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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Hochgeschwindigkeitsantriebssystem
und -verfahren für
einen servo-gesteuerten Druckzylinder, der für eine Punktschweißpistole
oder dgl. eingesetzt wird.
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Die
Steuerung eines Kolbens einer Zylindervorrichtung mit Luftdämpfungsmechanismus
ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 2002-250307 beschreiben.
Hierbei sind zwei geöffnete/geschlossene
Magnetventile mit einer kopfseitigen Druckkammer bzw. einer stangenseitigen
Druckkammer, zwischen denen ein Kolben angeordnet ist, gekoppelt.
Ein Drosselventil und ein Schnellablassventil sind mit der stangenseitigen
Druckkammer verbunden und arbeiten auf der Basis der Drücke der kopfseitigen
Druckkammer und der stangenseitigen Druckkammer. Die Zylindervorrichtung
weist den Luftdämpfungsmechanismus
auf und die Ventile und der Kolben werden mit Hilfe von Druckluft
als Antriebsquelle auf der Basis von Druckinformationen betätigt. Daher
gibt es keinen elektrisch gesteuerten Bereich bis auf den Antrieb
des Magnetventiles, so dass es einfach ist, mit einem Betriebsunfall
oder dgl. zurecht zu kommen. Andererseits sind viele Ventile notwendig
und die Zahl der Teile nimmt zu.
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Als
eine Verbesserung gegenüber
dieser Zylindervorrichtung hat der vorliegende Erfinder ein System
zur Steuerung von Druckluft entwickelt, die einer kopfseitigen Druckkammer 101 und
einer stangenseitigen Druckkammer 102 zugeführt wird,
wobei ein Servoventil 100 an Stelle der beiden Magnetventile
verwendet wird (vgl. 5).
Bei dieser verbesserten Zylindervorrichtung dient das Servoventil 100 als Auswahlventil
beim Herausdrücken
des Kolbens 103 und erfüllt
eine Positionierungsfunktion beim Rückführen des Kolbens 103,
um den Kolben 103 an einer gewünschten Zwischenposition anzuhalten.
Außerdem
kann der Ventilöffnungsgrad
bei Verwendung des Servoventils 100 eingestellt werden,
so dass die Durchflussrate gesteuert werden kann. Daher kann der
Kolben 103 gleichmäßig zu einer
festgelegten Position bewegt werden.
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Bei
dieser verbesserten Zylindervorrichtung ist die Zahl der Teile jedoch
groß,
weil die Zylindervorrichtung einen Luftdämpfungsmechanismus aufweist
und ein Drosselventil 104 sowie ein Schnellablassventil 105 einsetzen
muss und weil eine Druckeinstelleinheit 106 für die Zufuhr
von Druckluft eines festgelegten Druckes zu dem Servoventil 100 benötigt wird.
Die Verwendung der beiden Magnetventile kann jedoch bei Verwendung
des Servoventils 100 entfallen. Obwohl verschiedene Zylindervorrichtungen
mit einfachem Aufbau unter Verwendung von Servoventilen entwickelt
wurden, befriedigen ihre Steuermechanismen nicht, so dass eine Hochgeschwindigkeits-
und gleichmäßige Steuerung
nicht erreicht werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der oben beschriebenen
Nachteile und die Schaffung eines Hochgeschwindigkeitsantriebsverfahrens
und -systems zur Steuerung einer Zylindervorrichtung mit einem Servoventil
bei hoher Geschwindigkeit und gleichmäßigem Betrieb, wobei ein Minimum
an Steuervorrichtungen erforderlich sein soll.
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Diese
Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale
der Ansprüche
1 und 6 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Mit
der Erfindung wird ein Hochgeschwindigkeitsantriebsverfahren mit
folgenden Schritten vorgeschlagen: Bewegen eines Kolbens zu einer
Zielposition durch Zufuhr und Abfuhr von Druckluft zu und von einer
kopfseitigen Druckkammer und einer stangenseitigen Druckkammer an
gegenüberliegenden Seiten
des Kolbens eines Druckzylinders über ein kopfseitiges Servoventil
und ein stangenseitiges Servoventil, die individuell mit den Druckkammern
verbunden sind; Klemmen, wobei ein Druckelement an einem vorderen
Ende einer mit dem Kolben gekoppelten Kolbenstange in Kontakt mit
einem Werkstück gebracht
wird; und Druckkraft aufbringen, wobei das Werkstück mit dem
Druckelement gepresst wird.
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In
dem Bewegungsschritt, bei dem erfasst wird, ob ein kopfseitiges
Ende oder ein stangenseitiges Ende des Druckzylinders der Zielposition
näher liegt,
wird der Druck der Druckkammer an der Seite des Endes, das von der
Zielposition weiter entfernt ist, so gesteuert, dass ein Druck der
Druckkammer durch das mit der Druckkammer verbundene Servoventil
auf einem eingestellten Wert gehalten wird, und die Position der
Druckkammer auf der Seite des Endes, die der Zielposition näher liegt,
wird so gesteuert, dass der Kolben an der Zielposition angehalten wird,
indem die Zufuhr und Abfuhr der Druckluft durch das mit der Druckkammer
verbundene Servoventil gesteuert wird.
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In
dem Klemmschritt wird die Steuerung zur sanften Berührung des
Werkstücks
durch das Druckelement, indem der Öffnungsgrad der Ablassöffnung des
stangenseitigen Servoventils konstant gehalten wird, ausgeführt, wenn
der Abstand zwischen dem Druckelement und dem Werkstück gleich
oder kleiner als ein festgelegter Abstand wird.
