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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes mit einer Rollenschweissung, wobei der Gegenstand aus zumindest zwei
Blechteilen besteht, deren zu verschweissende Ränder räumliche Flansche bilden, die zusammenpassen und beim Verschweissen zwischen den
Rollen einer Widerstandsschweissmaschine durchlaufen. Dabei ist unter einem räumlichen Flansch ein Flansch zu verstehen der nicht nur in der Ebene eine Kurve beschreibt, sondern eine Raumkurve, also auch aus der Ebene herausführt.
Die Verbindung von Blechteilen mittels Rollenschweissung ist im Kraftfahrzeugbau, insbesondere bei der Herstellung von Treibstofftanks und anderer Hohlkörper, eingeführt, weil sie unter günstigen Bedingungen schnell eine durchlaufende dichte Schweissnaht ergibt. Die zu verbindenden Teile sind dann die beiden Halbschalen des Treibstoff tanks, jeweils mit einem in einer Ebene rundum verlaufenden Flansch.
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Die Forderung nach hoher Raumökonomie und Kollisionssicherheit macht es nötig, den im Fahrzeug zur Verfügung stehenden knappen Raum besonders gut auszunutzen. Das führt zu Treibstofftanks besonderer Form, deren Teile nicht mehr mit in einer Ebene liegenden Flanschen ausführbar sind. Das Verschweissen solcher Teile in einer Rollenschweissmaschine ist zwar prinzipiell möglich, bislang jedoch nicht in Grossserie mit hoher und seriensicherer Dichtheit. Versuche mit Rollenschweissmaschinen, deren Rollen während des Schweissens verschwenkbar sind, und wobei diese und das Werkstück mittels eines Pantografen bewegt werden, haben zu keinen befriedigenden Resultaten geführt; ganz abgesehen von den hohen Kosten und der geringen Flexibilität derartiger Anlagen.
Die seriensichere Dichtheit muss aber aus Sicherheits- und Emissionsgründen unbedingt gewährleistet sein. Die kleinste Unregelmässigkeit bei Stromversorgung, Vorschubgeschwindigkeit oder Zusammenpressdruck der Rollen kann zu einer Schwachstelle führen, an der der Treibstofftank bereits im Druckversuch aufplatzt.
Es ist daher Ziel der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, nach dem räumliche Rollenschweissungen seriensicher ausführbar sind, zeitgemäss bei minimalen Kosten.
Erfindungsgemäss besteht das Verfahren aus folgenden Schritten: a) Die Blechteile werden mit ihren Flanschen aneinandergelegt und an einigen Punkten aneinander geheftet, b) eines der Blechteile mit dem angehefteten weiteren Teil wird vom Arm eines Roboters erfasst, wozu dieser mit einer Aufnahme ausgerüstet ist, die diesen Teil in einer Mulde grossflächig festhält,
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c) der Roboter führt mit dem Gegenstand eine räumliche Bewegung aus, bei der die aneinanderliegenden räumlichen Flansche des Gegenstan- des die festachsigen Rollen der Rollenschweissmaschine während des
Schweissens mit konstanter Geschwindigkeit des Schweissortes passie- ren, d) der Roboter gibt den fertigen Gegenstand oder legt ihn ab.
Die Vorschubbewegung beim Schweissen wird somit ausschliesslich vom
Roboter ausgeführt, die Rollenschweissmaschine kann so von der einfa- chen, betriebssicheren und präzisen Bauart mit feststehenden Rollenach- sen sein. Bei dieser ist naturgemäss auch die Führung der Rollen sehr ge- nau, sie können nicht "aus der Spur laufen". Die vorangehende Heftung stellt sicher, dass die zu verbindenden Teile - im Falle eines Treibstoff- tanks die beiden Halbschalen - genau aufeinanderpassen und sich auch während des Schweissens nicht gegeneinander verschieben.
Das vorherige Heften schafft auch die Voraussetzung für den Einsatz eines Roboters. Dieser kann seine Freiheitsgrade ja nur voll entfalten, wenn er das Werkstück nur von einer Seite hält. Damit wurde mit der Vorstellung gebrochen, dass die beiden zu verschweissenden Teile wäh- rend der Schweissung von einer Hilfsvorrichtung zusammengedrückt werden müssen.
Die grossflächige Aufnahme des Werkstückes liefert einen zweifachen Beitrag zur Qualität der Schweissnaht. Erstens stellt die grossflächige und in der Regel auch formschlüssige Verbindung zwischen Werkstück und Roboterhand die genaue Führung des Werkstückes sicher, auch bei der für konstante Schweisspunktgeschwindigkeit nötigen variablen Geschwin- digkeiten und Beschleunigungen (sowohl linear als auch rotativ) der
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Roboterhand. Zweitens wird das Werkstück dadurch, dass es in der Nähe des Flansches gehalten ist, nicht verzogen. Ohne diese Halterung könnte der Flansch während des Schweissens oder danach die angrenzenden gewölbten Regionen der Teile nach aussen ziehen und das Werkstück so verziehen oder unter Eigenspannung setzen.
