DE102004020438A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Elektrodenkraft bei einem Widerstandsschweißverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Elektrodenkraft bei einem Widerstandsschweißverfahren, wobei Elektroden (2a, 2b) einer Schweißzange (1) von einer Antriebsvorrichtung (10) an ein zu schweißendes Werkstück (12) herangeführt werden. Die Elektrodenkraft wird aus einer mit der Bewegung der Elektroden (2a, 2b) korrelierten Antriebsbewegung der Antriebsvorrichtung (10) abgeleitet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Elektrodenkraft bei einem Widerstandsschweißverfahren nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
• Speziell beim Einsatz im Automobilbau wird beim Widerstandspressschweißen der Schweißkopf überwiegend von einem Industrieroboter zur Schweißstelle am Werkstück geführt. Im Schweißkopf sind fest angekoppelte Wechsel- sowie stationäre Schweißzangen im Einsatz. Durch eine Betätigungseinrichtung sind die Elektroden einer solchen Schweißzange aufeinander zu sowie voneinander weg bewegbar, und zwar von einer Ausgangsposition, in der Elektroden einen größeren Abstand voneinander aufweisen, und einer Schweißposition (geschlossene Schweißzange), in der die Elektroden gegen das in der Regel von Blechen gebildete Schweißgut angepresst anliegen, und zwar mit einer Kraft, die als Elektrodenkraft bezeichnet wird.
• Die Wärme für den Schweißpunkt entsteht durch gleichzeitige Einwirkung eines elektrischen Stroms und der Elektrodenkraft sowie dem elektrischen widerstand der zu verschweißenden Werkstoffe im Bereich der Berührungsstellen der Elektroden. Die Werkstücke liegen in der Regel flach aufeinander und werden unter erheblichem Druck in einzelnen Punkten geschweißt.
• Der Strom und die Elektrodenkraft wird über die Elektroden zugeführt. Die Kraft für die Schließbewegung der an den Elektrodenarmen befestigten Elektroden erzeugen beispielsweise elektrisch angetriebene Motorspindeln als Betätigungseinrichtung. Die Elektroden sind üblicherweise mit Elektrodenkappen versehen, die im Betrieb verschmutzen und in zeitlichen Abständen durch Nachfräsen gereinigt bzw. nach mehreren Nachfräsungen erneuert werden müssen. Vor dem Schweißen mit einer neuen Elektrodenkappe wird üblicherweise eine Erstfräsung durchgeführt, dann eine programmierte Anzahl von bis zu 500 Schweißpunkten ausgeführt, mit anschließendem Nachfräsen. Mit einer neuen Elektrodenkappe können 20 bis 60 Nachfräsungen ausgeführt werden.
• Im allgemeinen wird mit Stromkonstantregelung geschweißt, wobei Störgrößen, wie etwa Widerstandsänderungen, die z.B. durch die Änderung der Kontaktflächen, des Durchmessers, der Oberfläche der Elektrodenkappen entstehen, unterschiedliche Elektrodenkraft, Impedanzänderungen und dergleichen, ausgeregelt werden. Trotz der Regelung haben Schwankungen derartiger Faktoren, wie etwa die Änderung der Oberfläche der Elektrodenkappen, einen großen Einfluss auf die Schweißqualität, so dass offene Schweißpunkte oder extrem verbrannte Schweißpunkte die Folge sein können.
• Aus der DE 43 05 364 C1 ist eine Schweißzange bekannt, bei der die Elektrodenkraft durch einen optoelektronischen Sensor erfasst und während der Schweißung überwacht wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Elektrodenkraft bei einem Widerstandsschweißverfahren anzugeben, das ohne zusätzliche Kraftsensoren eingesetzt werden kann.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale den unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vor teile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Erfindungsgemäß wird eine Elektrodenkraft aus einer mit der Bewegung von Elektroden korrelierten Antriebsbewegung einer Antriebsvorrichtung abgeleitet. Besonders günstig wird dabei die Antriebsbewegung in Weg-Inkremente zerlegt. Es sind keine zusätzlichen Kraftsensoren zur Überprüfung der Elektrodenkraft notwendig. Eine Antriebsbewegung lässt sich sehr leicht erfassen, beispielsweise durch Weg-Inkremente eines Servomotors. Eine Abweichung einer Ist-Elektrodenkraft von einer Soll-Elektrodenkraft, beispielsweise durch defekte Schweißzangen und/oder defekte Komponenten in einer Roboterschweißanlage, wie etwa Proportionalventile, Servomotoren, Schweißzylinder und dergleichen, kann zuverlässig detektiert werden. Die Prozesssicherheit ist erhöht, aufwändiges Nacharbeiten wird vermieden. Probleme mit der Schweißanlage werden rechtzeitig erkannt, so dass eine vorbeugende Instandhaltung durchgeführt werden kann. Anlagenausfallzeiten können verringert werden, ebenso lassen sich Zangenbrüche vermeiden, wenn ein zum Anlegen der Elektrodenkraft aufgebrachter Systemdruck höher ist als der zulässige Druck der Schweißzange.
