這樣的超聲加工裝置具有超聲振動(dòng)單元，其包括超聲波發(fā)生器、轉(zhuǎn)換器和任選的變幅器。在這種配置中，轉(zhuǎn)換器能夠通過變幅器連接至超聲波發(fā)生器。轉(zhuǎn)換器將交流電壓轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。超聲振動(dòng)單元的個(gè)體元件以這樣的方式相互調(diào)諧，即超聲振動(dòng)單元在期望的超聲頻率下具有諧振頻率，稱為固有頻率。因此，如果轉(zhuǎn)換器在恰當(dāng)?shù)慕涣麟妷合伦饔茫敲闯曊駝?dòng)單元就會(huì)在固有頻率下振動(dòng)。

此外，在超聲波發(fā)生器的對(duì)面設(shè)置配對(duì)工具。使材料片移動(dòng)經(jīng)過超聲波發(fā)生器和配對(duì)工具之間的間隙以加工材料片。在加工操作過程中，在超聲頻率下振動(dòng)的超聲波發(fā)生器在配對(duì)工具的方向上被擠壓至材料片上，從而在超聲波發(fā)生器和配對(duì)工具之間對(duì)材料片進(jìn)行超聲加工。

出于此目的，超聲波發(fā)生器和配對(duì)工具可以相對(duì)彼此移動(dòng)是所必須的。由此，超聲波發(fā)生器和配對(duì)工具之間的間隙例如必須增加至能夠?qū)⒉牧掀胨鲩g隙內(nèi)。隨后，在加工操作期間，所述間隙相應(yīng)地減小。因此，超聲振動(dòng)單元被固定至托架，該托架可相對(duì)于配對(duì)工具移動(dòng)，從而使得超聲振動(dòng)單元可以與托架一起在作用力方向上、即在朝向或遠(yuǎn)離配對(duì)工具的方向上移動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)加工結(jié)果，有利地，超聲波發(fā)生器以預(yù)定焊接力被擠壓至材料片上。

因此，在DE 197 53 740中已經(jīng)公開了一種裝置，其具有用于測(cè)量由材料片施加至超聲波發(fā)生器的力的力傳感器。在這種裝置中，托架通過肘桿系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)，并且傳感器設(shè)置于所述肘桿系統(tǒng)內(nèi)。

然而，所述裝置具有如下的缺陷，由于托架和托架導(dǎo)向件之間以及肘桿系統(tǒng)內(nèi)的摩擦力，力的測(cè)量涉及嚴(yán)重的滯后。此外，橫向力，即材料片在垂直于所述作用力的方向上施加于超聲波發(fā)生器上的力，無法使用已知的裝置進(jìn)行測(cè)量。

然而，存在著使用非常小的加工帶寬的情況。例如，能夠想象需要200N的焊接力的應(yīng)用，其中僅195N的焊接力無法進(jìn)行完全的焊接，而205N的焊接力會(huì)使材料發(fā)生部分損壞。

目前，這些使用情況無法通過連續(xù)超聲加工的方式進(jìn)行處理。

因此，將本領(lǐng)域已知的狀況作為基本出發(fā)點(diǎn)，本發(fā)明的目標(biāo)在于提供在本說明書開始部分中提及種類的裝置，其允許更加準(zhǔn)確地測(cè)量焊接力，從而還能夠通過超聲的方式連續(xù)地加工涉及極小加工帶寬的應(yīng)用情況。

根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)如下地實(shí)現(xiàn)，超聲波發(fā)生器和托架通過具有力傳感器的傳感器組件連接在一起。