Für die Qualität der Schweissnaht ist die Konstanz aller Schweissparame- ter wesentlich, somit auch der Geschwindigkeit, mit der der Schweissort (=Schweisspunkt) am Werkstück fortschreitet. Bei ebenen Flanschen wäre diese Geschwindigkeit gleich der Umfangsgeschwindigkeit der Rollen.
Bei räumlichen Flanschen ist, wegen des Radius der Rollen bei einem Ge- fällebruch mit einem Krümmungsradius in der Grössenordnung des Radius der Rollen, diese Gleichheit nicht mehr gegeben.
Da die ganze Vorschubbewegung durch den Roboter ausgeführt wird, muss dieser auch die gesamte Bewegung "erlernen". Das ist bei Ausnüt- zung der Möglichkeiten der #teach-in - Moduln", die alle gängigen Ro- boter - Steuerungsprogramme enthalten auch ohne zusätzliche Massnah- men oder Kunstgriffe durchführbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens sind während des Schrittes c) die Rollen der Rollenschweissmaschine frei drehbar, und der Vorschub beim Schweissen wird ausschliesslich durch den Roboter besorgt (Anspruch 2). Damit lassen sich auch sehr komplexe Formen verwirklichen. Überraschend ist, dass der normale Anpressdruck (besser: Zusammenpressdruck der Rollen) einen ausreichenden Reib- schluss zwischen den leerlaufenden Rollen und dem die Rollen ,antrei- benden" Werkstück erzeugt, um diese praktisch schlupffrei mitzunehmen.
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Dadurch wirken aber auch auf den Roboterarm wesentlich kleinere Kräfte, was seiner Genauigkeit und der Präzision seiner Steuerung zugute kommt.
Die Erfindung ist auch in einer Anlage zur Ausführung einer dreidimen- sionalen Rollenschweissung verkörpert, die aus den folgenden
Komponenten besteht: a) Einer ortsfesten Rollenschweissmaschine, deren Rollen auf festen
Achsen gelagert sind, b) einem Roboter mit ortsfestem Fuss, dessen Hand mit ihrer Aufnahme in allen sechs Freiheitsgraden bewegbar ist und dessen Steuerung das
Werkstück so bewegt, dass die aneinanderliegenden räumlichen Flan- sche des Gegenstandes die festachsigen Rollen der Rollenschweissma- schine während des Schweissens mit konstanter Geschwindigkeit des
Schweissortes passieren.
Eine solche Anlage ermöglicht es zunächst, derartige Schweissnähte über- haupt mit ausreichender Dichtheit und Prozesssicherheit herzustellen.
Weiters ist eine derartige Anlage, verglichen mit der erfolglosen Konstel- lation mit einer Rollenschweissmaschine mit schwenkbaren Rollen und einem Pantographen, wesentlich billiger und obendrein noch viel flexibler.
Flexibler heisst unter anderem, dass in der Produktion mit nur kurzen Stillstandszeiten verschiedene Modelle gefertigt werden können.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Anlage verfügt die Rollenschweissmaschine über Rollen, die nicht mit einem Antriebsele- ment verbunden sind (Anspruch 4), also frei mitlaufen; und sind die bei- den Rollen auch voneinander antriebsmässig getrennt (Anspruch 5). Da- durch sind die auf den Roboterarm wirkenden Kräfte vermindert und des- sen Genauigkeit ist verbessert.
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Vorzugsweise wird die Hand des Roboters von einer Aufnahme gebildet, die nur eines der zu verschweissenden Teile grossflächig festhält (An- spruch 6), wozu die Aufnahme eine einen Teil formschlüssig aufnehmen- de Mulde mit Haltemitteln ist (Anspruch 7). Dadurch wird das Werkstück - obwohl nur einseitig - zuverlässig und prozesssicher gehalten. Beson- ders vorteilhaft ist es, als Haltemittel eine Anzahl von Saugnäpfen vorzu- sehen (Anspruch 8), die möglichst nahe dem Flansch angeordnet sind.
Wenn Saugnäpfe aus anderen Gründen nicht einsetzbar sind, können auch einzelne Niederhalter vorgesehen sein, die sich bei Passieren der Rollen lösen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1: Eine schematische Ansicht einer erfindungsgemässen Anlage,
Fig. 2: einen Schnitt durch das Werkstück und einen Teil der erfindungsgemässen Anlage während des Schweissens zu einem ersten Zeitpunkt, Fig. 3 : nach A in Fig. 2, zu einem zweiten Zeitpunkt.
In Fig. 1 ist eine konventionelle Rollnahtschweissmaschine mit 1 bezeich- net. Sie hat eine untere und eine obere kupferne Schweissrolle 2,3, die je- weils auf Wellen 2', 3' (siehe Fig. 2) befestigt und gelagert sind. Mit 4 ist summarisch das Werkstück bezeichnet. Es ist hier ein Treibstofftank für ein Kraftfahrzeug von angenähert rechteckiger Form mit stark abgerun- deten Ecken.
