DE102005058588B4

DE102005058588B4 - Vorrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102005058588B4
Application number: DE102005058588A
Authority: DE
Inventors: Joachim Zens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: DE102005058588A1; DE202005021631U1

Abstract

Vorrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstücks, insbesondere zum Rollennahtschweißen eines Werkstücks,
– mit einem Gleichrichter zum Gleichrichten einer Dreiphasen-Wechselspannung,
– mit einem Wechselrichter zum Erzeugen einer zweiphasigen Wechselspannung mit einer Schweißfrequenz,
– mit einem zweiphasigen Schweißtransformator, dessen Primärwicklung an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung Schweißelektroden mit einem Schweißstrom speist,
– mit einer Antriebseinheit zum Transport des Werkstücks relativ zu den Schweißelektroden,
– mit einer Steuereinheit zum Steuern eines Verstellparameters des Wechselrichters,
– mit einer Sensoreinheit zum Erfassen eines werkstückrelevanten Parameters,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (11) ein Sensorsignal erzeugt, das die aktuelle Transportgeschwindigkeit (v_T) des Werkstücks repräsentiert, und dass die Steuereinheit (10) über Steuermittel verfügt, derart, dass unter Berücksichtigung des Sensorsignals der Sensoreinheit (11) ein den Wechselrichter (8) beaufschlagendes und die Schweißfrequenz (f) vorgebendes Frequenzsteuersignal (s_f) erzeugt wird, so dass die Schweißfrequenz (f) in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit (v_T) des...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstücks, insbesondere zum Rollennahtschweißen eines Werkstücks, mit einem Gleichrichter zum Gleichrichten einer Dreiphasen-Wechselspannung, mit einem Wechselrichter zum Erzeugen einer zweiphasigen Wechselspannung mit einer Schweißfrequenz, mit einem zweiphasigen Schweißtransformator, dessen Primärwicklung an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung Schweißelektroden mit einem Schweißstrom speist, mit einer Antriebseinheit zum Transport des Werkstücks relativ zu den Schweißelektroden, mit einer Steuereinheit zum Steuern eines Verstellparameters des Wechselrichters und mit einer Sensoreinheit zum Erfassen eines werkstückrelevanten Parameters.
Aus der EP 0 761 368 B1 ist eine Vorrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstücks bekannt, bei der zur Erhöhung der Schweißqualität eine Steuereinheit mit Steuermitteln derart vorgesehen ist, dass der zur Bildung de Schweißnaht dienende Schweißstrom in Abhängigkeit von der aktuellen Dicke des Werkstücks variiert. Die Dicke des Werkstücks wird mittels einer Sensoreinheit detektiert, die über eine Dickenmesseinrichtung verfügt. Die bekannte Vorrichtung ermöglicht ein gleichmäßiges Schweißen des Werkstücks, wobei die Frequenz des Schweißstroms konstant ist.
Aus der DE 35 28 721 C2 ist eine Vorrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstücks bekannt, bei der Schweißelektroden einer Schweißmaschine an einer Sekundärseite eines zweiphasigen Schweißtransformators angeschlossen sind. Der Schweißtransformator wird über einen an einer Dreiphasen-Wechselspannungsquelle angeschlossenen Gleichrichter sowie einen demselben nachgeordneten Wechselrichter gespeist. Die Werkstücke werden mittels einer Antriebseinheit entsprechend einer vorgegebenen konstanten Transportgeschwindigkeit an den Schweißelektroden vorbeigeführt. Um ein gleichmäßiges Schweißergebnis zu erzielen, wird mittels einer Sensorseinheit das Ende des Werkstücks sowie der Anfang des nachfolgend bereitgestellten Werkstücks erkannt, so dass in einem Zeitintervall, in dem die Schweißelektroden nicht von einem Werkstück beaufschlagt sind, eine verringerte Schweißleistung bereitgestellt wird.