因此，根據(jù)本發(fā)明，力傳感器的位置通過肘桿在超聲波發(fā)生器的方向上移動(dòng)，更具體地，移至超聲波發(fā)生器和托架之間的位置。在該位置，力傳感器可以直接檢測(cè)超聲波發(fā)生器由于焊接力的變化而產(chǎn)生的相對(duì)于配對(duì)工具的移動(dòng)。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，超聲波發(fā)生器和托架通過具有兩個(gè)力傳感器的傳感器組件連接在一起。在這種情況中，一個(gè)力傳感器被設(shè)置成測(cè)量由待加工的材料平行于作用力方向施加至超聲波發(fā)生器的力，而另一個(gè)力傳感器被設(shè)置成測(cè)量由待加工的材料垂直于作用力方向施加至超聲波發(fā)生器的力。

由于使傳感器組件與超聲波發(fā)生器緊挨著設(shè)置，因而甚至能夠通過兩個(gè)力傳感器來測(cè)量與作用力方向平行的力以及與作用力方向垂直的力兩者。將會(huì)理解的是，還可以使用多于兩個(gè)的力傳感器。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，提供用于使托架平行于作用力方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，其中優(yōu)選的是，所述驅(qū)動(dòng)器通過力偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(例如肘桿系統(tǒng))連接至托架。這樣的布置例如公開于如上所述的DE 197 53 740 C1。在這種情況中，托架設(shè)置于導(dǎo)向件中，該導(dǎo)向件可以相對(duì)于機(jī)器支撐結(jié)構(gòu)僅在作用力方向上移動(dòng)，而無法垂直于作用力方向地移動(dòng)。

在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，傳感器組件包括兩個(gè)板元件，其通過至少兩個(gè)彈性連接元件連接在一起，其中，一個(gè)板元件連接至超聲振動(dòng)單元，并且另一個(gè)板元件連接至托架。在這種情況中，力傳感器被最佳地固定至連接元件。

在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，一個(gè)連接元件比另一個(gè)連接元件更靠近配對(duì)工具地設(shè)置，其中優(yōu)選地提供兩個(gè)力傳感器，并且一個(gè)力傳感器設(shè)置于距配對(duì)工具更遠(yuǎn)地設(shè)置的連接元件上，以使得由待加工的材料平行于作用力方向地施加至超聲波發(fā)生器的力被測(cè)量，并且另一個(gè)力傳感器設(shè)置于距配對(duì)工具更近地設(shè)置的連接元件上，以使得由待加工的材料垂直于作用力方向地施加至超聲波發(fā)生器的力被測(cè)量。

連接元件例如可以是彈性連接臂的形式，其將兩個(gè)板元件連接在一起，從而使得在力由材料片施加于超聲波發(fā)生器上時(shí)，發(fā)生兩個(gè)板元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而連接元件會(huì)變形。

在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，至少四個(gè)連接元件將板元件連接在一起，其中兩個(gè)相應(yīng)的連接元件距配對(duì)工具是等間距的。更大的穩(wěn)定性被賦予傳感器板，并且由此，由于成對(duì)設(shè)置的連接元件，更大的穩(wěn)定性被賦予超聲波發(fā)生器和托架之間的連接。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，兩個(gè)板元件相互平行地設(shè)置，其中，它們優(yōu)選在垂直于板平面的方向上以互相移位的關(guān)系設(shè)置，并且最佳地，板元件具有開口，另一個(gè)板元件可設(shè)置于該開口中。

在這種情況中，所述開口原則上可以是任意期望的構(gòu)型。由此，O型開口例如是可行的，也就是說，外板元件圍繞內(nèi)板元件的整個(gè)外圍，該內(nèi)板元件設(shè)置于O型開口內(nèi)。然而，取而代之的是，還將能夠想到的是U型開口，其中外板元件僅在三側(cè)圍繞內(nèi)板元件，或者L型開口，其中外板元件僅在兩側(cè)圍繞內(nèi)板元件。

