DE10151141A1

DE10151141A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung von Punktschweissprozessen

Info

Publication number: DE10151141A1
Application number: DE2001151141
Authority: DE
Inventors: Shih-Fu Ling; Li-Xue Wan
Original assignee: Essor International Inc
Current assignee: Essor International Inc
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: DE10151141B4; TW471987B

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Qualität eines Punktschweißprozesses. Die gemessenen elektrischen Strom- und Spannungssignale zwischen Elektroden eines Punktschweißsystems werden zuerst in digitale Daten gewandelt. Dann werden die beiden digitalen Daten verarbeitet, um ihre komplexen Formen über die Hilbert-Transformation zu erhalten, um daraus jeweils ihren imaginären Teil zu bilden. Schließlich wird die elektrische Impedanz Z¶in¶ erhalten, indem die komplexe Form der digitalen Spannung durch die komplexe Form des digitalen Stroms dividiert wird. Die elektrische Impedanz Z¶in¶ kann für den Vergleich mit historischen Daten herangezogen werden, um die Qualität der Punktschweißverbindungen zu diagnostizieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwa chung eines Punktschweißprozesses und insbesondere eine Diagnosevorrichtung und ein Diagnoseverfahren zur Überwachung der Qualität von Punktschweißungen bei der Metallblechverarbeitung in der Kraftfahrzeug-, Geräte-, Luft- und Raumfahrtindustrie usw.

2. Beschreibung der zugehörigen Technik

Widerstandspunktschweißen (resistance spot welding - RSW) ist ein Prozess, der sich den inhärenten Widerstand des Werkstücks gegen den elektrischen Stromfluss zunutze macht, um überlappende Metallbleche zu verbinden. RSW beinhaltet die Wechselwir kung von elektrischen, thermischen, mechanischen, metallurgischen und Oberflächen phänomenen. Es wird weitgehend bei der Verbindung von Metallblechen eingesetzt, wie die in der Kraftfahrzeug-, Geräte-, Luft- und Raumfahrtindustrie verwendeten, da es keine Zusatzmetalle erfordert und die Eigenschaften der verschweißten Metallbleche nur lokal beeinflusst.

Eine typische Folge beim RSW ist in Fig. 6 dargestellt. Wie in Fig. 6 gezeigt wird wäh rend der Anpresszeit eine obere Elektrode mit einem kontrollierbaren statischen Druck gegen die auf einer anderen unteren Elektrode, die von Arbeitern oder Vorrichtungen gehalten wird, aufliegenden Werkstücke gepresst. Während der Schweißzeit fließt dann ein voreingestellter elektrischer Strom durch die Elektroden und zwei überlappte Werkstücke und Schmelzen findet statt. Danach während der Haltezeit ist der Strom fluss abgeschaltet, jedoch wird der statische Druck durch die Elektroden aufrechterhal ten. Im Verlauf dieser Halteperiode kann sich der geschmolzene Schweißpunkt während des Erstarren konsolidieren. Der weiter ausgeübte Druck führt einen Schmiedeeffekt ein, der die mechanischen Eigenschaften verbessert. In der letzten Phase werden die Elektroden frei gegeben. Das System ist dann bereit für den nächsten Schweißzyklus.

Gemäß dem Stand der Technik besteht ein mehr akzeptiertes Verfahren der Qualitäts überwachung beim Punktschweißen in der Messung des sekundären elektrischen Wi derstands wie in Fig. 7 dargestellt. Der "dynamische elektrische Widerstand" wird er halten durch Dividieren des Spitzen- oder Effektivwertes jedes Halbzyklus der gemes senen Spannung durch den Spitzen- oder Effektivwert des gemessenen Stroms im ent sprechenden Halbzyklus. Da es nur zwei Datenpunkte pro Zyklus gibt und die in der Division verwendeten Spannungs- und Stromwerte nicht im selben Moment auftreten, stellt der resultierende Widerstandswerte nur eine Näherung an die Realität dar. Des Weiteren geht die Information bezüglich der Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom beim zum Stand der Technik gehörigen Verfahren vollständig verloren.