• Eine aktuelle Elektrodenkraft kann aus der Differenz von Weg-Inkrementen zweier Messungen bestimmt werden. Dabei wird vorzugsweise eine erste Referenzmessung mit einer ersten und eine zweite Referenzmessung mit einer zweiten Elektrodenkraft, die ungleich der ersten Elektrodenkraft ist, ausgeführt. Durch Vergleich mit einem vorgegebenen Vergleichswert kann bestimmt werden, ob die aus Weg-Inkrementen bestimmte Elektrodenkraft in unzulässiger Weise von diesem abweicht oder nicht.
• Wird die Bestimmung der Elektrodenkraft nach jedem Erst- und/oder Folgefräsen von Elektrodenkappen der Elektroden durchgeführt, kann auf einfache Weise eine Veränderung der E lektrodenkappe berücksichtigt und deren Einfluss auf die Schweißparameter kompensiert werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht ein Mittel vor, um die Elektrodenkraft aus einer mit der Bewegung der Elektroden korrelierten Antriebsbewegung der Antriebsvorrichtung abzuleiten, wobei das Mittel vorzugsweise eine Einrichtung zur Erfassung von Weg-Inkrementen der Antriebsvorrichtung umfasst, besonders bevorzugt ein Resolvermesssystem und/oder ein Gebergetriebe. Mit diesen Komponenten lässt sich ein Weg-Inkrement, insbesondere eines Servomotors, auf einfache Weise erfassen. Dabei ist es günstig, wenn die Antriebsvorrichtung wenigstens einen Servomotor aufweist.
• Ist die Antriebsvorrichtung Bestandteil einer Roboterschweißanlage, kann die Bestimmung der Elektrodenkraft leicht durch im Wesentlichen vorhandene Komponenten durchgeführt werden. Eine aufwändige Adaption der Vorrichtung kann entfallen; diese kann einfach über eine geeignete Anpassung der Steuerungsprogramms angepasst werden. Gleichzeitig ist die Prozesssicherheit erhöht.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
• Dabei zeigt die einzige Figur schematisch einen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bevorzugt kommt die Vorrichtung in einer Roboterschweißanlage zum Punktschweißen von Blechen in einer Fahrzeugproduktion zum Einsatz.
• Eine Schweißzange 1 weist zwei Elektroden 2a, 2b auf, deren Spitzen, die beidseits an einem zu verschweißenden Werkstück 12 anliegen, mit Elektrodenkappen 3a, 3b geschützt sind.
• Die Elektroden 2a ist an einem Elektrodenarm 8a und die Elektrode 2b an einem Elektrodenarm 8b befestigt. Beide Elektrodenarme 8a, 8b sind durch einer Antriebsvorrichtung 10 bewegbar, wobei die Elektrodenarm 8a, 8b und mit diesen die beiden Elektroden 2a, 2b von einem Servomotor 4 der Antriebsvorrichtung 10 betätigbar sind. Der Servomotor 4 kann nicht dargestellte Stellglieder zum Bewegen der Elektroden 2a, 2b aus deren Ausgangsposition in deren Schließposition für den Schweißvorgang betätigen. Der Servomotor 4 ist über nicht näher bezeichnete Leitungen mit einer Einheit 9, die vorzugsweise ein Resolvermesssystem und/oder ein Gebergetriebe umfasst, verbunden, welche die Antriebsbewegung, insbesondere Weg-Inkremente des Servomotors 4 registriert und/oder auswertet. Die Einheit 9 ist über Datenleitungen 13 mit einer Steuereinheit 11, insbesondere einer Robotersteuerung einer Roboterschweißanlage, verbunden, welche den Schweißvorgang steuert. Durch die Antriebsbewegung sind die Elektroden 2a, 2b zwischen einer Ausgangsposition und einer Schließstellung der Schweißzange 1, bei der die Elektroden 2a, 2b an dem zu verschweißenden Werkstück anliegen, bewegbar. In der Figur sind die Elektroden 2a, 2b in der Schließstellung gezeigt.
