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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung 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.
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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 Wechselwirkung von elektrischen, thermischen, mechanischen,
metallurgischen und Oberflächenphänomenen.
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.
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Eine typische Folge beim RSW ist
in 6 dargestellt. Wie
in 6 gezeigt wird während 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 Stromfluss
abgeschaltet, jedoch wird der statische Druck durch die Elektroden
aufrechterhalten. 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.
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Aus der
DE 37 10 727 A1 ist bekannt,
dass zur Regelung beim Widerstandsschweißen der Schweißstrom und
die Elektrodenspannung gemessen werden, daraus der Widerstand der
Schweißstelle
ermittelt und mit gespeicherten Referenzwerten verglichen wird.
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Eine Regelung für das Widerstandsschweißen ist
auch aus der
DE 689
09 127 T2 bekannt.
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Aus der
DE 196 13 732 geht ein Verfahren zum
Erzeugen eines einer elektrischen Blindleistung proportionalen Messsignals
hervor, bei dem spannungsbezogene Digitalwerte einem Hilbert-Transformator
zugeführt
werden.
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Gemäß dem Stand der Technik besteht
ein mehr akzeptiertes Verfahren der Qualitätsüberwachung beim Punktschweißen in der
Messung des sekundären
elektrischen Widerstands wie in 7 dargestellt.
Der „dynamische
elektrische Widerstand" wird
erhalten durch Dividieren des Spitzen- oder Effektivwertes jedes
Halbzyklus der gemessenen Spannung durch den Spitzen- oder Effektivwert
des gemessenen Stroms im entsprechenden 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.
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Es ist deshalb wünschenswert, eine verbesserte
Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Qualitätsüberwachung
des Punktschweißprozesses bereitzustellen,
um die oben genannten Probleme zu mildern und/oder zu vermeiden.
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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.
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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 Verarbeitungseinheit
und eine Ausgabeeinheit auf.
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Das Strommessgerät und das Spannungsmessgerät sind vorgesehen,
um jeweils die elektrischen Strom- und Spannungssignale zwischen
einem Elektrodenpaar des Punktschweißsystems 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:
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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:
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Die von der Verarbeitungseinheit
berechnete elektrische Impedanz (Zin) wird
dann von der Ausgabeeinheit ausgegeben, bei der es sich um ein Anzeigegerät zur Anzeige
der elektrischen Impedanz (Zin) handeln
kann.
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Die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann wahlweise einen Datenanalysator und eine Speichereinheit
aufweisen, so dass der Datenanalysator neu erhaltende elektrische
Impedanzen (Zin) 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 elektrischen 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 Anzeige der Vorrichtung angezeigt
werden, um die Qualität
der Schweißverbindung
aufzuzeigen. Die Anzeige kann eine LED oder ein anderes Anzeigegerät sein,
das aufleuchtet, wenn die elektrische Impedanz (Zin)
mit einem der historischen Datenwerte übereinstimmt.
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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 Einstellungen der Schweißparameter
gewonnen werden, werden automatisch in der Speichereinheit für den späteren Vergleich
gespeichert. Durch geeignete statistische oder neuronale Netzwerk-Verlaufserkennungsschemata
kann der Verlauf einer neu erhaltenen elektrischen Impedanz erkannt
werden. Die Ausgabeeinheit kann dann die Ergebnisse der Diagnose
anzeigen, d.h. den erkannten Verlauf der Impedanzkurve.
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Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale
der Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2A und 2B sind Kurven des reellen
und des imaginären
Teils der mit der vorliegenden Erfindung von einem Schweißprozess
erhaltenen elektrischen Impedanz; und
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3 ist
eine andere Kurve des reellen Teils der mit der vorliegenden Erfindung
von einem anderen Schweißprozess
erhaltenen elektrischen Impedanz;
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4 zeigt
ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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5 ist
ein beispielhafter Kurvenverlauf des reellen Teils der elektrischen
Impedanz, wenn die Schweißverbindung
mit Ausstoßung
gebildet wird;
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6 zeigt
die Folge eines typischen Punktschweißprozesses (resistance spot
welding – RWS); und
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7 zeigt
die Phasendifferenz zwischen einem gemessenen Spannungs- und Stromsignal,
die bei einem zum Stand der Technik gehörigen Punktschweißprozess
auftritt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie aus 1 zu ersehen ist, enthält ein Punktschweißsystem 80 z.B.
eine Punktschweißpistole
eine Druckstange 83 und einen Aktuator 84 zur Betätigung der
Druckstange 83. Dementsprechend wird dann elektrische Strom über ein
Paar Elektroden 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.