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In
dem Druckkraftaufbringungsschritt werden beide Servoventile so gesteuert,
dass der Druck der kopfseitigen Druckkammer um einen eingestellten
Wert höher
wird als der Druck der stangenseitigen Druckkammer.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird bei dem Druckkraftaufbringungsschritt
eine Ablassseite des stangenseitigen Servoventils vollständig geöffnet und gleichzeitig
das kopfseitige Servoventil so gesteuert, dass eine Druckdifferenz
zwischen den beiden Druckkammern gleich dem eingestellten Wert wird.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Druckkraftaufbringungsschritt
eine Luftzufuhrseite des kopfseitigen Servoventils vollständig geöffnet oder
in einen bestimmten Hochdruckausgangszustand gebracht und gleichzeitig
das stangenseitige Servoventil so gesteuert, dass eine Druckdifferenz
zwischen den beiden Druckkammern gleich dem eingestellten Wert wird.
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Erfindungsgemäß sind die
Kriterien, mit denen beurteilt wird, ob das Druckelement in Kontakt mit
dem Werkstück
getreten ist, die Frage, ob ein Innendruck der stangenseitigen Druckkammer
niedriger ist als ein Innendruck der kopfseitigen Druckkammer und
ob das Druckelement in einer ausreichend nahen Position zu dem Werkstück ist.
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Erfindungsgemäß umfassen
die Kriterien außerdem
die Frage, ob die Zeit, die seit dem Bewegungsbeginn des Kolbens
verstrichen ist, eine eingestellte Zeit überschreitet.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Antriebssystem vorgeschlagen
mit einem Druckzylinder zum unter Druck setzen eines Werkstücks mit
einem Druckelement an einem vorderen Ende einer Kolbenstange, einem
stangensei tigen Servoventil und einem kopfseitigen Servoventil,
die mit einer stangenseitigen Druckkammer bzw. einer kopfseitigen
Druckkammer an gegenüberliegenden
Seiten eines mit der Kolbenstange gekoppelten Kolbens verbunden
sind und die Druckluft zu und von den Druckkammern zuführen und
abführen,
Drucksensoren zum Erfassen der Drücke der beiden Druckkammern, einem
Positionssensor zur Erfassung einer Position des Kolbens, und einer
Steuerung zur Steuerung beider Servoventile auf der Basis von Ausgangswerten der
Drucksensoren und des Positionssensors.
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Die
Steuerung umfasst eine Bewegungssteuerfunktion zur Bewegung des
Kolbens zu einer Zielposition, eine Klemmsteuerfunktion, um das Druckelement
an dem vorderen Ende der Kolbenstange in Kontakt mit dem Werkstück zu bringen,
und eine Druckkraftaufbringungssteuerfunktion, um das Werkstück mit dem
Druckelement zu pressen. Bei der Bewegungssteuerung des Kolben,
bei welcher erfasst wird, ob das kopfseitige Ende oder das stangenseitige
Ende des Druckzylinders der Zielposition näher liegt, wird der Druckkammer
an der Seite des Endes, das weiter von der Zielposition entfernt
ist, so gesteuert, dass der Druck der Druckkammer durch das mit
der Druckkammer verbundene Servoventil auf einem eingestellten Wert
gehalten wird, und die Position der Druckkammer an einer Seite des
Endes, das der Zielposition näher
liegt, wird so gesteuert, dass der Kolben an der Zielposition angehalten
wird, indem die Zufuhr und Abfuhr der Druckluft über das mit der Druckkammer
verbundene Servoventil gesteuert wird. Bei der Klemmsteuerung wird
die Steuerung zur sanften Berührung
des Werkstücks
durch das Druckelement, indem ein Auslassöffnungsgrad des stangenseitigen
Servoventils konstant gehalten wird, ausgeführt, wenn ein Abstand zwischen
dem Druckelement und dem Werkstück
gleich oder kleiner als ein bestimmter Abstand wird. Bei der Druckkraftaufbringungssteuerung
werden beide Servoventile so gesteuert, dass der Druck der kopfseitigen Druckkammer
um einen eingestellten Wert höher wird
als der Druck der stangenseitigen Druckkammer.
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Erfindungsgemäß steuert
bei der Druckkraftaufbringungssteuerung die Steuerung das stangenseitige
Servoventil so, dass eine Auslassseite vollständig geöffnet ist, und gleichzeitig
das kopfseitige Servoventil so, dass eine Druckdifferenz zwischen den
beiden Druckkammern gleich dem eingestellten Wert wird.
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Bei
der Druckkraftaufbringungssteuerung steuert die Steuerung das kopfseitige
Servoventil so, dass eine Luftzufuhrseite vollständig geöffnet oder in einen bestimmten
Hochdruckausgabezustand gebracht wird, und gleichzeitig das stangenseitige
Servoventil so, dass eine Druckdifferenz zwischen den beiden Druckkammern
gleich dem eingestellten Wert wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung
näher erläutert. Dabei
bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale
für sich
oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein Schnitt durch
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein Blockdiagramm,
das den Aufbau der Ausführungsform
unter Verwendung von Symbolen verdeutlicht;
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3A bis 3C sind schematische Diagramme zum Erläutern eines
Betriebsbeispiels der Ausführungsform;
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4A und 4B sind Kurven experimenteller Beispiele,
die die Abweichungen der Innendrücke
der Druckkammern darstellen, wenn verschiedene Verfahren zur Steuerung
der Druckkräfte
verwendet werden; und
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5 ist ein Blockdiagramm,
das den Aufbau einer herkömmlichen
Zylindervorrichtung verdeutlicht.
