Verfahren, um longitudinale Schwingungen eines Resonanzkörpers in Tangential- bzw. Torsionsschwingungen umzuwandeln Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um in einem zylinderförmigen Resonanzkörper longitudinale Schwin gungen in Tangentialschwingungen beziehungsweise Torsionsschwingungen umzuwandeln.
In manchen Anwendungsfällen der Ultraschalltech nik ist es erwünscht, Schwingungsrichtungen umzuwan deln. Es ist beispielsweise bereits bekannt, einen an seinem einen Ende zu Longitudinalschwingungen er regten Stab dadurch an seinem anderen Ende zu Knickschwingungen, also Schwingungen senkrecht zu seiner Achse anzuregen, dass man den Stab durch Auf bringen einer unsymmetrischen Masse an seinem Aus gang unsymmetrisch belastet oder aber den Stab ein seitig senkrecht zur Achse einkerbt, so dass die Ener gieübertragung nicht mehr rotationssymmetrisch zur Achse erfolgt, sondern unsymmetrisch.
Das Wellenaus- trittsende des Stabes führt dann eine elliptische Schwingung aus, wobei das Achsenverhältnis der El lipse sich aus der Tiefe der Kerbe ergibt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine in Achserrichtung in einen zylinderförmigen Kör per eingeleitete Longitudinalschwingung so umzuwan deln, dass das Wellenaustrittsende des Körpers eine Tangential- bzw. Torsionsschwingung ausführt. Eine derartige Umwandlung ist beispielsweise für den Ultra- schallschweissprozess sehr wichtig.
Nicht zu dicke Me tallschichten, Bleche und Folien lassen sich bekannt lich durch Ultraschallschwingungen verschweissen, wenn die zu verschweissenden Stücke auf eine stabile und träge Unterlage aufgelegt und mit gewissem Andruck parallel zur Blechebene zu Ultraschallschwingungen er regt werden.
Man erkennt leicht, dass dieser Vorgang für einen Schweisspunkt verhältnismässig leicht reali- sierbar ist, indem man die Achse des Ultraschallerzeu gers parallel zur Blechoberfläche orientiert und die Schwingung mit Hilfe eines abgestimmten Rüssels , dessen Mantel einen kleinen Vorsprung trägt, auf das Blech drückt und so die gewünschte Schwingung auf das Blech überträgt. Der Schwingungsvektor liegt dann parallel zur Achse von Ultraschallerzeuger und Rüssel und somit parallel zur Blechoberfläche.
Soll jedoch eine Ringschweissung erfolgen, wie es z. B. beim Aufschweissen von Deckeln auf Dosen in der Verpackungsindustrie erforderlich ist, so versagt dieses Vorgehen und man hat sich bisher so geholfen, dass man ein auf Torsionsschwingungen abgestimmtes Rohr durch drei oder mehr rings um das Rohr ange ordnete und tangential an den Rohrmantel angreifende Schallübertrager erregt.
Das auf diese Weise zu Tor sionsschwingungen erregte Rohr wird dann mit seiner Achse senkrecht zur Blechebene auf die zu verschweis- senden Bleche aufgedrückt und gestattet, die erwünsch te Ringschweissung durchzuführen.
Das genannte Vorgehen erfordert jedoch einen ho hen konstruktiven und technischen Aufwand, weil meh rere Schallköpfe benötigt, konstruktiv sicher geführt und schwingungstechnisch einwandfrei mit dem Rohrman tel gekoppelt werden müssen. Ausserdem wird durch die das Rohr umgebenden Schallköpfe die Schweiss- stelle schwer zugänglich und die rasche und zügige Zu- bringung des Schweissgutes stösst auf Schwierigkeiten, insbesondere dann, wenn es sich um sperriges Schweiss- gut handelt.
Alle diese Schwierigkeiten werden durch das Verfahren beseitigt, longitudinale Schwingungen ei nes zylinderförmigen Resonanzkörpers in Tangential- bzw. Torsionsschwingungen umzuwandeln, indem man dem in Achserrichtung angeregten Körper eine schrau benförmig die Achse umlaufende Unterteilung gibt. Die Figuren 1 bis 4 der Zeichnung zeigen Beispiele der artiger Resonanzkörper.