為了實(shí)現(xiàn)良好的焊接效果，原則上，超聲波發(fā)生器和機(jī)器支撐結(jié)構(gòu)之間連接的高程度剛性是必須的。然而，根據(jù)本發(fā)明的配置，傳感器板需要一定的移動(dòng)性，因?yàn)閮H在這種情況中，力才可被測(cè)量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)板元件相互之間在作用力方向上以及垂直于作用力方向的方向上的移動(dòng)性應(yīng)當(dāng)小于20μm/kN，優(yōu)選小于10μm/kN并且最優(yōu)選小于3μm/kN。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，力傳感器可以具有應(yīng)變儀，其測(cè)量連接元件的變形，并允許由此得出由材料片施加于超聲波發(fā)生器的力。

在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，力傳感器為壓電傳感器。

因?yàn)閴弘妭鞲衅鞯膭傂耘c基于應(yīng)變儀的力傳感器相比大70至100倍，所以借助使用壓電傳感器作為力傳感器，兩個(gè)板元件相互之間的移動(dòng)性至少在作用力方向上還可被進(jìn)一步降低。

因此，系統(tǒng)的彈性單獨(dú)地通過使用壓電傳感器作為力傳感器而可被顯著地降低。

然而，壓電傳感器是存在問題的，由于壓電傳感器的結(jié)構(gòu)或者與之相聯(lián)系的使用電荷放大器來測(cè)量由壓電晶體提供的電荷，經(jīng)常會(huì)發(fā)生放電，從而使得通過電荷放大器測(cè)量的轉(zhuǎn)化為電壓的電荷在靜態(tài)測(cè)量時(shí)會(huì)減少。

因此，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，為了改善壓電傳感器的測(cè)量結(jié)果，可以提供控制設(shè)備，當(dāng)超聲加工系統(tǒng)并未執(zhí)行任何材料加工操作時(shí)使壓電傳感器短路，或者將隨時(shí)間變化的力補(bǔ)償值添加至由壓電傳感器測(cè)量的力。

由此，例如在某些時(shí)刻，更具體地在超聲波發(fā)生器并未與材料接合的時(shí)刻，也就是說，在未發(fā)生焊接的時(shí)刻，能夠使壓電傳感器短路。此時(shí)，超聲波發(fā)生器不將力施加至材料片，或者僅將較小的力施加至材料片?？梢哉f，壓電傳感器通過短路操作而歸零，從而使得在短路過程之后，僅力的改變可被測(cè)量。

因?yàn)閴弘妭鞲衅鳜F(xiàn)在并不是基于應(yīng)變儀的，所以還優(yōu)選的是，其并不被固定至連接元件。例如，壓電傳感器可被固定至傳感器板的兩個(gè)板元件，從而使得一個(gè)板元件施加于另一個(gè)板元件上的力可被檢測(cè)。在這種情況中，壓電傳感器會(huì)被連接至兩個(gè)板元件，從而使得力流的主要部分通過壓電傳感器被轉(zhuǎn)向。

在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，壓電傳感器被偏壓，以使得即使在材料片不在超聲波發(fā)生器上施加力的情況下，壓電傳感器也會(huì)測(cè)量力。

這例如可以通過借助螺桿將壓電傳感器壓至第二板元件上來實(shí)現(xiàn)，該螺桿與第一板元件內(nèi)的相應(yīng)的螺紋通孔配合。以此方式，力在任意情況下都被施加至壓電傳感器上。這特別是在發(fā)生超聲波發(fā)生器的后振動(dòng)時(shí)是有利的，因?yàn)榇藭r(shí)，不僅僅是壓縮力，而且張力也會(huì)發(fā)生在壓電傳感器處?！柏?fù)力”現(xiàn)在也可以借助相應(yīng)的偏壓來測(cè)量。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，壓電傳感器設(shè)置在傳感器組件上，從而測(cè)量由待加工的材料與作用力方向平行地施加至超聲波發(fā)生器的力。

將會(huì)理解的是，還能夠測(cè)量由待加工的材料垂直于作用力方向地施加至超聲波發(fā)生器的力。這例如可以通過第二傳感器來實(shí)現(xiàn)。然而，在這種情況中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于用于測(cè)量由待加工的材料垂直于作用力方向地施加至超聲波發(fā)生器的力的傳感器來說，優(yōu)選采用應(yīng)變儀，其被設(shè)置在連接元件上，并且更具體地，優(yōu)選設(shè)置在更靠近配對(duì)工具設(shè)置的連接元件上。

