DE10002919B4

DE10002919B4 - Punktschweißgerät

Info

Publication number: DE10002919B4
Application number: DE10002919A
Authority: DE
Inventors: James Wayne Livonia Dolfi; Keith Albert Royal Oak Dils; Michael Plymouth Palko
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: DE10002919A1; US5958262A

Abstract

Punktschweißgerät, das eine Schweißpistole (11) mit einer bewegbaren (12, 41) und einer feststehenden Elektroden (13) aufweist, die an einem Roboterarm-Gelenk (14) gehalten wird, umfassend:
a) ein durch einen Roboter bewegbares Roboterarm-Gelenk (14), das die Schweißpistole (11) zur Bewegung in eine oder aus einer Schweißposition für ein Werkstück (26, 44) trägt;
b) eine Zylinderbaugruppe (19, 47), die dieses Roboterarm-Gelenk (14) mit der bewegbaren Elektrode (12, 41) der Schweißpistole (11) trägt, um während eines Schweißhubs in Richtung des Werkstücks (26, 44) durch diese bewegbare Elektrode (12) auf das Werkstück (26, 44) und die feststehende Elektrode (13) Druck aufzubringen; und
c) eine Fixierzylinder-Baugruppe (27, 56), die das Roboterarm-Gelenk (14) mit der feststehenden Elektrode (13) verbindet, wobei die Fixierzylinder-Baugruppe (27, 56) folgendes aufweist,
(i) ein Fixierzylindergehäuse (34, 57) mit einem bewegbaren Fixierkolben (35, 58), der darin mit der feststehenden Elektrode (13) der Schweißpistole (11) verbunden ist und einen Anschlag...

Description

Diese Erfindung betrifft die Technik der Halterung von Punktschweißpistolen an Roboterarmen, die durch Federn im Gleichgewicht gehalten werden, wobei diese ein Moment auf die Punktschweißpistolen aufbringen, wenn sie vor dem Einleiten des Schweißstoßes in eine Schweißposition bewegt werden.

Eine derartige Halterung ist beispielsweise aus der DE 88 15009 U1 bekannt. Darin wird eine Schweißzange für die elektrische Widerstandspunktschweißung, insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit einem Industrieroboter beschrieben.

Die Ausbildung der Lagerung der Schweißzange am Schweißzangenhalter als Ausgleichselemente mit jeweils einem in das Roboterprogramm einbeziehbaren pneumatischen Ausgleichs-Zylinderbetrieb ermöglicht in jeder Arbeitslage der Schweißzange ein exaktes Anfahren der, Festelektrode an das Werkstück und erleichtert im übrigen das Einrichten des Roboterprogrammes. Die elektrisch leitende Befestigung der Festelektrode in einer Aufnahme am Zylinderdeckel, wobei dieser gegenüber den übrigen Bauteilen der Schweißzange elektrisch isoliert ist, gewährleistet auch bei verhältnismäßig geringem Gewicht des Festelektrodenarmes einen stabilen Sitz desselben, so dass die Festelektrode nicht unter dem Druck der beweglichen Schweißelektrode aus deren Bewegungslinie gebogen und ein Verschieben und/oder Verformen der Werkstücke bei den Schweißvorgängen vermieden wird.