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Bei
der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform wird die Erfindung
zur Steuerung einer Schweißpistole
eingesetzt.
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Ein
in den 1 und 2 dargestelltes Hochgeschwindigkeitsantriebssystem
umfasst einen Druckzylinder 10 für eine Schweißpistole,
ein kopfseitiges Servoventil 20, das zwischen einer kopfseitigen Druckkammer 11 des
Druckzylinders 10 und einer Druckluftquelle 24 angeschlossen
ist, um die Zufuhr und Abfuhr von Druckluft in bzw. aus der Druckkammer 11 zu
steuern, ein stangenseitiges Servoventil 21, das zwischen
einer stangenseitigen Druckkammer 12 und der Druckluftquelle 24 angeschlossen
ist, um die Zufuhr und Abfuhr von Druckluft in bzw. aus der Druckkammer 12 zu
steuern, und eine Steuerung 40 zur Ausgabe von Steuersignalen
an die Servoventile 20 und 21.
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Der
Druckzylinder 10 umfasst einen Zylindergrundkörper 13,
in dem eine kreisförmige
Zylinderkammer ausgebildet ist, einen gleitend innerhalb des Zylindergrundkörpers 13 angeordneten
Kolben 14 und eine mit dem Kolben 14 verbundene
Kolbenstange 15, sowie die kopfseitige Druckkammer 11 und
die stangenseitige Druckkammer 12 an gegenüberliegenden
Seiten des Kolbens 14. Ein Ende der Kolbenstange 15 tritt
luftdicht durch eine stangenseitige Abdeckung 13b des Zylindergrundkörpers 13, wobei
ein Dichtelement 13c zwischen der Stange 15 und
der Abdeckung 13b angeordnet ist und sich nach außen erstreckt.
An diesem sich nach außen
erstreckenden Endbereich ist ein Druckelement 15a angebracht,
das eines der Elektrodenelemente der Schweißpistole bildet.
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Die
kopfseitige Druckkammer 11 hat an einer Position nahe einem
Ende der Kammer 11, d.h. an der kopfseitigen Abdeckung 13a des
Zylindergrundkörpers 13 eine Öffnung 16,
ist über
die Öffnung 16 und
einen Fluiddurchgang 22 mit dem kopfseitigen Servoventil 20 verbunden
und ist außerdem
mit einem kopfseitigen Drucksensor 18 zur Erfassung des Druckes
in der Druckkammer 11 verbunden. Außerdem ist ein Fühler 31 eines
Positionssensors 30 zur Erfassung einer angetriebenen Position
des Kolbens 14 innerhalb der kopfseitigen Druckkammer 11 angeordnet
und erstreckt sich von der kopfseitigen Abdeckung 13a zu
dem Kolben 14 und ist in einen hohlen Bereich 15b der
Kolbenstange 15 eingesetzt. Der kopfseitige Drucksensor 18 und
der Positionssensor 30 sind jeweils mit der Steuerung 40 verbunden
und geben ihre detektierten Werte an die Steuerung 40 aus.
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Andererseits
ist die stangenseitige Druckkammer 12 über eine Öffnung 17, die in
der stangenseitigen Abdeckung 13b nahe einem Ende der Kammer 12 ausgebildet
ist, und über
einen Fluiddurchgang 23 in einem Rohrelement 23a,
das sich entlang einer Außenseite
des Zylindergrundkörpers 13 erstreckt,
mit dem stangenseitigen Servoventil 21 und außerdem mit
einem stangenseitigen Drucksensor 19 zur Erfassung des
Druckes in der Druckkammer 12 verbunden. Der stangenseitige
Drucksensor 19 ist mit der Steuerung 40 verbunden
und gibt die von ihm erfassten Werte an die Steuerung 40 aus.
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Das
kopfseitige Servoventil 20 umfasst einen Zufuhranschluss 25,
der mit der Druckluftquelle 24 verbunden ist, einen Auslassanschluss 26 und
einen Ausgangsanschluss 27, der mit dem Fluiddurchgang 22 verbunden
ist, und arbeitet entsprechend eines Ausgangssignals von der Steuerung 40,
um Durchgänge
zwischen den jeweiligen Anschlussöffnungen auszuwählen und
eine Durchflussfläche
zu steuern, um dadurch eine Durchflussrate zu steuern. Das stangenseitige
Servoventil 21 hat den gleichen Aufbau und die gleiche
Funktion wie das kopfseitige Servoventil 20 und ist mit
der stangenseitigen Druckkammer 12 verbunden. Daher sind
die entsprechenden Anschlussöffnungen
mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie die des kopfseitigen
Servoventils 20, so dass auf eine erneute Beschreibung
dieser Anschlussöffnungen
verzichtet wird. Die Servoventile 20 und 21 sind über ein
Befestigungselement 35 zusammen mit der Steuerung 40 direkt
an dem Druckzylinder 10 angebracht.
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In
der Steuerung 40 ist ein Mikroprozessor angebracht. Erfasste
Werte werden der Steuerung 40 von dem kopfseitigen Drucksensor 18,
dem stangenseitigen Drucksensor 19 und dem Positionssensor 30 eingegeben.