本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)下文對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的說明以及附圖而顯而易見，其中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的透視圖，

圖2示出圖1的實(shí)施方式的截面圖，

圖3、3a和3b示出如在圖1和2中所示的實(shí)施方式中使用的傳感器組件的透視圖和放大詳細(xì)視圖，

圖4示出在縱向方向上，圖4的傳感器組件在變形期間的透視圖，

圖5示出圖3的傳感器組件在由于橫向力而變形期間的透視圖，

圖6和6a示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的平面圖和局部放大圖，

圖7示出壓電傳感器的平面圖，

圖8和8a示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的后視圖和局部放大圖，并且

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的側(cè)視圖。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的加工裝置1的透視圖。

圖2示出圖1的局部截面?zhèn)纫晥D。所述裝置具有超聲波發(fā)生器2，其通過變幅器4連接至轉(zhuǎn)換器3。包括超聲波發(fā)生器2、變幅器4和轉(zhuǎn)換器3的超聲振動(dòng)單元固定于支持架5內(nèi)。支持架5進(jìn)而通過傳感器組件6固定于托架7，傳感器組件6為傳感器板的形式。托架7可以在豎直方向上相對(duì)于機(jī)器支撐結(jié)構(gòu)移動(dòng)。出于此目的，托架7通過肘桿機(jī)構(gòu)9連接至驅(qū)動(dòng)馬達(dá)8。

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)8使連接至其的螺桿移動(dòng)，并進(jìn)而通過肘桿機(jī)構(gòu)9導(dǎo)致托架7的豎直移動(dòng)。

圖2示意性地示出輥形式的配對(duì)工具16。一個(gè)或多個(gè)材料片經(jīng)過超聲波發(fā)生器2和圍繞其軸旋轉(zhuǎn)的配對(duì)工具16之間，以進(jìn)行加工操作。在這種情況中，所要加工的材料在超聲波發(fā)生器2上施加作用力方向上的力，其實(shí)際上為焊接力，以及與作用力方向垂直的力，其基本上通過使材料向前運(yùn)動(dòng)經(jīng)過超聲波發(fā)生器2和配對(duì)工具16之間的間隙而產(chǎn)生，如在圖2中由箭頭所示的。

根據(jù)本發(fā)明，力傳感器提供于傳感器板6內(nèi)。

在圖3、3a和3b中示出傳感器板的透視圖和兩幅詳細(xì)視圖。傳感器板6包括外板元件10和內(nèi)板元件11。兩個(gè)板元件幾乎設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)，從而使得外板元件10基本上完全包圍內(nèi)板元件11。

內(nèi)板元件11和外板元件10均具有固定孔。兩個(gè)板元件之一(例如內(nèi)板元件11)被固定至托架7，而另一個(gè)板元件(例如外板元件10)被固定至支持架5。兩個(gè)板元件10、11通過連接元件13、14連接在一起。

然而，將注意到在所示的實(shí)施方式中，兩個(gè)板元件以相互之間稍微偏置的關(guān)系來設(shè)置，也就是說，它們并未精確地設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)。這樣的構(gòu)型允許固定至托架和超聲波發(fā)生器，其確保由材料片的力所產(chǎn)生的任何力傳遞均僅簡(jiǎn)單地通過連接元件12、14來實(shí)現(xiàn)。

圖3a示出圖3的細(xì)節(jié)A的放大視圖。其中所示的為連接元件14，其將內(nèi)板元件11連接至外板元件10。此外，應(yīng)變儀15形式的兩個(gè)力傳感器在這里設(shè)置于連接元件14上。