• Bei dem erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Elektrodenkraft bei einem Widerstandsschweißverfahren, insbesondere einem Punktschweißverfahren, wobei Elektroden 2a, 2b einer Schweißzange 1 von einer Antriebsvorrichtung 10 an ein zu schweißendes Werkstück 12 herangeführt werden, wird die Elektrodenkraft aus einer mit der Bewegung der Elektroden 2a, 2b korrelierten Antriebsbewegung der Antriebsvorrichtung 10 abgeleitet, wobei die Antriebsbewegung in Weg-Inkremente zer legt und die Elektrodenkraft aus der Differenz von Weg-Inkrementen zweier Messungen bestimmt wird.
• Werden die beiden Elektroden 2a, 2b aus ihrer Ausgangsposition in die Schließstellung bewegt, in der der Schweißvorgang stattfinden soll, legen sie einen bestimmten Weg zurück, entsprechend den Weg-Inkrementen des Servomotors 4. Liegen die Elektroden 2a, 2b mit ihren Elektrodenkappen 3a, 3b an dem zu verschweißenden Werkstück 12 an, entspricht eine geringe Elektrodenkraft einer geringen Aufbiegung der Elektrodenarme 8a, 8b. Dreht der Servomotor 4 weiter, wird die Elektrodenkraft erhöht, d.h. weitere Weg-Inkremente des Servomotors 4 werden registriert, und die Elektrodenarme 8a, 8b zeigen eine entsprechend größere Aufbiegung.
• Zur Bestimmung der Elektrodenkraft wird z.B. eine erste Referenzmessung mit einer ersten Elektrodenkraft und eine zweite Referenzmessung mit einer zweiten Elektrodenkraft, die ungleich der ersten Elektrodenkraft ist, ausgeführt. Zweckmäßigerweise werden die erste und zweite Elektrodenkraft so gewählt, dass diese sich innerhalb eines Toleranzbereichs für die zulässige Elektrodenkraft befinden, vorzugsweise nahe deren minimalen und maximalen Wertes liegen. Die minimale Elektrodenkraft ist ausreichend, um einen ausreichenden Druck beim Schweißvorgang aufzubringen, der die beiden Bleche des zu verschweißende Werkstücks 12 sicher zusammenhält, die maximale Elektrodenkraft stellt sicher, dass das Schweißergebnis gut und die Schweißzange 1 nicht beschädigt wird. Die Differenz der aus der ersten Referenzmessung und der zweiten Referenzmessung bestimmten Weg-Inkremente entspricht einer bestimmten und zulässigen Elektrodenkraft und kann mit einem vorgegebenen Vergleichswert verglichen werden. Durch Inkrementunterschiede ist erkennbar, ob die vorhandene Elektroden kraft der vorgegebenen, insbesondere in der Robotersteuerung 11 einprogrammierten Elektrodenkraft, entspricht.
• Zweckmäßigerweise wird die Bestimmung der Elektrodenkraft nach jedem Erst- und/oder Folgefräsen der Elektrodenkappen 3a, 3b der Elektroden 2a, 2b durchgeführt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Elektrodenkraft bei einem Widerstandsschweißverfahren, wobei Elektroden (2a, 2b) einer Schweißzange (1) von einer Antriebsvorrichtung (10) an ein zu schweißendes Werkstück (12) herangeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkraft aus einer mit der Bewegung der Elektroden (2a, 2b) korrelierten Antriebsbewegung der Antriebsvorrichtung (10) abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsbewegung in Weg-Inkremente zerlegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkraft aus der Differenz von Weg-Inkrementen zweier Messungen bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Referenzmessung mit einer ersten und eine zweite Referenzmessung mit einer zweiten Elektrodenkraft, die ungleich der ersten Elektrodenkraft ist, ausgeführt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Weg-Inkrementen bestimmte Elektrodenkraft mit einem vorgegebenen Vergleichswert verglichen wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Elektrodenkraft nach jedem Erst- und/oder Folgefräsen von Elektrodenkappen (3a, 3b) der Elektroden (2a, 2b) durchgeführt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung einer Elektrodenkraft bei einem Widerstandsschweißverfahren, wobei Elektroden (2a, 2b) einer Schweißzange (1) von einer Antriebsvorrichtung (10) an ein zu schweißendes Werkstück (12) heranführbar sind, nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel vorgesehen ist, um die Elektrodenkraft aus einer mit der Bewegung der Elektroden (2a, 2b) korrelierten Antriebsbewegung der Antriebsvorrichtung (10) abzuleiten.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel eine Einrichtung (9) zur Erfassung von Weg-Inkrementen der Antriebsvorrichtung (10) umfasst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9) ein Resolvermesssystem und/oder ein Gebergetriebe umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (10) wenigstens einen Servomotor (4) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (10) Bestandteil einer Roboterschweißanlage ist.