Punktschweißpistolen nach dem Stand der Technik benötigen normalerweise eine feststehende und eine bewegbare Elektrode, die während des Schweißstoßes pneumatisch in Richtung der feststehenden Elektrode gebracht wird, aber erst nachdem die Elektroden in unmittelbarer Nähe zu dem schweißbaren Werkstück positioniert sind. Beim Positionieren des Roboters wird das Gewicht der Elektroden und ihrer Halterung von einer arretierten Luftzylindereinrichtung getragen, die die Elektroden für dieses Positionieren in offener oder voneinander beabstandeter Beziehung hält. Nach Beendigung der Positionierbewegung wird der Luftdruck in dem Zylinder freigegeben, wobei eine Fixierfeder die Elektrode während des Schweißstoßes und direkt davor halten kann. Ein Moment durch die schnelle Bewegung zum Positionieren des Roboters oder ein Moment durch eine Betätigung des Luftzylinders kann das Vibrieren der feststehenden Elektrode gegen die Fixierfeder verursachen. Dieses Vibrieren oder Wackeln kann einen Kontakt der feststehenden Elektrode mit dem Werkstück bewirken und es einbeulen, oder wegen einer ungenauen Dimensionierung beim Aufbringen des Druckes zum Punktschweißen zu schadhaften Punktschweißungen führen.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Beschädigung an den schweißbaren Werkstücken aufgrund des Wackelns oder Vibrierens, welches sich aus einem solchen Moment der durch Federn im Gleichgewicht gehaltenen Schweißelektroden ergibt, auszuschließen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 dargestellt. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Die Lösung umfaßt ein Punktschweißgerät, das eine Schweißpistole mit einer bewegbaren und einer feststehenden Elektroden aufweist, die an einem Roboterarm-Gelenk gehalten wird, umfassend:

a) ein durch einen Roboter bewegbares Roboterarm-Gelenk, das die Schweißpistole zur Bewegung in eine oder aus einer Schweißposition für ein Werkstück trägt;
b) eine Zylinderbaugruppe, die dieses Roboterarm-Gelenk mit der bewegbaren Elektrode der Schweißpistole trägt, um während eines Schweißhubs in Richtung des Werkstücks durch diese bewegbare Elektrode auf das Werkstück und die feststehende Elektrode Druck aufzubringen; und
c) eine Fixierzylinder-Baugruppe, die das Roboterarm-Gelenk mit der feststehenden Elektrode verbindet, wobei die Fixierzylinder-Baugruppe folgendes aufweist, (i) ein Fixierzylindergehäuse mit einem bewegbaren Fixierkolben, der darin mit der feststehenden Elektrode der Schweißpistole verbunden ist und einen Anschlag für den Fixierkolben aufweist, eine Ausgleichsfeder, die zwischen dem Fixierzylindergehäuse und dem bewegbaren Fixierkolben wirksam ist, um das Gewicht der Schweißpistole zu tragen, (ii) eine Anordnung zur Einleitung von Druckluft in das Fixierzylindergehäuse, um den Fixierkolben in eine Stellung zu drücken, in der er an dem Anschlag des Fixierkolbens festgelegt ist, und (iii) eine Steuereinrichtung, die zwischen der feststehenden Elektrode der Schweißpistole und einem Anschlag des Fixierzylindergehäuse wirksam ist, um bei Freigabe der Druckluft zur Einleitung des Schweißhubs eine Vibrationsbewegung der Schweißpistole zu dämpfen.