Es ist deshalb wünschenswert, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Ver fahren zur Qualitätsüberwachung des Punktschweißprozesses bereitzustellen, um die oben genannten Probleme zu mildern und/oder zu vermeiden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Überwachung der Qualität eines Punktschweißprozesses an Ort und Stelle, um die Schweißqualität der punktgeschweißten Verbindung unter nahezu Echtzeitbedingungen diagnostizieren zu können.

Um diese Aufgabe zu lösen, weist die Vorrichtung zur Überwachung der Qualität des Punktschweißprozesses, eines Punktschweißsystems hauptsächlich ein Strommessgerät, ein Spannungsmessgerät, mindestens einen Analog-/Digital-Wandler, eine Verarbei tungseinheit und eine Ausgabeeinheit auf.

Das Strommessgerät und das Spannungsmessgerät sind vorgesehen, um jeweils die elektrischen Strom- und Spannungssignale zwischen einem Elektrodenpaar des Punkt schweißsystems in jedem gewünschten Zeitintervall t zu messen. Die gemessenen Strom- und Spannungssignale werden dann von mindestens einem Analog-/Digital- Wandler in einen digitalen Strom i(t) und eine digitale Spannung v(t) gewandelt. Die Verarbeitungseinheit dient zur Berechnung einer elektrischen Impedanz (Z_in) zwischen den Elektroden des Punktschweißsystems gemäß der Gleichung:

wobei
V(t) = v(t) + jH(v(t)); und
I(t) = i(t) + jH(i(t)).

V(t) ist eine komplexe Form der digitalen Spannung v(t) mit einem imaginären Teil H(v(t)), der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung ergibt:

I(t) ist eine komplexe Form des digitalen Stroms i(t) mit einem imaginären Teil H(i(t)), der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung ergibt:

Die von der Verarbeitungseinheit berechnete elektrische Impedanz (Z_in) wird dann von der Ausgabeeinheit ausgegeben, bei der es sich um ein Anzeigegerät zur Anzeige der elektrischen Impedanz (Z_in) handeln kann.

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann wahlweise einen Datenanalysator und eine Speichereinheit aufweisen, so dass der Datenanalysator neu erhaltende elek trische Impedanzen (Z_in) mit in der Speichereinheit gespeicherten historischen Daten vergleichen kann. Die historischen Daten stehen in Zusammenhang mit einem von verschiedenen Qualitätsergebnisses eines Punktschweißprozesses, z. B. einer elektri schen Impedanz entsprechend einem einwandfrei geschweißten Punkt, einem schlecht geschweißten Punkt oder einer Verbindung, die mit Ausstoßung gebildet wurde usw. Die neu erhaltene Impedanz kann mit diesen historischen Daten verglichen werden und die Schlüsse aus den Vergleichen können dann von der Ausgabeeinheit oder einer An zeige der Vorrichtung angezeigt werden, um die Qualität der Schweißverbindung auf zuzeigen. Die Anzeige kann eine LED oder ein anderes Anzeigegerät sein, das auf leuchtet, wenn die elektrische Impedanz (Z_in) mit einem der historischen Datenwerte übereinstimmt.

Des Weiteren kann die Verarbeitungseinheit zur Diagnostizierung von Abweichungen, sofern solche erkannt werden, intelligenter gemacht werden. Kurven der elektrischen Impedanz, die aus Schweißprozessen unter verschiedenen guten und schlechten Ein stellungen der Schweißparameter gewonnen werden, werden automatisch in der Spei chereinheit für den späteren Vergleich gespeichert. Durch geeignete statistische oder neuronale Netzwerk-Verlaufserkennungsschemata kann der Verlauf einer neu erhalte nen elektrischen Impedanz erkannt werden. Die Ausgabeeinheit kann dann die Ergeb nisse der Diagnose anzeigen, d. h. den erkannten Verlauf der Impedanzkurve.

Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A und 2B sind Kurven des reellen und des imaginären Teils der mit der vorlie genden Erfindung von einem Schweißprozess erhaltenen elektrischen Impedanz; und

Fig. 3 ist eine andere Kurve des reellen Teils der mit der vorliegenden Erfindung von einem anderen Schweißprozess erhaltenen elektrischen Impedanz;

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist ein beispielhafter Kurvenverlauf des reellen Teils der elektrischen Impedanz, wenn die Schweißverbindung mit Ausstoßung gebildet wird;

Fig. 6 zeigt die Folge eines typischen Punktschweißprozesses (resistance spot welding - RWS); und

Fig. 7 zeigt die Phasendifferenz zwischen einem gemessenen Spannungs- und Strom signal, die bei einem zum Stand der Technik gehörigen Punktschweißprozess auftritt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, enthält ein Punktschweißsystem 80 z. B. eine Punkt schweißpistole eine Druckstange 83 und einen Aktuator 84 zur Betätigung der Druckstange 83. Dementsprechend wird dann elektrische Strom über ein Paar Elektro den 81, 82 in zwei Metallbleche 91, 92 eingeleitet, wobei die Elektrode 81 mit der Druckstange 83 verbunden ist. Die elektrischen Strom- und Spannungssignale zwischen den beiden Elektroden 81, 82 werden zuerst analog von einem Strommessgerät 21 bzw. einem Spannungsmessgerät 22 in jedem gewünschten Zeitintervall t gemessen.

Um weitere Informationen zu erhalten, werden die gemessenen analogen Signale dann von einem Strom-Analog-/Digital-Wandler 31 und einem Spannungs-Analog-/Digital- Wandler 32 in einen digitalen Strom i(t) und eine digitale Spannung v(t) gewandelt. Die digitale Spannung v(t) und der digitale Strom i(t) der vorliegenden Erfindung werden dann in der Verarbeitungseinheit 40 zu ihren komplexen Formen
I(t) = i(t) + jH(i(t)); und
V(t) = v(t) + jH(v(t))
verarbeitet, wobei die imaginären Teile H(i(t)) bzw. H(v(t)) die Hilbert-Transformation des digitalen Stroms i(t) und der digitalen Spannung v(t) repräsentieren und aus den folgenden Gleichungen erhalten werden:

Von den Hilbert-Transformationen des Stroms i(t) und der Spannung v(t) ist sehr genau bekannt, dass sie einen Phasenwinkel des Signals um -90° verschieben. Nach der Transformation in die komplexe Form wird die folgende Berechnung zur Bewertung der Eingangsimpedanz (Z_in) durch einen Datenprozessor 41 in der Verarbeitungseinheit 40 gemäß folgender Gleichung möglich:

Da der Nenner I(t) in seiner komplexen Form vorliegt, wird die berechnete Eingangs impedanz (Z_in) in jedem Zeitintervall t stets aussagekräftig sein. Es ist zu beachten, dass die Abtastrate immer höher eingestellt werden kann, um genauere Ergebnisse zu erzie len.

Um die mögliche Signalverzerrung durch höhere harmonische Komponenten zu verhin dern, können die Signale zuerst von einem Bandpassfilter, das in der Hauptbetriebsfre quenz zentriert ist gefiltert werden, um die höheren Harmonischen vor der Hilbert- Transformation zu eliminieren.

Der reelle Teil von Z_in repräsentiert die Änderungen des realen elektrischen Wider stands über der Zeit. Fig. 2A und 2B zeigen den reellen und den imaginären Teil der elektrischen Impedanz des Punktschweißsystems 80, das bei voreingestellten Bedin gungen mit einem Schweißdruck von 150 kpa, einem Schweißstrom von 4200 A und einer Schweißdauer von 0,4 s arbeitet. Beide Kurven der reellen und imaginären Teile der Impedanz können zur Beschreibung des Verhaltens des Schweißsystems herangezo gen werden. Zum Beispiel weist beim in Fig. 2A dargestellten reellen Teil der scharfe Abfall des Widerstands nach Beginn des Schweißens darauf hin, dass sich ein guter Kontakt zwischen den Metallblechen 91, 92 aufzubauen beginnt, nachdem die Metall bleche aufgrund der durch den Widerstand erzeugten Hitze erweichen. Im Moment der Senke sind die Metallbleche 91, 92 in einem deutlichen Ausmaß miteinander ver schweißt worden. Nach der Senke nimmt der Widerstand nahezu linear auf einen Spit zenwert zu, wenn die Schweißlinse allmählich ihre beste Form bildet. Nach diesem Spitzenwert fällt der Widerstand allmählich bis zum Ende des Punktschweißens ab, wo sich eine Vertiefung bildet. Fig. 3 zeigt eine andere Kurve des reellen Teils der elektri schen Impedanz, die sich mit einer anderen Schweißparametereinstellung bei einem Schweißdruck von 125 kpa, einem Schweißstrom von 6500 A und einer Schweißdauer von 0,4 s ergibt. Nach der Senke und dem Spitzenwert gemäß Fig. 3, weist der plötz liche Abfall des Widerstands darauf hin, dass Ausstoßung stattfindet.