Figur 1 zeigt einen Resonanzkörper (2), in wel chen schräge, jedoch voneinander getrennte Schlitze (3) eingebracht sind.
Figur 2 zeigt einen nach Art eines Geschwindig keitstransformators als Stufenrüssel ausgebildeten Re sonanzkörper (2), dessen dünnerer. Teil aus einem Rohr (4) besteht, das in einer durchlaufenden Schrauben linie (3') geschlitzt ist.
Figur 3 zeigt einen Resonanzkörper, der aus spiral förmig die Achse umlaufenden Drähten (5) gleicher Steigung aufgebaut ist.
Figur 4 zeigt einen Resonanzkörper, der aus die Achse spiralförmig umlaufenden Drähten (5') zusam mengesetzt ist, deren Steigung zur Wellenaustrittsflä- che hin abnimmt.
Wird beispielsweise in Figur 1 die longitudinale Schwingungserregung in Richtung des eingezeichneten Doppelpfeiles vom Schwingungserzeuger direkt oder über ein übertragungsglied (1) eingeleitet, so schwingt zunächst das obere Ende des Resonanzkörpers (2) ebenfalls longitudinal, also parallel zur Achse. Diese Schwingung kann sich jeweils nur bis zu den Schlitzen (3) ausbreiten und wird dort umgelenkt, so dass nun mehr eine Schwingung entsteht, die sowohl eine achsen- parallele wie auch eine Tangentialkomponente besitzt.
Der Neigung der Schlitze entsprechend kann diese Tan- gentialkomponente im Verhältnis zur Axial-(Longitudi- nal)komponente gross oder klein sein. Nur wenn die Axialkomponente den Wert Null annehmen würde, würde es sich um eine reine Torsionsschwingung han deln, was in den meisten Fällen jedoch nicht erfor derlich ist. Im allgemeinen wird stets ein Schwingungs gemisch, also eine Tangentialschwingung entstehen.
Das geschlitzte Rohr (2) wird in seiner Länge so bemessen, dass es mit der über den Körper (1) zugeführten Longi- tudinalschwingung in Resonanz arbeitet, so dass also am Eingang wie am Ausgang ein Bewegungsbauch der Schwingung liegt.
In Figur 2 ist die im Prinzip bereits bekannte Form eines Geschwindigkeitstransformators als Stufenrüssel gewählt, bei welchem die entsprechenden Teilstücke je weils 1/4 Wellenlänge der zugehörigen Wellenart lang sind. Auch hier schwingt der Resonanzkörper (2) am Eingang und am Ausgang des Rohres (4) mit einem Bewegungsbauch, jedoch mit einer wesentlichen Tan- gentialkomponente, die in gleicher Weise wie in Figur 1 zustande kommt.
Derartige Stufenrüssel transformieren bekanntlich die Schwingungsamplitude beträchtlich und diese Wirkung wird im vorliegenden Falle noch da durch erhöht, dass anstelle des üblichen Vollzylinders ein Rohr (4) gewählt ist. Der durchlaufende Schlitz (3') gewährleistet eine gute Tangentialkomponente, gibt jedoch dem Rohr den Charakter einer strammen Feder und gestattet daher nicht, mit grossen Andrucken zu arbeiten.
In Figur 3 besteht der Resonanzkörper aus Dräh ten, welche die Achse spiralförmig umlaufen, wobei je der Draht selbst reine Longitudinalschwingungen paral lel zur Drahtachse ausführt. Die Länge jedes Drahtes ist so bemessen, dass er mit der angebotenen Frequenz in Längsresonanz schwingt. Der Wellenausgang, der Ring (6), wird somit sehr wirkungsvoll zu Tangential- schwingungen erregt, denen allerdings noch eine merk liche Komponente von Longitudinalschwingungen über lagert ist.