Anhand einer schematischen Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
1 die Vorderansicht eines Punktschweißgerätes, im Teilschnitt, bei welchem die Prinzipien der Erfindung bei einer Punktschweißpistole vom C-Typ angewandt werden;
2 eine Vorderansicht, im Teilschnitt, die eine andere Möglichkeit darstellt, wie die Prinzipien dieser Erfindung auf eine Punktschweißpistole vom Klemmtyp angewandt werden können; und
3 – 5 vergrößerte Schnittansichten einer Fixierzylinder-Baugruppe unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
Gemäß 1 weist das Punktschweißgerät 10 eine Schweißpistole 11 mit einer relativ zur Schweißpistole bewegbaren Elektrode 12 und einer relativ zur Schweißpistole feststehenden Elektrode 13 auf, die an einem Roboterarm-Gelenk 14 des Roboters 15 getragen wird. Der Roboter schwenkt Roboterarm-Gelenk 14 und Schweißpistole 11 schnell in eine Position in die Nähe eines schweißbaren Werkstücks 26, wie dem Rahmen einer Karosserie oder der Abdeckung eines Kraftfahrzeugs (2), wobei dieses Positionieren normalerweise erfordert, dass die feststehende Elektrode 13 innerhalb einer vorgegebenen Distanz 17 von der gewünschten Punktschweißstelle 18, beispielsweise in einem Abmessungsbereich von 5 bis 15 mm, positioniert wird.
Eine Zylinderbaugruppe 19 verbindet das Roboterarm-Gelenk 14 mit der bewegbaren Elektrode 12. Die Baugruppe 19 umfaßt das Zylindergehäuse 20 und den Kolben 21 mit einer Stange 22, die sich abdichtend durch das Gehäuse 20 erstreckt, so dass sie mit der Elektrode 12 verbunden ist. In der Gehäusekammer 24 wird ein Fluiddruck 23 auf den Kolben 21 in die durch Pfeil 25 dargestellte Richtung aufgebracht, um mit einem Werkstück 26 in Eingriff zu kommen und eine klemmende Anordnung des Werkstücks 26 und der beiden Elektroden 12, 13 zu erzeugen. Die bewegbare Elektrode 12 bringt genügend Druck auf, um eine Punktschweißung entsprechend den normalen Anforderungen an das Punktschweißen zu bewirken.
Eine Fixierzylinder-Baugruppe 27 verbindet das Roboterarm-Gelenk 14 mit der feststehenden Elektrode 13. Die Fixierzylinder-Baugruppe 27 weist ein Fixierzylindergehäuse 34 auf, das mit einem bewegbaren Fixierkolben 35 versehen ist, der darin mit der feststehenden Elektrode 13 der Schweißpistole 11 verbunden ist und einen Anschlag 28 aufweist.
Die Fixierzylinder-Baugruppe 27 umfasst weiterhin eine Ausgleichsfeder 29, die zwischen dem Anschlag 28 (des Fixierzylindergehäuses 34) und dem bewegbaren Fixierkolben 35 wirksam ist, um das Gewicht der Schweißpistole 11 während eines Schweißhubs über die Strecke 38 zu tragen.
Die Fixierzylinder-Baugruppe 27 weist auch eine Anordnung 30 zum Einleiten von Druckluft 31 in die Fixierzylindergehäusekammer 32 auf, um den Fixierkolben 35 in Richtung 36 einer Position (gemäß 3) zu drücken, in der er an dem Anschlag 28 des Fixierkolbens 35 festgelegt ist.
Schließlich umfasst die Baugruppe 27 eine Steuereinrichtung 37, die zwischen der feststehenden Elektrode 13 der Schweißpistole 11 und einem Anschlag 16 (des Fixierzylindergehäuses 34) wirksam ist, um bei einer Freigabe von Druckluft 31 zur Einleitung des Schweißhubs eine Vibrationsbewegung der Schweißpistole 11 zu dämpfen.