Aus der CH 600 981 ist eine Vorrichtung zum Rollennahtschweißen bekannt, bei der ein Schweißstrom in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit gesteuert wird. Hierdurch bleibt die den Werkstücken zugeführte Schweißenergie in jedem Abschnitt längs der gebildeten Schweißnaht konstant.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstücks derart weiterzubilden, dass eine gleichmäßige Schweißnaht auch bei Werkstücken unterschiedlicher Geometrie gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit ein Sensorsignal erzeugt, das die aktuelle Transportgeschwindigkeit des Werkstücks repräsentiert und dass die Steuereinheit über Steuermittel verfügt, derart, dass unter Berücksichtigung des Sensorsignals der Sensoreinheit ein den Wechselrichter beaufschlagendes und die Schweißfrequenz vorgebendes Frequenzsteuersignal erzeugt wird, so dass die Schweißfrequenz in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit des Werkstücks eingestellt wird.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass unabhängig von der Geometrie des Werkstücks eine gleichmäßige Schweißnaht gebildet werden kann. Beispielsweise kann eine Festnaht mit einem konstanten Schweißpunktabstand hergestellt werden. Durch Variierung der Schweißfrequenz in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit des Werkstücks zu den Schweißelektroden kann eine gleich bleibende und homogene Schweißnaht erzeugt werden. Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Ansteuerung einer Schweißmaschine bereitzustellen, so dass bei veränderter Transportgeschwindigkeit der Werkstücke stets ein gleich bleibend gutes Schweißnahtergebnis erzielt wird. Vorteilhaft braucht damit keine Abstimmung der Ansteuerung der Schweißmaschine erfolgen, wenn beispielsweise unterschiedliche Werkstücke oder unterschiedliche dimensionierte Werkstücke geschweißt werden sollen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Steuereinheit der Vorrichtung eine Recheneinheit auf mit einem Prozessor und einem Speicher, in dem ein Steuerungsprogramm abgespeichert ist. Das Steuerungsprogramm enthält vorzugsweise die Rechenvorschrift, nach der die Frequenz des Schweißstroms in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit der Werkstücke eingestellt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht die in dem Steuerungsprogramm der Recheneinheit abgelegte Steuerkurve aus einen waagerechten und einen linear ansteigenden Abschnitt, so dass für einen unteren Bereich der Transport geschwindigkeit ein Frequenzsteuersignal erzeugt wird, das konstant ist, und in einem oberen Bereich der Transportgeschwindigkeit ein Frequenzsteuersignal erzeugt wird, das linear ansteigt. Damit wird eine Mindestansteuerfrequenz vorgegeben, die an der Mindestschweißleistung zur Erzeugung einer Schweißnaht orientiert angelehnt ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sensorseinheit ein Strommessgerät auf, so dass stets der Schweißstrom überwacht und auf einen vorgegebenen Schweißstromwert eingestellt werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Mehrzahl von Rollennahtschweißmaschinen parallel an dem Ausgang eines Wechselrichters angeschlossen, wobei die Rollennahtschweißmaschinen jeweils durch eine Thyristor-Schaltungsanordnung angesteuert sind. Vorzugsweise sind die Rollennahtschweißmaschinen gegeneinander verriegelt. Die Thyristor-Schaltungsanordnungen bewirken eine geringe Stromaufnahme aus dem Netz, wobei die Blindstromkomponente im Primärstromkreis der Schweißmaschinen im Wechselrichter kompensiert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein Diagramm einer Steuerkurve, nach der eine Schweißmaschine angesteuert wird, und
3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung mit einer Mehrzahl von über einen einzigen Wechselrichter angesteuerten Schweißmaschinen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstücks ist vorzugsweise als eine Rollennahtschweißmaschine 1 ausgebildet, die über Rollenelektroden 2, 2' verfügt, die mit ihren Umfangsflächen zu beiden Seiten eines in Transportrichtung 3 zugeführten Werkstücks drücken und eine vorgegebene Schweißnaht erzeugen. Die Schweißnaht kann beispielsweise eine Dichtnaht, eine Festnaht oder eine Heftnaht sein, wobei je nach Nahttyp die Schweißpunkte in einem unterschiedlichen Abstand zueinander gesetzt sind.