Um das Verhältnis von Tangential- zu Lon- gitudinalkomponente noch wesentlich zu Gunsten der Tangentialkomponente zu verbessern, würde es nahe- liegen, die Steigung der umlaufenden Drähte wesentlich geringer zu halten als in Figur 3 angegeben. Dies führt jedoch zu der Schwierigkeit, dass die Windungen am Welleneingang, dem Ring (7), bereits sehr schräg an gebracht werden müssten, was eine sehr plötzliche Um lenkung der Wellenfronten von Körperachse zur Draht achse zur Folge haben würde.
Aus der Theorie ist je doch bekannt, dass bei einer Umlenkung der Schwin- gungsrichtung bedeutende Verluste beziehungsweise eine Reflexion der Welle auftritt, wenn der Krüm- mungsradius des Leiters kleiner als 1/4 2 der zugehöri gen Welle wird. Diesen Gegebenheiten trägt die Figur 4 Rechnung, indem der Ring (7) in Achsenrichtung longitudinal erregt wird und sich diese Schwingung verlustlos auf die Drähte (5') überträgt, weil an der Ansatzfläche die Drahtachsen parallel zur Körperachse liegen.
Nunmehr werden die Drähte (5') so aufgewik- kelt, dass ihre Steigung sich stetig vermindert, jedoch so, dass der Krümmungsradius an keiner Stelle kleiner als 1/4 z wird. Dieses lässt sich insbesondere dann er reichen, wenn man die Länge der Drähte (5') gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge macht.
Man erkennt leicht, dass die Steigung am Aus gangsende um so geringer werden darf - und die ge wünschte Tangentialkomponente um so grösser - je grösser der Durchmesser des Ringes (6) ist, d. h. diese Anordnung wird gerade dann besonders günstig sein, wenn es darauf ankommt, Ringschweissungen von gros- sem Durchmesser zu erzielen. In diesem Falle würde dann der Resonanzkörper sich zweckmässig nach unten hin kegelförmig erweitern.
Method for converting longitudinal vibrations of a resonance body into tangential or torsional vibrations. The invention relates to a method in order to convert longitudinal vibrations into tangential vibrations or torsional vibrations in a cylindrical resonance body.
In some applications of the ultrasonic technology, it is desirable to umzuwan the directions of vibration. It is already known, for example, to stimulate a rod that is excited at one end to longitudinal vibrations at its other end to buckling vibrations, i.e. vibrations perpendicular to its axis, that the rod is loaded asymmetrically by bringing an asymmetrical mass at its output or else the rod is notched on one side perpendicular to the axis, so that the energy transfer is no longer rotationally symmetrical to the axis, but asymmetrical
The shaft exit end of the rod then executes an elliptical oscillation, the axial ratio of the ellipses resulting from the depth of the notch.
The object of the present invention is to convert a longitudinal vibration introduced in the axial direction into a cylindrical body so that the shaft exit end of the body performs a tangential or torsional vibration. Such a conversion is very important for the ultrasonic welding process, for example.
Not too thick Me tallschichten, sheets and foils can known Lich be welded by ultrasonic vibrations, if the pieces to be welded are placed on a stable and sluggish base and with a certain pressure parallel to the sheet plane to ultrasonic vibrations it is excited.
It is easy to see that this process is relatively easy to implement for a weld point by orienting the axis of the ultrasonic generator parallel to the sheet metal surface and pressing the vibration onto the sheet metal with the help of a coordinated trunk, the jacket of which has a small protrusion, and so transmits the desired vibration to the sheet metal. The vibration vector is then parallel to the axis of the ultrasonic generator and trunk and thus parallel to the sheet metal surface.
However, if a ring weld is to be carried out, as is the case, for. B. is required when welding lids on cans in the packaging industry, this approach fails and one has so far helped that one tuned to torsional vibrations pipe through three or more around the pipe is arranged and tangentially attacking the pipe shell sound transmitter excited.
The tube, which is excited to torsional vibrations in this way, is then pressed onto the metal sheets to be welded with its axis perpendicular to the plane of the sheet and allowed to carry out the desired ring weld.