In dieser Steuerung sind eingestellte Werte zur Bestimmung eines
Betriebsmodus des Kolbens 14, einer Klemmposition, an der
das Elektrodenelement beim Schweißen in Kontakt mit einem Werkstück 50 tritt,
einer Zwischenstoppposition, an welcher das Elektrodenelement sich
von dem Werkstück 50 zurückzieht,
und dgl. gespeichert. Auf der Basis von Steuersignalen wie "Bewegen", "Anhalten am Zwischenpunkt", "Klemmen" und "Druckkraft aufbringen", die von einem Hauptcomputer (nicht
dargestellt) eingegeben werden, werden die erfassten Werte und die
eingestellten Werte in der Steuerung 40 verglichen und
Antriebssignale an das kopfseitige Servoventil 20 und das
stangenseitige Servoventil 21 ausgegeben, um dadurch einen
gewünschten
Betrieb des Druckzylinders 10 zu erreichen.
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Hierbei
bezieht sich das oben genannte Befehlssignal "Bewegen" auf eine Bewegung des Kolbens 14 zu
einer Zielposition, bspw. der Klemmposition und der Zwischenstoppposition, "Anhalten am Zwischenpunkt" bezieht sich auf
das Anhalten des Kolbens 14 in einer solchen Position,
dass das Elektrodenelement 15a an einer Position mit einem
bestimmten Abstand von dem Werkstück 50 anhält bevor
das Schweißen
beginnt, während
eines Schweißvorgangs
oder nachdem das Schweißen
beendet wurde, "Klemmen" bezieht sich auf
das Inkontakthalten des Elektrodenelements 15a mit dem
Werkstück 50 beim
Schweißen
und "Druckkraft
aufbringen" bezieht
sich auf das Pressen des Werkstücks 50 durch das
Elektrodenelement 15a mit einer bestimmten eingestellten
Druckkraft beim Schweißen.
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Nachfolgend
wird die Funktion der Steuerung und ein Verfahren zum Steuern der
Schweißpistole
durch die Steuerung erläutert.
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[1] Grundbetriebssteuerung
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In
einem Bewegungsprozess zum Bewegen des Kolben 14 zu der
Klemmposition oder der Zwischenstoppposition, die die Zielpositionen
sind, werden das kopfseitige Servoventil 20 und das stangenseitige
Servoventil 21 durch die Steuerung 40 gesteuert
und Druckluft wird zu und von der kopfseitigen Druckkammer 11 und
der stangenseitigen Druckkammer 12 zugeführt und
abgeführt,
um dadurch die Drucksteuerung und die Positionssteuerung durch die
Servoventile 20 und 21 durchzuführen. Die "Drucksteuerung" bezieht sich auf
die Steuerung zum Halten eines Innendruckes der Druckkammer auf
einem eingestellten Druck durch das Servoventil, und "Positionssteuerung" bezieht sich auf
die Steuerung zur Bewegung des Kolbens 14 zu der Zielposition
und dortigen Anhalten, indem das Ein- und Austreten der Druckluft
in die bzw. aus der Druckkammer durch das Servoventil gesteuert
wird.
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Damit
der Kolben 14 in diesem Bewegungsprozess die eingestellte
Zielposition Xr schnell erreicht, erfasst die Steuerung 40,
ob das kopfseitige Ende oder das stangenseitige Ende des Druckzylinders 10 der
Zielposition Xr näher
liegt. Die Druckkammer an der Seite des Endes, die der Zielposition
näher liegt,
wird durch das mit der Druckkammer verbundene Servoventil positionsgesteuert,
und die Druckkammer auf der Seite, die an dem weiter entfernten
Ende liegt, wird durch das mit der Druckkammer verbundene Servoventil
druckgesteuert. Mit anderen Worten entspricht dies im Wesentlichen
dem Durchführen
der Positionssteuerung für
die Druckkammer mit der kleineren Kapazität und der Durchführung der
Drucksteuerung für
die Druckkammer mit der größeren Kapazität, wenn
der Kolben 14 an der Zielposition Xr angekommen ist.
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Ob
das kopfseitige Ende oder das stangenseitige Ende des Druckzylinders 10 der
Zielposition Xr näher
liegt, kann erfasst werden, indem abgeschätzt wird, ob eine mittlere
Position L/2 einer axialen Länge
L des Druckzylinders 10 der Zielposition Xr auf der kopfseitigen
oder der stangenseitigen Seite liegt. Diese Abschätzung kann
erfolgen, indem der Abstand von einem Ende (bspw. dem kopfseitigen Ende)
des Druckzylinders 10 als einem Basispunkt zu der Zielposition
Xr mit L/2 verglichen wird (Xr > L/2 oder
Xr < L/2).
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Es
ist auch möglich,
die Drucksteuerung oder die Positionssteuerung nicht nur auf der
oben beschriebenen Basis, ob das kopfseitige Ende oder das stangenseitige
Ende der Zielposition Xr näher liegt,
einzusetzen sondern auch ausgehend davon, wie nahe die Zielposition
Xr dem Ende liegt, d.h. ob die Zielposition Xr ausreichend nahe
dem Ende ist (Xr >> L/2 oder Xr << L/2). Der Standard der Nähe unterscheidet
sich abhängig
von verschiedenen Bedingungen, ist jedoch normalerweise gleich oder
kleiner als L/8 von dem stangenseitigen Ende oder dem kopfseitigen
Ende. Liegt die Zielposition außerhalb dieses
Bereiches, kann das Servoventil auf einer beliebigen Seite druck-
oder positionsgesteuert werden.