Eine obere Rollenelektrode 2 ist mittels eines Elektromotors 4 derart in Rotation versetzt, dass die Umfangsgeschwindigkeit der oberen Rollenelektrode 2 synchron ist zu der mittels einer Antriebseinheit 5 angetriebenen Werkstücks 6. Vorzugsweise wird das Werkstück 6 auf einem Transportband mit einer vorgegebenen Transportgeschwindigkeit v_T zwischen den beiden Rollenelektroden 2, 2' hindurchgeführt.
Dabei können die Rollenelektroden 2, 2' stationär angeordnet sein, wobei die Werkstücke 6 nacheinander fließbandartig zwischen denselben hindurchgeleitet werden. Alternativ kann das Werkstück 6 stationär angeordnet sein, wohingegen das Rollenelektrodenpaar 2, 2' entlang der zu verschweißenden Kontur des Werkstücks 6 bewegt wird.
Alternativ besteht die Antriebseinheit 5 für den Vorschub der Werkstücke ausschließlich aus dem elektrischen Motor 4, wobei durch die gegeneinander wirkende Anpresskraft der Rollenelektroden 2, 2' das Werkstück 6 bzw. der Werkstückträger in Transportrichtung 3 bewegt wird.
Den Rollenelektroden 2, 2' wird ein Schweißstrom I zugeführt, der auf einer Sekundärseite eines Schweißtransformators 7 zur Verfügung gestellt wird. Primärseitig ist der Schweißtransformator 7 an einen Wechselrichter 8 angeschlossen, der eine zweiphasige Wechselspannung mit einer vorgegebenen Schweißfrequenz f zur Verfügung stellt. Der Eingang des Wechselrichters 8 ist an den Ausgang eines Gleichrichters 9 angeschlossen, der eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle L1, L2, L3 in eine Gleichspannung umformt.
Eine Steuereinheit 10 umfasst Steuermittel, so dass zum einen der Motor 4 zum Antrieb der oberen Rollendrahtelektrode 2 und zum anderen der Wechselrichter 8 angesteuert werden. Dabei wird als Steuermittel für den Motor 4 ein Drehzahlsteuersignal ausgegeben, das auf den Motor 4 derart einwirkt, dass die obere Rollenelektrode 2 mit einer solchen Drehzahl angetrieben wird, dass das Werkstück 6 entsprechend der vorgegebenen Transportgeschwindigkeit v_T voranbewegt wird. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die Steuereinheit 10 direkt auf die Transportgeschwindigkeit v_T des Werkstücks 6 einwirkt.
Zur Überprüfung der aktuellen Transportgeschwindigkeit v_T ist eine Sensoreinheit 11 vorgesehen, die über einen Geschwindigkeitsmesswertgeber 12 verfügt, der die aktuelle Geschwindigkeit des Transportbandes bzw. der Werkstücke 6 ermittelt und ein die Transportgeschwindigkeit v_T repräsentierendes Sensorsignal an die Steuereinheit 10 liefert. Vorzugsweise weist die Steuereinheit 10 eine Regelschaltung auf, mittels derer die Transportgeschwindigkeit v_T auf eine Solltransportgeschwindigkeit geregelt wird.
Weiterhin wird in der Steuereinheit 10 ein als Schweißfrequenzsteuersignal s_f ausgebildetes Steuermittel erzeugt, mittels dessen der Wechselrichter 8 so angesteuert wird, dass an dem Ausgang des Wechselrichters 8 eine Wechselspannung mit einer vorgegebenen Schweißfrequenz f vorliegt.
Ferner umfasst die Sensorseinheit 11 ein Strommessgerät 13, das die aktuelle Amplitude bzw. den Effektivwert des Schweißstromes I erfasst und als Sensorsignal s_I der Steuereinheit 10 zur Verfügung stellt. Die Steuereinheit 10 umfasst eine Regelschaltung, derart, dass der Schweißstrom I bzw. die Impulsbreite des Schweißstroms I auf einen vorgegebenen Schweißstromwert geregelt wird. Der Schweißstromwert wird somit unabhängig von den anderen Parametern konstant gehalten.