Die berechnete elektrische Impedanz Z_in wird dann von einem Anzeigegerät 50 ange zeigt, das Zahlen oder Kurven der Impedanz wie in Fig. 2A, 2B oder 3 auf einer Katho denstrahlröhre anzeigt.

Außerdem können die berechneten Ergebnisse, entweder der reelle oder imaginäre Teil der elektrischen Impedanzen Z_in zur Überwachung der Qualität von Schweißverbindun gen herangezogen werden.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform, bei der der Daten prozessor 41 und ein Datenanalysator 42 in der Verarbeitungseinheit 40 enthalten sind und eine Anzeige 51 angeschlossen ist. Der Datenanalysator 42 kann entweder den reellen oder den imaginären Teil (oder beide) der berechneten Ergebnisse mit einer Menge historischer Daten vergleichen, die in einer Speichereinheit 60 gespeichert sind oder von einer Person importiert werden. Zum Beispiel können die Merkmale der histo rischen Impedanzdaten typischer Verbindungen mit guter Verbindungsfestigkeit, schlechter Verbindungsfestigkeit und Ausbildung mit Ausstoßung wie die Amplitude und die Zeit der Punkte A', B', C', D' von Fig. 5 im Voraus in der Speichereinheit 60 gespeichert werden. Nachdem ein neuer Verlauf der elektrischen Impedanzen Z_in eines Schweißprozesses mit dem vorliegenden Verfahren berechnet worden ist, vergleicht der Datenanalysator 42 die neu erhaltene Impedanz mit diesen in der Speichereinheit 60 gespeicherten Merkmalen, um über die Qualität der neuen Verbindung zu entscheiden. Die Anzeige 51, z. B. eine rote LED, zeigt an, welche der drei Verbindungen - gute Verbindungsfestigkeit, schlechte Verbindungsfestigkeit oder Verbindung mit Aussto ßung - gerade gebildet worden ist. Da Messung und Berechnung wenig Zeit beanspru chen, kann die Qualitätsanzeige vom Bedienungsmann herangezogen werden, um zu entscheiden, ob eine entsprechende Maßnahme vor der nächsten Punktschweißung zu treffen ist.

Alternativ kann der Datenanalysator 42 zur Diagnostizierung von Qualitätsproblemen der Schweißverbindungen, sofern solche erkannt werden, intelligenter gemacht werden. Kurven der elektrischen Impedanz, die aus Schweißprozessen unter verschiedenen guten und schlechten Einstellungen der Schweißparameter gewonnen werden, werden automatisch in der Speichereinheit 60 für den späteren Vergleich gespeichert. Durch geeignete statistische oder neuronale Netzwerk-Verlaufserkennungsschemata kann der Verlauf einer neu erhaltenen elektrischen Impedanz erkannt werden. Die Ausgabeein heit 50 kann dann die Ergebnisse der Diagnose anzeigen, d. h. den erkannten Verlauf der Impedanzkurve.

Da des Weiteren die zum Messen und Verarbeiten erforderliche Zeit kurz ist, können die aus der elektrischen Impedanz erhaltenen Informationen analysiert und als Eingang eines Steuergeräts verwendet werden, das die Schweißmaschine unter übergeordneten Gesichtspunkten zur Korrektur der Qualitätsprobleme automatisch steuern kann.

