne des Pfeils 57 aus der Aufnahme 30c bzw. dem Montagering 51 und dem zweiten Ring 54 herausziehen kann.

Wenn man jedoch den zweiten Ring 54 mit Hilfe eines geeigneten Werkzeugs bspw. eines Stößels 58 (Fig. 16) dreht, so führt dies auch zu einer Drehung des ersten Rings 53 auf dem exzentrischen Zapfen 56. Infolgedessen tritt der erste Ring gemäß Fig. 15 (links) radial aus der Umfangsnut 55 heraus, während an der gegenüberliegenden Seite der zweite Ring 54 von außen her in die Umfangsnut 55 in entsprechendem Maße eintritt. Weil sich der zweite Ring aber an der inneren Stirnfläche 59 nach wie vor abstützt, kann der zapfenartige Ansatz in dieser Arbeitslage aus der Sonotrode nicht mehr herausgezogen, d. h., das Werkzeugteil 15 nicht abgenommen werden.

Der zweite Ring 54 trägt an seinem Außenumfang einen nockenartigen Ansatz 60, der dadurch entsteht, daß man im Umfangsabstand zwei Kerben 61 und 62 angebracht hat. An diesem nockenartigen Ansatz greifen zwei verschiebbar in der Sonotrode 9 gelagerte Stößel 58 an, von denen in Fig. 16 einer gezeichnet ist. Betätigt man den gezeichneten Stößel 58 in Pfeilrichtung 63, so führt dies zur Überführung der Spanneinrichtung 32c von der Wechsellage in die Arbeitslage. Wenn man den anderen, nicht gezeichneten Stößel entgegen dem Pfeil 36 verschiebt, so führt dies zu einem Zurückdrehen des zweiten Rings 54 und damit zur Überführung der Spanneinrichtung von der Arbeitslage in die Wechsellage.

In den Fig. 17 und 18 sind in vergrößertem Maßstab der Konverter 7, der Booster 8, die Sonotrode 9 und das abnehmbare Werkzeugteil 15 gezeichnet. Außerdem ergibt sich aus diesen Figuren die Spanneinrichtung 32a zum Einriegeln des abnehmbaren Werkzeugteils 15 in die Sonotrode 9. In gleicher Weise kann die Sonotrode 9 in den Booster 8 eingeriegelt werden. Hierzu dient eine zweite Spannvorrichtung 64. Sie kann gleich ausgebildet werden wie die Spanneinrichtung 32a, oder aber wie die Spanneinrichtung 32b oder 32c. Zweckmäßigerweise verwendet man jedoch an jeder Einheit zwei gleiche Spanneinrichtungen. Zu diesem Zwecke befindet sich am boosterseitigen Ende der Sonotrode 9 ein zapfenartiger Ansatz 65a, der in eine sacklochartige Aufnahme 66a des Boosters 8 eingesteckt und in der vorbeschriebenen Weise darin eingeriegelt ist.

Claims (23)

1. Vorrichtung zur Verbindung zweier Bauteile mittels Ultraschall, mit einer wenigstens aus einem Ultraschall- Generator (6), einem Konverter (7), einem Booster (8) und einer Sonotrode (9) bestehenden Ultraschall-Einheit (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Einheit (2) an einem programmsteuerbaren Arm (3) eines Handhabungsgeräts (1) angebracht ist, wobei die Ultraschall-Einheit (2) lediglich in der Arbeitsposition des Arms (3) betätigbar ist, und in dieser Arbeitsposition eine mit der Steuerung (4) des Handhabungsgeräts (1) elektrisch verbundene programmierbare Prozeßsteuerung (5) die Ultraschall-Einheit (2) steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Einheit (2) mit einem durch die Prozeßsteuerung (5) verstellbaren Tragarm (17) für einen Gegenhalter (18) ausgestattet ist, wobei der Gegenhalter (18) dem freien Arbeitsende der Sonotrode (9) gegenüberliegt und der Tragarm (17) insbesondere zumindest heb- und senkbar (13) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenhalter (18) abnehmbar am Tragarm (17) gehalten ist.