Das Roboterarm-Gelenk 14 kann mehrere Drehachsen wie die Achse 39 aufweisen. Mehrere elektrisch betätigte Luftsteuereinrichtungen (nicht gezeigt) sind mit der Einleitung und Entlüftung von Luft in und aus den Kammern 24 und 32 verbunden, wobei diese elektrischen Einrichtungen durch den Transformator 40 mit Strom versorgt werden können.
Gemäß 2 kann die Pistole 11 auch als "Klemmtyp" ausgebildet sein, wobei eine bewegbare Elektrode 41 um die Achse 42 geschwenkt wird, damit die Elektrodenspitze 43 einen Druck aufbringen kann, indem sie in einen Kontakt mit dem Werkstück 44 geschwenkt wird, das hier aus einem flachen Metallblech 45 und einem gewellten Metallblech 46 zur spanlosen Formgebung einer Abdeckung besteht. Die Zylinderbaugruppe 47, die durch das mit dem Roboter 15 verbundene Roboterarm-Gelenk 14 getragen wird, weist einen im Zylindergehäuse 49 abdichtend verschiebbaren Kolben 48 mit Gleitdichtungsring auf, der durch Differenzdrücke in Bewegung gesetzt wird, die von mehreren unterschiedlichen Anschlüssen 50, 51 und 52 aufgebracht werden. Ein mit dem Kolbenbereich 54 des Kolbens 48 mit Gleitdichtungsring verbundener Schaft 53 wird anschließend betriebsbereit gemacht, um das Ende eines Fingers 55 der Elektrode 41 wahlweise und geradlinig in Eingriff zu bringen, so dass sie um die Achse 42 geschwenkt wird und Druck aufgebracht wird.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich außerdem durch die Fixierzylinder-Baugruppe 56, die nicht nur das Fixierzylindergehäuse 57, einen Fixierkolben 58, eine Ausgleichsfeder 59, eine Einrichtung zum Aufbringen von Luftdruck 60 und einen feststehenden Anschlag 61, die alle in einer Art und Weise arbeiten, die der gemäß 1 ähnlich ist, sondern eine Steuereinrichtung 62 aufweist, die mit der feststehenden Elektrode der Schweißpistole 11 verbunden ist. Diese Steuereinrichtung 62 weist ein Gehäuse 63 auf, das mit einer Gehäusekammer 68 versehen ist, die normalerweise den Steuerkolben 64 von dem Anschlag 66 des Steuerkolbens weg vorspannt. Der Steuerkolben 64 ist in dem Zylindergehäuse 63 verschiebbar und durch den Schaft 65 mit dem Fixierkolben 58 verbunden. Zwischen dem Steuerkolben 64 und dem feststehenden Anschlag 61 oder dem Fixierzylindergehäuse 57 ist eine Steuerfeder 67 wirksam, um den Steuerkolben 64 gegen das Luftpolster zu drücken, das in den Kammern 68 zwischen dem Gehäuse 63 und dem Steuerkolben 64 enthalten sein kann, um dadurch bei Freigabe des Luftdrucks in der Gehäusekammer 69 jede Vibrationsbewegung der Schweißpistole 11 zu dämpfen.
Auf Grund der Notwendigkeit, die Zeit des Punktschweißzyklus zu reduzieren, bewirkt eine schnelle und plötzliche Bewegung des Roboters 15 Bewegungsenergie, die in der Masse der Schweißpistole 11 für einen Augenblick nach Beendigung des Positionierens der Schweißpistole 11 und der gleichzeitigen Einleitung des Schweißhubs gebunden wird. Durch dieses Positionieren wird die feststehende Elektrode 13 wünschenswerterweise innerhalb von plus oder minus 5 mm vom Werkstück 26, 44 angeordnet, während die bewegbare