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Ein
Grund zur Durchführung
der verschiedenen Steuerungen abhängig davon, ob das kopfseitige
Ende oder das stangenseitige Ende der Zielposition Xr näher liegt,
d.h. ein Grund zur Durchführung nicht
der Drucksteuerung sondern der Positionssteuerung der Druckkammer
mit kleinerer Kapazität,
liegt darin, dass eine Zeitkonstante des Ansprechens der Drucksteuerung
entsprechend der Kapazität
variiert, wenn sich der Kolben 14 bewegt, und dass die
Kapazität
der Druckkammer variiert. Insbesondere, wenn sich die Kapazität reduziert,
wird die Zeitkonstante extrem klein und die Druckkammer wird durch
die Drucksteuerung stärker
beeinflusst, wodurch eine Oszillation in dem Drucksteuersystem bewirkt
werden kann.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung ist das kopfseitige Ende, an dem
der Kolben 14 positioniert ist, an einer Position einer
minimalen (Null-) Kolbenverschiebung, während das stangenseitige Ende,
an welcher der Kolben 14 positioniert ist, an einer Position
der maximalen Kolbenverschiebung liegt.
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[1-1] Steuerverfahren,
wenn die Zielposition Xr dem stangenseitigen Ende näher liegt
(Xr > L/2 oder Xr >> L/2).
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Dieses
Steuerverfahren wird normalerweise dann angewandt, wenn der Kolben 14 zu
der Klemmposition angetrieben wird. In Reaktion auf die Signale von
der Steuerung 40 steuert das kopfseitige Servoventil 20 den
Druck des Druckzylinders 10 so, dass der Innendruck der
kopfseitigen Druckkammer 11 einen bestimmten Druck erreicht,
der erforderlich ist, um den Kolben anzutreiben. Das stangenseitige
Servoventil 21 steuert die Position des Druckzylinders 10 so,
dass der Kolben 14 an der Zielposition Xr anhält.
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Um
es genauer zu sagen, werden in der Steuerung 40 ein eingestellter
Druckwert der kopfseitigen Druckkammer 11 und ein gemessener
Druck, der von dem kopfseitigen Drucksensor 18 eingegeben
wird, miteinander verglichen und ein Steuersignal an das kopfseitige
Servoventil 20 gegeben, so dass der Unterschied zwischen
dem Drücken
gleich Null wird. Dann werden in diesem kopfseitigen Servoventil 20 die
Durchflussdurchgänge
auf der Basis des Steuersignals geöffnet oder geschlossen, und
die Druckluft wird zu oder von der kopfseitigen Druckkammer 11 zugeführt oder
abgeführt,
um dadurch die Drucksteuerung durchzuführen und den Innendruck der
kopfseitigen Druckkammer 11 auf dem eingestellten Druck
zu halten. Gleichzeitig werden in der Steuerung 40 die
Zielposition Xr des Kolbens 14 und eine gemessene Position,
die von dem Positionssensor 30 eingegeben wird, miteinander
verglichen und ein Steuersignal an das stangenseitige Servoventil 21 ausgegeben,
so dass eine Differenz zwischen den Positionen gleich Null wird.
Dann werden in dem stangenseitigen Servoventil 21 die Durchflussdurchgänge auf
der Basis des Steuersignals geöffnet
und geschlossen, und die Druckluft wird zu oder von der stangenseitigen
Druckkammer 12 zugeführt
oder abgeführt,
um dadurch die Positionssteuerung durchzuführen und den Kolben 14 an
der Zielposition Xr anzuhalten.
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[1-2] Steuerverfahren,
wenn die Zielposition Xr nahe dem kopfseitigen Ende liegt (Xr < L/2 oder Xr << L/2).
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Dieses
Steuerverfahren wird im Wesentlichen dann eingesetzt, wenn der an
der Klemmposition angeordnete Kolben 14 zu einer Zwischenstopposition
zurückgeführt wird.
Bei diesem Verfahren führen
die Steuerung 40, das kopfseitige Servoventil 20 und
das stangenseitige Servoventil 21 im Wesentlichen die gleichen
Steuerfunktionen wie in dem oben unter [1-1] durchgeführten Fall,
wobei ihre Beziehungen jedoch umgekehrt sind. Mit anderen Worten
erfüllt
das stangenseitige Servoventil 21 die Drucksteuerung, um
den Druck der stangenseitigen Druckkammer 12 auf einem
eingestellten Druck zu halten, während
das kopfseitige Servoventil 20 die Positionssteuerung erfüllt, indem
die Druckluft der kopfseitigen Druckkammer 11 so gesteuert
wird, dass der Kolben 14 an der Zielposition Xr anhält. In diesem
Fall kann die Luftzufuhrseite des stangenseitigen Servoventils 21 vollständig geöffnet sein.
Auf diese Weise kann das "Anhalten
am Zwischenpunkt" stabil
und in kurzer Zeit erreicht werden.
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[2] Erreichen einer sanften
Berührung
während
des "Klemmen"-Betriebes
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Beim
Punktschweißen
unter Verwendung der Schweißpistole
wird das Elektrodenelement 15a an einer Position, an der
es von dem Werkstück 50 beabstandet
ist, zunächst
durch die [1-1]-Steuerung mit hoher Geschwindigkeit zu einer Position
nahe dem Werkstück 50 bewegt
und berührt
dann das Werkstück 50 sanft,
um keinen Stoß zu
erzeugen. Hier wird nun die Abfolge beim "Klemmen" erläutert.