4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall- Einheit (2) einen Kleinteilespeicher (19) trägt, dessen Auslaß dem Arbeitsbereich der Ultraschall-Einheit (2) unmittelbar oder einer durch die Prozeßsteuerung (5) betätigbaren Positioniervorrichtung (20) zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (20) einen auswechselbaren Teilegreifer (21) aufweist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall- Einheit (2) mittels einer Kupplungsvorrichtung (10) abnehmbar am Arm (3) des Handhabungsgeräts gehalten ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsvorrichtung (10) Kupplungselemente zumindest für die Hochfrequenzenergie vom Ultraschall-Generator (6), für elektrischen Strom, insbesondere Steuerstrom, und vorzugsweise auch für ein pneumatisches und/oder hydraulisches Steuermedium aufweist.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Einheit (2) mittels eines Stellmotors, insbesondere eines Pneumatikzylinders (12) gegen die Bauteile hin zustellbar ist, wobei sie sich an einem Schlitten (22) befindet, der verschiebbar an einem mit dem Arm (3) des Handhabungsgeräts verbundenen Basisgerät (14) gelagert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Basisgerät (14) und den Schlitten (22) eine erste Wegmeß-Vorrichtung (23) geschaltet und diese mit der Prozeßsteuerung (5) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Kraftmeßeinrichtung (24) zur Ermittlung des Sonotroden- Auflagedrucks, die insbesondere im Bereich des Schlittens (22) angeordnet ist, und die mit der Prozeßsteuerung (5) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 10, gekennzeichnet durch eine zweite Kraftmeßeinrichtung (25) zur Ermittlung des Gegenhalter-Anlagedrucks am zugeordneten Bauteil, die insbesondere im Bereich eines verschiebbaren Halters (22) des Tragarms (17) angeordnet ist, und die mit der Prozeßsteuerung (5) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Halter (26) des Tragarms (17) und die Ultraschall-Einheit (2) eine zweite Wegmeß-Vorrichtung (28) geschaltet und diese mit der Prozeßsteuerung (5) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenhalter (18) mit einer dritten, mit der Prozeßsteuerung (5) verbundenen Kraftmeßeinrichtung (27) versehen ist.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das arbeitende freie Ende der Sonotrode (9) als abnehmbares Werkzeugteil (15) ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich am freien Ende der Sonotrode (9) eine zentrische, insbesondere sacklochartige Aufnahme (30) für einen eingreifenden zapfenartigen Ansatz (31) des abnehmbaren Werkzeugteils (15) befindet, der mittels einer Spanneinrichtung (32) zumindest kraftschlüssig einriegelbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zapfenartige Ansatz (31a) des abnehmbaren Werkzeugteils (15) zumindest teilweise längsgeschlitzt ist und sich die seinem Querschnitt angepaßte Aufnahme (30a) der Sonotrode (9) nach innen hin stetig erweitert, wobei der engste Querschnitt am freien Sonotrodenende etwa dem Zapfenquerschnitt entspricht, und daß der Längsschlitz (33) von einem drehbar an der Sonotrode (9) gelagerten Spreizdorn (34) durchsetzt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zapfenartige Ansatz (31b) des abnehmbaren Werkzeugteils (15) mehrere hintereinanderliegende Umfangsrillen (37) aufweist, die ein sägezahnartiges Längsprofil ergeben, und daß die Aufnahme (30b) ein dementsprechendes Gegenprofil (38) aufweist und wenigstens zweimal längsgeschlitzt ist, wobei das Gegenprofil (38) nur in der Arbeitslage eines außen an der Sonotrode (9) verschiebbaren, sowie in Arbeitslage arretierbaren Spannrings (45) am Profil des zapfenartigen Ansatzes (31b) anliegt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (9) im Bereich der Aufnahme (30b) außen eine im wesentlichen konische Mantelfläche (46) aufweist, wobei sich der Konus gegen das freie Ende hin erweitert und sein geringster Durchmesser etwa dem Innendurchmesser des Spannrings (45) entspricht, und daß die Bohrung des Spannrings (45) mit hintereinanderliegenden Verrastrillen (48) versehen ist, die in der Arbeits- oder Spannstellung des Spannrings (45) mit Gegenrillen (49) des Sontrodenendes verrasten.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zapfenförmige Ansatz (31c) des abnehmbaren Werkzeugteils (15) im Abstand von seinem freien Ende eine Umfangsnut (55) veränderlicher Tiefe aufweist, so daß der verbleibende Querschnitt einen exzentrischen Zapfen (56) bildet, und daß in diese Umfangsnut (55) ein erster Ring (53) eingreift, der in einer Wechsellage am exzentrischen Zapfen (56) anliegt und außen etwa bündig mit dem Zapfenaußenmantel verläuft, daß außerdem der erste Ring (53) von einem zweiten, konzentrischen Ring (54) umgeben ist, der von außen drehbar ist und sich mit seiner nach außen weisenden Fläche auf der inneren Stirnfläche (59) eines fest mit der Sonotrode (9) verbundenen Montagerings (51) abstützt, dessen Innendurchmesser dem Durchmesser des zapfenförmigen Ansatzes (31c) entspricht.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ring (54) an seinem Außenumfang einen nockenartigen Ansatz (60) trägt, an dem beidseits je ein in der Sonotrode (9) verschiebbar gelagerter Betätigungsstift (58) wechselweise andrückbar ist.

21. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich am freien Ende des Boosters (8) eine zentrische, insbesondere sacklochartige Aufnahme (66) für einen eingreifenden zapfenartigen Ansatz (65) der abnehmbaren Sonotrode (9) befindet, der mittels einer zweiten Spanneinrichtung (64) zumindest kraftschlüssig einriegelbar ist.

22. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sich am freien Ende des Konverters (7) eine zentrische, insbesondere sacklochartige Aufnahme für einen darin eingreifenden zapfenartigen Ansatz des abnehmbaren Boosters (8) befindet, der mittels einer dritten Spanneinrichtung zumindest kraftschlüssig einriegelbar ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite bzw. dritte Spanneinrichtung (64) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 20 ausgebildet ist.