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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:
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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:
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Da der Nenner I(t) in seiner komplexen
Form vorliegt, wird die berechnete Eingangsimpedanz (Zin) in
jedem Zeitintervall t stets aussagekräftig sein. Es ist zu beachten,
dass die Abtastrate immer höher
eingestellt werden kann, um genauere Ergebnisse zu erzielen.
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Um die mögliche Signalverzerrung durch
höhere
harmonische Komponenten zu verhindern, können die Signale zuerst von
einem Bandpassfilter, das in der Hauptbetriebsfrequenz zentriert
ist gefiltert werden, um die höheren
Harmonischen vor der Hilbert-Transformation zu eliminieren.
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Der reelle Teil von Zin repräsentiert
die Änderungen
des realen elektrischen Widerstands über der Zeit. 2A und 2B zeigen
den reellen und den imaginären
Teil der elektrischen Impedanz des Punktschweißsystems 80, das bei
voreingestellten Bedingungen 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 herangezogen werden.
Zum Beispiel weist beim in 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 Metallbleche aufgrund der durch den Widerstand
erzeugten Hitze erweichen. Im Moment der Senke sind die Metallbleche 91, 92 in
einem deutlichen Ausmaß miteinander
verschweißt
worden. Nach der Senke nimmt der Widerstand nahezu linear auf einen
Spitzenwert 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. 3 zeigt
eine andere Kurve des reellen Teils der elektrischen 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 3 , weist der plötzliche
Abfall des Widerstands darauf hin, dass Ausstoßung stattfindet.
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Die berechnete elektrische Impedanz
Zin wird dann von einem Anzeigegerät 50 angezeigt,
das Zahlen oder Kurven der Impedanz wie in 2A, 2B oder 3 auf einer Kathodenstrahlröhre anzeigt.
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Außerdem können die berechneten Ergebnisse,
entweder der reelle oder imaginäre
Teil der elektrischen Impedanzen Zin zur Überwachung
der Qualität
von Schweißverbindungen
herangezogen werden.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform, bei der der Datenprozessor 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 historischen
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 5 im Voraus in der Speichereinheit 60 gespeichert
werden. Nachdem ein neuer Verlauf der elektrischen Impedanzen Zin 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 Ausstoßung gerade
gebildet worden ist. Da Messung und Berechnung wenig Zeit beanspruchen,
kann die Qualitätsanzeige
vom Bedienungsmann herangezogen werden, um zu entscheiden, ob eine
entsprechende Maßnahme
vor der nächsten
Punktschweißung
zu treffen ist.
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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 Ausgabeeinheit 50 kann dann die Ergebnisse
der Diagnose anzeigen, d.h. den erkannten Verlauf der Impedanzkurve.
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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.
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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.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
in Zusammenhang mit ihrer bevorzugten Ausführungsform 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 abzuweichen.
wobei 
ergibt, und wobei I(t) eine komplexe Form des digitalen Stroms i(t) mit einem imaginären Teil H(i(t)) ist, der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung 
ergibt; und eine Ausgabeeinheit (50) zur Ausgabe der elektrischen...
ergibt, und wobei I(t) eine komplexe Form des digitalen Stroms i(t) mit einem imaginären Teil H(i(t)) ist, der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung
ergibt; und eine Ausgabeeinheit (
ergibt und wobei I(t) eine komplexe Form des digitalen Stroms i(t) mit einem imaginären Teil H(i(t)) ist, der sich aus der Hilbert-Transformationsgleichung
ergibt; und (c) Ausgeben der elektrischen Impedanz (Zin).