圖3b為圖3中細(xì)節(jié)B的視圖。在這里將看到，兩個(gè)連接元件12將內(nèi)板元件11連接至外板元件10。在這里，力傳感器13還與每個(gè)連接元件12相關(guān)聯(lián)。傳感器組件為相對(duì)于縱軸基本上呈鏡像對(duì)稱配置的，也就是說，如在圖3b中所示的，存在兩對(duì)連接元件，并且如在圖3a中所示的，存在兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的連接元件14。

圖4示出傳感器板6的示意圖，其表示在縱向方向上或作用力方向上，與施加至超聲波發(fā)生器的力相關(guān)的情況。該方向在附圖中由箭頭標(biāo)識(shí)。如果在縱向方向上作用的力通過材料片施加至超聲波發(fā)生器2，那么由于超聲波發(fā)生器2或支持架5與外板元件10之間的連接，就會(huì)產(chǎn)生連接元件12、14的變形。內(nèi)板元件11被連接至固定設(shè)置的托架7。特別地，將會(huì)看到在連接元件14的區(qū)域內(nèi)，臂形式的連接元件產(chǎn)生變形。這種變形可以借助在連接元件14上設(shè)置的力傳感器15來測(cè)量。

圖5示出當(dāng)垂直于作用力方向的力被施加至超聲波發(fā)生器時(shí)所發(fā)生的情況。該方向在附圖中由箭頭標(biāo)識(shí)。

因?yàn)槌暡òl(fā)生器2通過支持架5連接至外板元件10，而內(nèi)板元件11連接至托架7，所以在超聲波發(fā)生器上的垂直于作用力方向的力會(huì)導(dǎo)致在圖5中所示的變形。這基本上在下部區(qū)域，也就是說，在連接元件14的區(qū)域內(nèi)發(fā)生，因?yàn)樵谶@里由于肘桿作用會(huì)產(chǎn)生最大的力傳遞。因此，基本上橫向的力可以通過固定至連接元件14的力傳感器15進(jìn)行測(cè)量，而基本上在作用力方向上作用的力可以通過固定至連接元件12的力傳感器13進(jìn)行測(cè)量。

圖6至9示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式，其中壓電傳感器17被用作力傳感器。圖6示出這種實(shí)施方式的平面圖。在這里，傳感器板也具有兩個(gè)板元件10、11。根據(jù)在圖6a中以放大比例示出的局部視圖將會(huì)看到，壓電傳感器17被設(shè)置于內(nèi)板元件11和外板元件10之間的傳感器板的縱向方向上。壓電傳感器17在圖7中示意性地示出。其包括恰當(dāng)?shù)膲弘妶A盤和連接件18，通過這種方式，由壓電晶體產(chǎn)生的電荷就可被測(cè)量。

圖8和8a示出這種實(shí)施方式的后視圖。在這里將看到，連接件18經(jīng)過外板元件10。內(nèi)板元件通過固態(tài)鉸鏈12、14固定于外板元件10。鉸鏈或者連接部分提供形狀穩(wěn)定性。然而，特別地，在作用力方向上，這種配置確保力流的主要部分是通過壓電傳感器進(jìn)行的。

最后，圖9示出俯視圖。在這里能夠看到兩個(gè)螺桿19，其在外板元件10的相應(yīng)螺紋通孔內(nèi)引導(dǎo)。它們配合經(jīng)過外板元件10，并相對(duì)于內(nèi)板元件11擠壓壓電傳感器17，由此確保力總是施加于壓電傳感器上。

在裝配壓電傳感器后，必須校準(zhǔn)所述傳感器。

附圖標(biāo)記列表

1加工裝置

2超聲波發(fā)生器

3轉(zhuǎn)換器

4變幅器

5支持架

6傳感器板/傳感器組件

7托架

8驅(qū)動(dòng)馬達(dá)

9肘桿機(jī)構(gòu)

10外板元件

11內(nèi)板元件

12、14連接元件

13、15力傳感器

16配對(duì)工具

17壓電傳感器

18連接件

19螺桿