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Auf
der Basis des Befehls von dem Hauptcomputer an die Steuerung 40 wird
der Kolben 14 durch die [1-1]-Steuerung angetrieben und
das Elektrodenelement 15a von der Zwischenstopposition oder
dgl. mit einem Abstand von dem Werkstück 50 zu der Zielposition
Xc beim Klemmen bewegt. Inzwischen werden in der Steuerung 40 ein
Positionssignal (X), das von dem Positionssensor 30 gegeben wird,
und die Zielposition Xc verglichen. Wenn der Kolben 14 zu
einer solchen Position bewegt wurde, dass eine Differenz zwischen
den Positionen gleich oder kleiner als ein bestimmter Wert δ (Xc – X ≤ δ) wird, gibt
die Steuerung 40 ein Steuersignal an das Servoventil 21,
um einen Auslassöffnungsgrad
des stangenseitigen Servoventils 21 auf einem kleinen konstanten
Wert zu halten. Als Folge hiervon lässt das Servoventil 21 allmählich die
Druckluft aus der stangenseitigen Druckkammer 12 ab. Auf
diese Weise wird der Kolben 14 abgebremst, so dass das
Elektrodenelement 15a das Werkstück 50 sanft berührt.
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Einer
der Gründe,
warum der Auslassöffnungsgrad
des stangenseitigen Servoventils 21 konstant gehalten wird,
wenn der Unterschied zwischen der Kolbenposition X und der Zielposition
Xc gleich oder kleiner als der bestimmte Wert δ wird, liegt darin, dass das
Elektrodenelement 15a aufgrund der Positionssteuerung durch
die beiden Servoventile 20 und 21 in manchen Fällen vor
dem Werkstück 50 anhalten
kann. Ein weiterer Grund ist der, dass die Frage, ob das Elektrodenelement 15a das
Werkstück 50 berührt hat,
auf der Basis einer Inver sion des Druckes Ph der kopfseitigen Druckkammer 11 und
des Druckes Pr der stangenseitigen Druckkammer 12 abgeschätzt wird
(Ph > Pr), und es
einige Zeit dauern kann, um diese Inversion zu erreichen, oder die
Inversion kann gar nicht auftreten, wenn der obige Auslassöffnungsgrad
nicht gewährleistet
wird.
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[3] Erreichen des "Aufbringen der Druckkraft"
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Beim
Punktschweißen
mit der Schweißpistole
werden das Elektrodenelement 15a und das Werkstück 50 unter
Druck gesetzt und mit Energie versorgt, um das Punktschweißen durchzuführen. Nachfolgend
wird die Abfolge des "Aufbringen
der Druckkraft" zum
Erreichen dieses unter Druck stehenden Zustandes erläutert.
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Es
gibt wenigstens die beiden nachfolgenden Verfahren zum Durchführen des "Aufbringens der Druckkraft" in einem Zustand,
in dem das Elektrodenelement 15a und das Werkstück 50 durch
das oben beschriebene "Klemmen" in Kontakt miteinander
gehalten werden, und bei einem Befehl des Hauptcomputers, der den
Klemmzustand erkannt hat, oder durch die Steuerung der Steuerung 40 selbst.
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[3-1] Steuerverfahren
mit Schwerpunkt auf dem kopfseitigen Servoventil
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Ein
Steuersignal zum vollständigen Öffnen des
Auslassanschlusses 26 des stangenseitigen Servoventils 21 wird
von der Steuerung 40 an das Servoventil 21 gegeben.
Gleichzeitig wird eine Druckdifferenz (Ph – Pr) zwischen dem Druck Ph
der kopfseitigen Druckkammer 11 und dem Druck Pr der stangenseitigen
Druckkammer 12 auf der Basis von gemessenen Drücken von
den kopfseitigen und stangenseitigen Drucksensoren 18 und 19 erhalten
und mit einem eingestellten Wert Pb, der vorab eingestellt wurde,
verglichen, und der Output von dem kopfseitigen Servoventil 20 wird
so gesteuert, dass die Druckdifferenz gleich dem eingestellten Wert
Pb wird. Wenn der Auslassanschluss 26 vollständig geöffnet ist,
wird die stangenseitige Druckkammer 12 in einen drucklosen
Zustand gebracht und das kopfseitige Servoventil 20 führt eine
erforderliche Menge an Druckluft zu oder von der kopfseitigen Druckkammer 11 zu
oder ab, um dadurch den eingestellten Wert Pb zu erhalten.
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[3-2] Steuerverfahren
mit Schwerpunkt auf dem stangenseitigen Servoventil
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Ein
Steuersignal zum vollständigen Öffnen des
Luftzufuhranschlusses 27 des kopfseitigen Servoventils 20 wird
von der Steuerung 40 an das Servoventil 20 gegeben.
Gleichzeitig wird die Druckdifferenz (Ph – Pr) zwischen dem Druck Ph
der kopfseitigen Druckkammer 11 und dem Druck Pr der stangenseitigen
Druckkammer 12 auf der Basis der gemessenen Drücke von
den kopfseitigen und stangenseitigen Drucksensoren 18 und 19 erhalten
und mit dem vorab eingestellten Wert Pb verglichen, und der Output
von dem stangenseitigen Servoventil 21 wird so gesteuert,
dass die Druckdifferenz gleich dem eingestellten Wert Pb wird. Wenn
der Luftzufuhranschluss 27 vollständig geöffnet ist, wird der Druck der
kopfseitigen Druckkammer 11 konstant und das stangenseitige
Servoventil 21 führt
eine erforderliche Menge an Druckluft zu oder von der stangenseitigen
Druckkammer 12 zu oder ab, um dadurch den eingestellten Wert
Pb zu erhalten.