Die Steuereinheit 10 umfasst eine Recheneinheit mit einem Prozessor und einem Speicher, in dem ein Steuerungsprogramm gespeichert ist. In dem Steuerungsprogramm ist eine Steuerkurve gemäß 2 gespeichert, nach der in Abhängigkeit von der aktuellen Transportgeschwindigkeit v_T die Schweißfrequenz f ermittelt wird und ein die Schweißfrequenz f repräsentierendes Schweißfrequenzsteuersignal s_f an den Wechselrichter 8 abgegeben wird, so dass der Wechselrichter 8 derart angesteuert wird, dass er eine Wechselspannung mit der vorgegebenen Schweißfrequenz f an dem Ausgang desselben zur Verfügung stellt.
Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Steuerkurve S einen ersten Abschnitt S1 indem bei steigender Transportgeschwindigkeit v_T die Schweißfrequenz f konstant bleibt. Weiterhin umfasst die Steuerkurve einen zweiten Abschnitt S2, in dem eine lineare Beziehung zwischen der Schweißfre quenz f und der Transportgeschwindigkeit v_T vorliegt. Der erste Abschnitt S1 bildet einen unteren Bereich der Transportgeschwindigkeit v_T; der zweite Abschnitt S2 bildet einen oberen Bereich der Transportgeschwindigkeit v_T, der vorzugsweise den Arbeitsbereich der Schweißmaschine 1 darstellt.
Handelt es sich bei dem Werkstück beispielsweise um einen quaderförmigen Tank, wird in den Eckbereich desselben die Transportgeschwindigkeit v_T verringert, wobei gleichzeitig auch die Schweißfrequenz f verringert wird, so dass in dem Eckbereich des Tanks eine gleich bleibende Schweißimpulsrate gegeben ist wie an den zwischen den Eckbereichen verlaufenden geradlinigen Abschnitten des Tanks. Vorzugsweise sind die Dimensionen bzw. die Konturenlängen des Tanks in dem Speicher der Recheneinheit abgespeichert, so dass die Verringerung bzw. Erhöhung der Transportgeschwindigkeit v_T direkt von der Steuereinheit 10 mittels des Motors 4 bewirkt werden kann. Vorzugsweise sind in dem Speicher der Recheneinheit dimensionsbezogene Daten des zu schweißenden Werkstücks gespeichert, so dass in Abhängigkeit von der Kontur des Werkstücks Transportgeschwindigkeitswerte v_T vorgegeben werden können. Demnach wird das zu schweißende Werkstück entsprechend einer nicht dargestellten Geschwindigkeitskurve in Relation zu den Rollenelektroden 2, 2' bewegt.
Dadurch, dass die Transportgeschwindigkeitsvorgabe durch die Steuereinheit 10 erfolgt, kann ohne Vorliegen einer Verzögerungszeit mittels des ebenfalls in der Steuereinheit 10 generierten Schweißfrequenzsteuersignals s_f die passende Schweißfrequenz f eingestellt werden.
Zur Regelung der Transportgeschwindigkeit v_T bzw. des Schweißstroms I liefert die Sensoreinheit 10 werkstückre levante Parameter, wie die aktuelle Transportgeschwindigkeit v_T bzw. den aktuellen Schweißstrom I, als Sensorsignale.