However, the procedure mentioned requires a high design and technical effort, because several transducers are required, structurally safe and have to be coupled with the Rohrman tel in terms of vibration. In addition, due to the transducers surrounding the pipe, the welding point becomes difficult to access and the rapid and rapid delivery of the welded material encounters difficulties, in particular when it comes to bulky weldments.
All these difficulties are eliminated by the process of converting longitudinal vibrations of a cylindrical resonance body into tangential or torsional vibrations by giving the body excited in the direction of the axis a subdivision that encircles the axis in a helical manner. Figures 1 to 4 of the drawing show examples of such resonance bodies.
Figure 1 shows a resonance body (2), in which inclined, but separate slots (3) are introduced.
Figure 2 shows a speed transformer designed as a stepped trunk Re sonance body (2), the thinner of which. Part consists of a tube (4) which is slotted in a continuous screw line (3 ').
FIG. 3 shows a resonance body which is constructed from wires (5) of the same pitch which run around the axis in a spiral shape.
FIG. 4 shows a resonance body which is composed of wires (5 ') running around the axis in a spiral shape, the slope of which decreases towards the shaft exit surface.
If, for example, in Figure 1 the longitudinal vibration excitation is initiated in the direction of the double arrow drawn by the vibration generator directly or via a transmission element (1), the upper end of the resonance body (2) initially also vibrates longitudinally, i.e. parallel to the axis. This oscillation can only propagate as far as the slots (3) and is deflected there, so that an oscillation now arises that has both an axially parallel and a tangential component.
According to the inclination of the slots, this tangential component can be large or small in relation to the axial (longitudinal) component. Only if the axial component took on the value zero would it be a pure torsional vibration, which in most cases is not necessary. In general, there will always be a mixture of vibrations, i.e. a tangential vibration.
The length of the slotted tube (2) is dimensioned in such a way that it works in resonance with the longitudinal oscillation fed in via the body (1), so that there is an antinode of the oscillation at the inlet and outlet.
In FIG. 2, the shape of a speed transformer, which is already known in principle, is selected as a stepped trunk, in which the corresponding sections are each 1/4 wavelength of the associated wave type long. Here, too, the resonance body (2) vibrates at the entrance and exit of the tube (4) with an abdomen, but with a substantial tangential component, which is created in the same way as in FIG.
Such stepped trunk is known to transform the oscillation amplitude considerably and this effect is increased in the present case because a tube (4) is selected instead of the usual full cylinder. The continuous slot (3 ') ensures a good tangential component, but gives the tube the character of a tight spring and therefore does not allow you to work with large pressures.
In Figure 3, the resonance body consists of wires that spiral around the axis, each wire itself executing pure longitudinal vibrations paral lel to the wire axis. The length of each wire is dimensioned in such a way that it oscillates in longitudinal resonance with the frequency offered. The wave output, the ring (6), is thus very effectively excited to tangential vibrations, on which, however, a noticeable component of longitudinal vibrations is superimposed.
In order to improve the ratio of tangential to longitudinal component still significantly in favor of the tangential component, it would make sense to keep the slope of the circumferential wires significantly lower than indicated in FIG. However, this leads to the difficulty that the turns at the shaft entrance, the ring (7), would have to be brought very diagonally, which would result in a very sudden deflection of the wave fronts from the body axis to the wire axis.
However, it is known from theory that if the direction of oscillation is deflected, significant losses or a reflection of the wave occur when the curvature radius of the conductor is less than 1/4 2 of the associated wave. FIG. 4 takes these conditions into account, in that the ring (7) is excited longitudinally in the axial direction and this vibration is transmitted to the wires (5 ') without loss, because the wire axes are parallel to the body axis at the attachment surface.
The wires (5 ') are now wound up in such a way that their pitch is steadily reduced, but in such a way that the radius of curvature does not become smaller than 1/4 z at any point. This can be achieved in particular if you make the length of the wires (5 ') equal to an integral multiple of half the wavelength.
It is easy to see that the slope at the exit end may be the smaller - and the greater the ge desired tangential component - the larger the diameter of the ring (6), ie. H. this arrangement will be particularly favorable when it comes to achieving ring welds with a large diameter. In this case, the resonance body would expediently expand conically downwards.