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Obwohl
der Luftzufuhranschluss 27 des kopfseitigen Servoventils 20 bei
der oben beschriebenen Steuerung vollständig geöffnet ist, ist es auch möglich, einen
bestimmten Hochdruck-Outputzustand einzustellen.
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Ob
das Elektrodenelement 15a das Werkstück 50 berührt hat,
kann durch die Steuerung 40 abgeschätzt werden, wenigstens auf
der Basis der Druckbeziehungen, wobei der Druck Ph der kopfseitigen
Druckkammer 11 und der Druck Pr der stangenseitigen Druckkammer 12 zeitweise
invertiert (Ph < Pr)
und dann endgültig
erneut invertiert werden (Ph > Pr).
Es wird jedoch bevorzugt, die Abschätzung auf der Basis vorzunehmen,
ob das Elektrodenelement 15a in einer Position ausreichend
nahe (bspw. mit einem Abstand von 1 mm oder weniger) an dem Werkstück 50 ist,
und zusätzlich,
ob der Druck Pr niedriger ist als der Druck Ph, wie oben beschrieben
wurde. Weiter bevorzugt wird als ein Einschätzungskriterium zusätzlich überprüft, ob eine
bestimmte Zeit (bspw. 70 ms) vergangen ist, seit der "Klemmen"-Befehl ausgesandt
wurde, indem ein in der Steuerung 40 vorgesehener Timer
verwendet wird.
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Beim
Durchführen
der Antriebssteuerung des Druckzylinders für die Schweißpistole
unter Verwendung der oben beschriebenen Steuerung 40 wird ein
Befehl zum Beginn des Klemmvorgangs zunächst von dem Hauptcomputer
an die Steuerung 40 in einem Zustand ausgegeben, in dem
der Kolben 14 an einer Ursprungsposition gehalten wird.
Auf der Basis dieses Befehls führt
die Steuerung 40 die Zufuhr oder Abfuhr der Druckluft zu
oder von der kopfseitigen Druckkammer 11 und der stangenseitigen Druckkammer 12 durch
die oben unter [1-1] beschriebene Steuerung durch, und der Kolben 14 bewegt sich
zu der Zielposition Xr und hält
an einer solchen Position an, dass das Elektrodenelement 15a nahe dem
Werkstück 50 liegt.
Durch die oben beschriebene Steuerung [2] kann dann das
Elektrodenelement 15a das Werkstück 50 sanft berühren. Dann
wird durch das oben unter [3-1] oder [3-2] beschriebene Verfahren
die Druckkraft auf das Werkstück
aufgebracht, um das Werkstück
zu schweißen.
Dann wird der Kolben durch das oben unter [1-2] beschriebene Steuerverfahren
zu der Zwischenstopposition zurückgeführt, das
Schweißen
entsprechend Befehlen von dem Hauptcomputer wiederholt und das Elektrodenelement 15a schließlich zu
der Ursprungsposition zurückgeführt.
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3 dient der Erläuterung
einer eingestellten Kurve des Öffnungsgrades
des stangenseitigen Servoventils 21, einer Kolbenverschiebung
und Druckveränderungen
der kopfseitigen Druckkammer 11 und der stangenseitigen
Druckkam mer 12 in einem Betriebsprozess der Schweißpistole,
wenn das Aufbringen der Druckkraft durch die oben unter [3-1] beschriebene
Steuerung durchgeführt
wird. Auf dieser Basis wird das Steuerverfahren der Schweißpistole
nachfolgend im Einzelnen erläutert.
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Die
Betriebskurven sind auf der Basis eines Zylinderhubes von 150 mm,
eines Schweißhubes von
55 mm, eines nicht genutzten Stangenendhubes von 50 mm, einer eingestellten
Druckkraft von 0,4 MPa. und eines Zufuhrdruckes von 6 MPa. erstellt. Weil
die Zielposition des Kolbens 14 zum Schweißen an einer
Stangenseite an einer Position der Hälfte einer Zylinderlänge liegt,
steuert die Steuerung 40, wie in 3A gezeigt, das kopfseitige Servoventil 20 so, dass
der Druck der kopfseitigen Druckkammer 11 konstant wird,
während
die stangenseitige Druckkammer 12 durch das stangenseitige
Servoventil 21 so positionsgesteuert wird, dass sich der
Kolben 14 bei dem Klemmvorgang zu der Zielposition Xr bewegt.
In diesem Bewegungsprozess bewegt sich der Kolben 14 mit
im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit zu der Zielposition (vgl. 3B), wobei die Innendrücke der
kopfseitigen und der stangenseitigen Druckkammern normalerweise
in komplizierter Weise schwanken (vgl. 3C). Dann wird die obige Steuerung weitergeführt bis
ein Abstand zwischen dem Druckelement und dem Werkstück 50 gleich oder
kleiner als ein bestimmter infinitesimaler Wert δ (hier δ = 2 mm) wird. Wenn der Positionssensor 30 feststellt,
dass der Abstand in diesem Bereich liegt, wird der Auslassöffnungsgrad
des stangenseitigen Servoventils 21 auf einen minimalen Öffnungsgrad eingestellt
(vgl. 3A), um dadurch
den Kolben 14 abzubremsen, wie aus 3B ersichtlich, um dem Elektrodenelement 15a die
sanfte Berührung
des Werkstücks 50 zu
erlauben und um das Klemmen zu vervollständigen. Bis hierher ist eine
Zeitspanne von etwa 0,1 s vergangen.