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Mit 6 ist ein ebenfalls konventioneller Industrieroboter bezeichnet, der analog zur menschlichen Anatomie aus einem Fuss 7, einem Oberarm 8, einem Unterarm 9 und einer Hand 10 besteht, welche eine Aufnahme 11 für das Werkstück 4 hält. Diese Aufnahme 11ist auswechselbar, wozu der
Roboter sie an geeigneter Stelle ablegen, loslassen, und selbst eine andere ergreifen kann, und so ohne weiteren Umbau ein anderes Werkstück ge- ertigt werden kann. Weiters besitzt der Roboter eine Steuerung, die in der
Regel in einem nicht dargestellten Kasten untergebracht ist.
In Fig. 2 ist das Werkstück in der durch die Wellen 2,3 aufgespannten
Ebene geschnitten. Das Werkstück 4 besteht aus einer unteren Schale 14 mit einem unteren Flansch 16 und einer oberen Schale 15 mit einem obe- ren Flansch 17, die die miteinander zu verschweissenden Ziehteile aus
Blech sind. Der Boden 14' der unteren Schale 14 ist in der Mitte aufwärts gewölbt, um den in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehenden Bau- raum auszunutzen. Diese Ausformung zwingt auch dazu, von der ebenen Flanschform abzuweichen, weshalb beide Flansche bei 18 eine räumliche Erhebung in die dritte Dimension aufweisen. Die beiden auf den beiden Schalen 14,15 rundum verlaufenden Flansche 16,17 liegen daher nicht in einer Ebene, sondern sind räumlich.
Die Aufnahme 11ist em einer Form des Ziehwerkzeuges, in dem die Halbschale gezogen wurde, nicht unähnlicher Körper, der auf einer Seite von der Roboterhand gehalten ist und an der dem Werkstück zugekehrten Seite eine Mulde hat, in die sich die obere Schale 15 grossflächig ein- schmiegt. Die Seitenwände 21 der Aufnahme 11umgeben die obere Schale 15 bis an den Beginn des Flansches 17. Zusätzlich sind in der Aufnahme 11noch Saugnäpfe 22 vorgesehen, die die obere Schale 15 festhalten.
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Fig. 2 führt auch in das erfindungsgemässe Verfahren und zeigt die Anlage zu Beginn des Verfahrensschrittes c). Vorausgegangen ist diesem Schritt ein Aneinanderfügen der beiden Schalen 14,15 mit ihren Flanschen 16,17 und deren punktweise Verbindung durch einige über den Flansch verteilte
Heftschweissungen 23. Sodann wurde das Werkstück 4 von der Aufnahme
11aufgenommen. Wegen der Verbindung der beiden Schalen 14,15 durch die Heftschweissungen 23 genügt es dazu, dass die Aufnahme 11nur die obere Schale 15 in sich aufnimmt und formschlüssig umgibt.
Bei der Rollnahtschweissung selbst wird die gesamte Schweissbewegung von dem Roboter 6 ausgeführt, wobei dessen Hand 10 von allen ihr zur
Verfügung stehenden Freiheitsgraden Gebrauch macht. Dabei führt der Roboter die Bewegung so, dass sich der Schweisspunkt 24 - das ist der Punkt durch den der Schweissstrom zwischen den beiden Rollen 2,3 gera- de fliesst, bei konstanter Schweissstromstärke mit konstanter Geschwin- digkeit am Flansch dahinbewegt. Die beiden Wellen 2,3 auf denen die Schweissrollen 2,3 sitzen, sind weder miteinander, noch mit einem An- trieb verbunden, sie laufen frei mit, werden sozusagen von dem vom Ro- boter bewegten Flansch "angetrieben".
In Fig. 2 wäre der gerade zwischen den Rollen 2,3befindliche Flanschteil noch in einer Ebene, bei weiterem Drehen und Verschieben in der Horizontalebene wird das abgerundete Eck passiert und in die in Fig. 2 in Ansicht gezeigten Flanschteile mit der Er- hebung 18 eingefahren.
Fig. 3 zeigt nun die Schweissung des sich in die dritte Dimension erhe- benden Teiles 18 der Flansche 16,17. Die Blickrichtung wäre nun die in Fig. 2 mit "A" angedeutete, das Auge des Betrachters ist jedoch mit dem Werkstück 4 mitgedreht worden. Daher sieht man nun die Rollen 2,3 in
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Ansicht als Kreise. Die Bewegung in die dritte Dimension wurde auch wieder nur durch entsprechende Neigung der Roboterhand 10 bei gleichzeitigem Vorschub vorgenommen. Dabei sind die Steuergrössen- und Befehle dem Roboter so eingelernt, dass die Geschwindigkeit, mit der der Schweisspunkt 24 am Flansch 16,17 dahinbewegt, konstant ist. Um die Verhältnisse zu verdeutlichen, ist der Radius der Rolle 25 und der Krümmungsradius 26 der Flansche 16,17 in der Nähe des Schweisspunktes 24 eingetragen.
In der beschriebenen Art und Weise kann ein Werkstück mit, auch komplizierten, räumlichen Flanschen mit konventionellen Maschinen durch Nutzung der vorhandenen "Intelligenz" (gemeint ist hier die im Roboter vorhandene) mit hoher Qualität seriensicher hergestellt werden.