Elektrode 41, 12 ihren Hub bei plus oder minus 25 mm beginnt, um einen Kontakt herzustellen und auf das Werkstück 26, 44 einen Druck aufzubringen. Bei dieser Einleitung wird Druckluft aus der Kammer 32, 69 des Fixierzylindergehäuse 34, 57 entlüftet, wodurch das Gewicht der Schweißpistole 11 auf die Ausgleichsfeder 29, 59 aufgebracht wird. Dieses Restmoment wird bewirken, dass die Schweißpistole 11 instabil wird, und das Potential besitzt, eine Beschädigung am Werkstück zu verursachen, bevor sie während des vollständigen Schweißhubs abgesetzt wird, oder kann eine ungenaue Anordnung der Punktschweißung verursachen. Die Erfindung überwindet derartige Eventualitäten durch Verwendung einer Steuerfeder 67, die eine der Federkraft der Ausgleichsfeder 59, 29 angepasste Federkraft aufweist, um die gewünschte Steuerung zu bewirken.
Die Kraft der Feder 59 liegt vorteilhafterweise im Bereich von 0 bis 90720 g (0 bis 200 lbs), und die Kraft der Steuerfeder 67 liegt wünschenswerterweise im Bereich von 0 bis 45360 g (0 bis 100 lbs). Der Luftdruck, der genutzt wird, um den in einem am Anschlag 61 festgelegten Zustand befindlichen Kolben 58 in Bewegung zu setzen, liegt im Bereich von 413·10³ Pa bis 689·10³ Pa (60 bis 100 psi), und der Luftdruck liegt im Bereich von 276·10³ Pa bis 689·10³ Pa (40 bis 100 psi), wobei er aber eingestellt werden kann, um die auf die Halterung für die Schweißpistole in bewegungsloser, ausgeglichener Art und Weise aufgebrachte reine Federkraft zu variieren.
Unter Verwendung der Steuerungseinrichtung nach 2 stellen die 3 bis 5 unterschiedliche Zustände dieser Einrichtung dar. In 3 wird kein Luftdruck (der durch das Steuerventil 70 gesteuert wird) auf die Kammer 68 aufgebracht, so dass der Steuerkolben 64 mit dem Anschlag 66 in Kontakt bleibt, was bewirkt, dass der Steuerkolben 64 und das Zylindergehäuse 63 gemeinsam wirksam sind. Die Feder 67 ist die einzige Kompensationskraft, die der Kraft der Feder 59 entgegenwirkt, wenn aus der Kammer 69 Druckluft abgelassen wird. Die Luftdruckeinrichtung 60 kann eine Luftversorgung 71, ein Vierwege-Hauptventil 72 und einen Auslaß 73 umfassen. Luft für die Rückführung des Schweißstoßes bewirkt das Positionieren der primären Zylinder-Baugruppe.
In 4 wird auf die Kammer 68 ein Luftdruck aufgebracht, um die Kraft der Steuerfeder 67 einzustellen, die den Anschlag 66 (an einem Ende des Schaftes 65) in eine entgegengesetzte Richtung schiebt, von der die Feder 59 den Kolben 58 (der am anderen Ende des Schaftes 65 befestigt ist) schiebt. Im arretierten Zustand nach 4 ist der Luftdruck in der Kammer 69 viel größer als die Kraft der Feder 59, und so ist der Kolben 58 dargestellt, wie er an die Fläche des mit dem Gehäuse 57 einstückigen, abgesetzten Anschlags 61 anstößt.
In 5 ist die Kammer 69 entlüftet, und der Ausgleich der Federkräfte kann wirksam werden. Zu beachten ist die Bewegung des Kolbens 58 von dem Anschlag 61 weg, die durch die Gegenkraft der Feder 67 eingeschränkt wird, wobei das Luftpolster hinter dem Kolben 64 genutzt wird, um eine Vibration der feststehenden Elektrode bei diesem Entlüften auszuschließen.