Nach einer alternativen Ausführungsform gemäß 3 können eine Mehrzahl von Rollennahtschweißmaschinen 1 parallel an den Ausgang des Wechselrichters 8 angeschlossen sein, wobei zwischen den einzelnen Rollennahtschweißmaschinen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 und den Anschlüssen an den Wechselrichter 8 jeweils Tyristor-Schaltungsanordnungen 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 angeordnet sind. Gleiche Bauteile bzw. gleiche Funktionen sind in den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Tyristor-Schaltungsanordnungen 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 sind an den Ausgang einer Schweißstrom-/Netzlastbegrenzungsschaltungsanordnung 21 angeschlossen, so dass die einzelnen Schweißmaschinen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 derart angesteuert werden, dass ein Schweißen bei einer relativ geringen Blindstromaufnahme gewährleistet ist. Die Schweißstrom-/Netzlastbegrenzungsschaltungsanordnung 21 ist Bestandteil der Steuereinheit 10. Eine Kompensation der Blindstromkomponente im Primärstromkreis der Schweißmaschinen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 wird durch entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters 8 bewirkt. Die Verringerung des Blindstromanteils wird insbesondere durch gegenseitige Verriegelung der Schweißmaschinen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 bewirkt.

Claims

Vorrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstücks, insbesondere zum Rollennahtschweißen eines Werkstücks, – mit einem Gleichrichter zum Gleichrichten einer Dreiphasen-Wechselspannung, – mit einem Wechselrichter zum Erzeugen einer zweiphasigen Wechselspannung mit einer Schweißfrequenz, – mit einem zweiphasigen Schweißtransformator, dessen Primärwicklung an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung Schweißelektroden mit einem Schweißstrom speist, – mit einer Antriebseinheit zum Transport des Werkstücks relativ zu den Schweißelektroden, – mit einer Steuereinheit zum Steuern eines Verstellparameters des Wechselrichters, – mit einer Sensoreinheit zum Erfassen eines werkstückrelevanten Parameters, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (11) ein Sensorsignal erzeugt, das die aktuelle Transportgeschwindigkeit (v_T) des Werkstücks repräsentiert, und dass die Steuereinheit (10) über Steuermittel verfügt, derart, dass unter Berücksichtigung des Sensorsignals der Sensoreinheit (11) ein den Wechselrichter (8) beaufschlagendes und die Schweißfrequenz (f) vorgebendes Frequenzsteuersignal (s_f) erzeugt wird, so dass die Schweißfrequenz (f) in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit (v_T) des Werkstücks eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eine Recheneinheit umfasst zur Ermittlung des Steuersignals (s_f).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit einen Mikroprozessor und ein Steuerungsprogramm (S) enthaltenden Speicher umfasst, wobei das Steuerungsprogramm eine Steuerkurve (S) der Schweißfrequenz (f) über die Transportgeschwindigkeit (v_T) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Recheneinheit abgelegte Frequenzsteuerkurve in einem ersten Abschnitt (S1) einen konstanten und in einem anschließenden zweiten Abschnitt (S2) einen linear ansteigenden Verlauf aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (11) ein Strommessgerät (13) umfasst, das die aktuelle Amplitude und/oder den Effektivwert des Schweißstromes (I) misst, und dass die Steuereinheit (10) Steuermittel umfasst, derart, dass der Schweißstrom (I) bzw. die Impulsbreite des Schweißstroms (I) auf einen vorgegebenen Schweißstromwert konstant gehalten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (5) über Antriebsmittel verfügt, derart, dass zum einen mindestens eine als Rolle ausgebildete Schweißelektrode (2) und/oder das Werkstück angetrieben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Rollennahtschweißmaschinen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) parallel an dem Aufgang des Wechselrichters (8) angeschlossen ist, wobei die Rollennahtschweißmaschinen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) jeweils durch eine Tyristor-Schaltungsanordnung (20.1, 20.2, 20.3, 20.4) angesteuert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tyristor-Schaltungsanordnung (20.1, 20.2, 20.3, 20.4) derart ausgebildet ist, dass die Rollennahtschweißmaschinen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) mit einen Schweißstrom (I) enthaltend eine geringe Blindstromkomponente versorgt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tyristor-Schaltungsanordnungen (20.1, 20.2, 20.3, 20.4) derart geschaltet sind, dass die Rollennahtschweißmaschinen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) gegeneinander verriegelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eine Schweißstrom-/Netzlastbegrenzungsschaltungsanordnung (21) umfasst.