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Die
Vervollständigung
des Klemmvorgangs wird erfasst, indem auf der Basis von Ausgangssignalen
der Drucksensoren 18 und 19 erkannt wird, dass
eine Beziehung zwischen den Drücken
Ph und Pr = Ph > Pr
ist, und dass durch den Positionssensor 30 festgestellt
wird, dass das Elektrodenelement 15a ausreichend nahe bei
dem Werkstück 50 liegt.
Nachdem dies erkannt ist, wird durch das Elektrodenelement 15a die
Presskraft aufgebracht.
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Bei
diesem Druckkraftaufbringungsvorgang wird zunächst die Auslassseite des stangenseitigen Servoventils
vollständig
geöffnet.
Als Folge hiervon reduziert sich der Druck Pr der stangenseitigen Druckkammer 12 rapide
und konvergiert zu 0 MPa (vgl. 3C).
Gleichzeitig wird das kopfseitige Servoventil 20 auf der
Basis der Ausgangssignale von den kopfseitigen und stangenseitigen
Drucksensoren 18 und 19 so gesteuert, dass eine
Druckdifferenz zwischen den kopfseitigen und stangenseitigen Druckkammern 11 und 12 =
0,4 MPa wird, was ein eingestellter Wert (Pb) der Druckkraft ist.
Wie in 3C gezeigt ist,
wird als Folge hiervon die Drucksteuerung so ausgeführt, dass
die Druckdifferenz auf einem konstanten Wert gehalten wird. Während dieser
Zustand beibehalten wird, wird das Punktschweißen durchgeführt. Dann
wird der Kolben 14 zu der Zwischenstoppposition zurückgeführt. Da
die Kolbenantriebszielposition, die der Zwischenstoppposition entspricht,
in diesem Fall der Kopfseite näher
liegt als die mittlere Position des Zylinders, wird die stangenseitige
Druckkammer 12 durch das stangenseitige Servoventil 21 druckgesteuert
(hier ist die Luftzufuhrseite vollständig geöffnet), und das kopfseitige Servoventil 20 führt gleichzeitig
die Positionssteuerung durch, um den Kolben 14 zu der Zwischenstoppposition
zurückzuführen.
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4 zeigt Versuchsbeispiele ähnlich den Druckkurven
in 3C. Genauer gesagt,
zeigt 4 Veränderungen
des Druckes Ph der kopfseitigen Druckkammer 11 und des
Druckes Pr der stangenseitigen Druckkammer 12 über der
Zeit, wenn die Steuerung unter Verwendung des Druckzylinders durchgeführt wird.
Während 4A eine Kurve bei Verwendung
des oben unter [3-1] beschriebenen Steuerverfahrens (Druckkraftsteuerung
auf der Kopfseite) ist, zeigt 4B die
Kurve bei der Verwendung des oben unter [3-2] beschriebenen Steuerverfahrens
(Druckkraftsteuerung auf der Stangenseite). Die Druckkraft kann
beim Punktschweißen
in manchen Fällen
während
des Schweißvorgangs
geändert
werden. In beiden Fällen
in 4A und 4B wird die Druckkraft geändert.
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Mit
Bezug auf die 4A und 4B werden nachfolgend Vorteile
und Nachteile der Steuerverfahren [3-1] und [3-2] beim "Aufbringen der Druckkraft" erläutert.
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In 4A wird beim "Aufbringen der Druckkraft" die Druckkraft geändert. Diese Änderung
ist eine Erhöhung
des Druckes Ph der kopfseitigen Druckkammer 11 um 0,1 MPa.
Eine zu dieser Zeit erforderliche Reaktionszeit beträgt 45 ms.
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In ähnlicher
Weise wird die Druckkraft in 4B geändert. Diese Änderungen
werden durch Erhöhen
und Verringern des Druckes Pr der stangenseitigen Druckkammer 12 um
0,1 MPa erreicht. Die erforderliche Reaktionszeit entsprechend den
oben in 4A beschriebenen
45 ms beträgt
hier 22 ms.
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Wird
die Druckkraft in beiden Fällen
geändert,
ist mit anderen Worten die Reaktionszeit in 4B, bei der die stangenseitige Druckkammer 12 mit
der geringeren Druckkammerkapazität druckgesteuert wird, wesentlich
kleiner. Dieser Fall erfordert jedoch ein Ventil mit schnellerer
Ansprechzeit und höherer
Leistung als das Steuerverfahren gemäß [3-1].
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Obwohl
die Steuersignale bei dem oben beschriebenen "Anhalten am Zwischenpunkt" und "Aufbringen der Druckkraft" nicht im Einzelnen
beschrieben wurden, ist der Zugewinn der Drucksteuerung beim "Anhalten am Zwischenpunkt" vorzugsweise geringer
als der Zugewinn der Drucksteuerung beim "Aufbringen der Druckkraft". Wenn beide Zugewinne gleich
sind, kann der Kolben bei seinem Haltevorgang beim "Anhalten am Zwischenpunkt" vibrieren.
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Mit
dem oben beschrieben Hochgeschwindigkeitsantriebsverfahren und -system
kann der Druckzylinder bei einfachem Aufbau mit hoher Geschwindigkeit
gleichmäßig gesteuert
werden.