Außerdem können die für die Qualität der Schweißverbindungen relevanten Daten einer Schweißmaschine, die wie zuvor beschrieben erfasst worden ist, im Datenanalysator 42 zur Analyse gespeichert und analysiert werden, um statistische Informationen über Produktivität and Qualität der betreffenden Maschine zu liefern.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit ihrer bevorzugten Ausfüh rungsform beschrieben worden ist, versteht es sich, dass zahlreiche andere mögliche Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung wie im Folgenden beansprucht abzuwei chen.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses einer Punktschweißein richtung, wobei die Punktschweißeinrichtung ein Paar Elektroden enthält und die Vor richtung Folgendes aufweist:
ein Strommessgerät zum Messen des elektrischen Stroms zwischen den Elektroden;
ein Spannungsmessgerät zum Messen der elektrischen Spannung zwischen den Elektro den;
mindestens einen Analog-/Digital-Wandler zum Wandeln der gemessenen Strom- und Spannungssignale in einen digitalen Strom i(t) und eine digitale Spannung v(t);
eine Verarbeitungseinheit zum Berechnen einer elektrischen Impedanz (Z_in) zwischen den Elektroden der Punktschweißeinrichtung gemäß der Gleichung:
wobei
V(t) = v(t) + jH(v(t));
I(t) = i(t) + jH(i(t));
wobei V(t) eine komplexe Form der digitalen Spannung v(t) mit einem imaginären Teil H(v(t)) ist, der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung
ergibt, und wobei I(t) eine komplexe Form des digitalen Stroms i(t) mit einem imaginä ren Teil H(i(t)) ist, der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung
ergibt; und eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe der elektrischen Impedanz (Z_in) der Verar beitungseinheit.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren einen Datenanalysator und eine Speichereinrichtung aufweist, wobei der Datenanalysator zum Vergleich der elektri schen Impedanz (Z_in) mit in der Speichereinrichtung gespeicherten historischen Daten dient, wobei sich die historischen Daten auf verschiedene Qualitätsergebnisse eines Punktschweißprozesses beziehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die historischen Daten die elektrische Impe danz entsprechend einer mit Ausstoßung gebildeten Verbindung darstellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, die des Weiteren eine Anzeige zur Darstellung einer Vergleichsfolgerung, wenn die elektrische Impedanz (Z_in) mit den historischen Daten übereinstimmt, aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgabeeinheit ein Anzeigegerät zur Anzeige der die elektrischen Impedanz (Z_in) aufweist.

6. Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses einer Punktschweißein richtung, wobei die Punktschweißeinrichtung ein Paar Elektroden enthält und das Ver fahren folgende Schritte aufweist:

a) Messen des elektrischen Stromsignals und des Spannungssignals zwischen den Elektroden der Punktschweißeinrichtung und Wandeln derselben in einen digitalen Strom i(t) bzw. in eine digitale Spannung v(t);
b) Berechnen der elektrischen Impedanz (Z_in) zwischen den Elektroden der Punkt schweißeinrichtung nach der Gleichung:
wobei
V(t) = v(t) + jH(v(t));
I(t) = i(t) + jH(i(t));
wobei V(t) eine komplexe Form der digitalen Spannung v(t) mit einem imaginären Teil H(v(t)) ist, der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung
ergibt und wobei I(t) eine komplexe Form des digitalen Stroms i(t) mit einem imaginä ren Teil H(i(t)) ist, der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung
ergibt; und
c) Ausgeben der elektrischen Impedanz (Z_in).

7. Verfahren nach Anspruch 6, das des Weiteren nach Schritt (c) den Schritt (d) auf weist, in dem die elektrische Impedanz (Z_in) mit historischen Daten verglichen wird, wobei sich die historischen Daten auf verschiedene Qualitätsergebnisse eines Punkt schweißprozesses beziehen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die historischen Daten die elektrische Impe danz entsprechend einer mit Ausstoßung gebildeten Verbindung darstellen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, die des Weiteren nach Schritt (d) den Schritt (e) aufweist, in dem eine Vergleichsfolgerung dargestellt wird, wenn die elektrische Impe danz (Z_in) mit den historischen Daten übereinstimmt.