Claims

Punktschweißgerät, das eine Schweißpistole (11) mit einer bewegbaren (12, 41) und einer feststehenden Elektroden (13) aufweist, die an einem Roboterarm-Gelenk (14) gehalten wird, umfassend: a) ein durch einen Roboter bewegbares Roboterarm-Gelenk (14), das die Schweißpistole (11) zur Bewegung in eine oder aus einer Schweißposition für ein Werkstück (26, 44) trägt; b) eine Zylinderbaugruppe (19, 47), die dieses Roboterarm-Gelenk (14) mit der bewegbaren Elektrode (12, 41) der Schweißpistole (11) trägt, um während eines Schweißhubs in Richtung des Werkstücks (26, 44) durch diese bewegbare Elektrode (12) auf das Werkstück (26, 44) und die feststehende Elektrode (13) Druck aufzubringen; und c) eine Fixierzylinder-Baugruppe (27, 56), die das Roboterarm-Gelenk (14) mit der feststehenden Elektrode (13) verbindet, wobei die Fixierzylinder-Baugruppe (27, 56) folgendes aufweist, (i) ein Fixierzylindergehäuse (34, 57) mit einem bewegbaren Fixierkolben (35, 58), der darin mit der feststehenden Elektrode (13) der Schweißpistole (11) verbunden ist und einen Anschlag (28, 61) für den Fixierkolben (35, 58) aufweist, eine Ausgleichsfeder (29, 59), die zwischen dem Fixierzylindergehäuse (34, 57) und dem bewegbaren Fixierkolben (35, 58) wirksam ist, um das Gewicht der Schweißpistole (11) zu tragen, (ii) eine Anordnung (30, 60) zur Einleitung von Druckluft (31) in das Fixierzylindergehäuse (34, 57), um den Fixierkolben (35, 58) in eine Stellung zu drücken, in der er an dem Anschlag (28, 61) festgelegt ist, und (iii) eine Steuereinrichtung (37, 62), die zwischen der feststehenden Elektrode (13) der Schweißpistole (11) und einem Anschlag (16, 66) des Fixierzylindergehäuses (34, 57) wirksam ist, um bei Freigabe der Druckluft zur Einleitung des Schweißhubs eine Vibrationsbewegung der Schweißpistole (11) zu dämpfen.
Gerät nach Anspruch 1, in welchem die Steuereinrichtung (62) eine Steuerfeder (67) mit einer vorbestimmten Federkraft aufweist, die der Federkraft der Ausgleichsfeder (59) angepasst ist, um dadurch diese Steuerung zu bewirken.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Steuereinrichtung (62) aufweist: a) einen Steuerzylinder mit einem darin verschiebbaren Steuerkolben (64), einem Steuerkolbenanschlag (66), und einer Gehäusekammer (68), die den Steuerkolben (64) normalerweise vom Steuerkolbenanschlag (66) weg vorspannt, wobei das Zylindergehäuse (63) mit der Schweißpistole (11) verbunden ist, um sich mit dieser zu bewegen; und b) eine Steuerfeder (67), die zwischen dem Steuerkolben (64) und dem Anschlag (66) oder dem Zylindergehäuse (63) wirksam ist, um den Steuerkolben (64) gegen das Luftpolster zu drücken, das zwischen dem Zylindergehäuse (63) und dem Steuerkolben (64) enthalten sein kann, um dadurch jede beliebige Vibrationsbewegung der Schweißpistole (11) nach Freigabe der Druckluft in der Gehäusekammer (68) des Zylinders zu dämpfen.
Gerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, in welchem der Luftdruck in dem Fixierzylindergehäuse (34, 57) verändert wird, um die auf die Schweißpistole (11) aufgebrachte reine Federkraft zum Ausgleichen des Gewichts der Schweißpistole (11) einzustellen.
Gerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, in welchem die Ausgleichsfeder (59) eine Kraft im Bereich von 0 bis 890 N, und die Steuerfeder (67) eine Kraft im Bereich von 0 bis 445 N aufbringen kann.
Gerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, in welchem der Luftdruck im Bereich von 413·10³ bis 689·10³ Pa (60 bis 100 psi) und der Luftdruck im Bereich von 276·10³ bis 689·10³ Pa (40 bis 100 psi) liegt.
Gerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, in welchem bei Beendigung des Schweißhubs der Luftdruck im Gehäuse des Zylinders wiederhergestellt wird, um die bewegbare Elektrode (12) von dem Werkstück (26) wegzubewegen und die Elektrode (12) von der Punktschweißung zu entfernen.
Gerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, in welchem die Abstreifkraft im Bereich von 890 – 1112 N, vorzugsweise bei etwa 1112 N liegt.
Gerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, in welchem die Schweißpistole (11), als Scherenschweißzange ausgebildet ist, wobei die bewegbare Elektrode (41) zum Werkstück einen Schweißhub über eine Bewegungsstrecke von etwa plus oder minus 25 mm überwindet.