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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der auf
ein Werkstück
zwischen zwei Spannbacken einer Spannvorrichtung einwirkenden Spannkraft.
Die Kenntnis des Wertes dieser Spannkraft bzw. die Gewissheit, dass
die Spannkraft innerhalb eines gewünschten Wertebereiches liegt, ist
zum Beispiel wichtig, wenn das eingespannte Werkstück aus mehreren
in der Spannvorrichtung zu verschweißenden Teilen besteht. Eine
unzureichende Spannkraft kann dazu führen, dass die Teile beim Schweißen nicht
innig genug miteinander verschmelzen und später bei geringer Belastung
wieder auseinanderbrechen. Eine zu starke Spannkraft hingegen kann
zu einer unerwünschten
Verformung der Teile beim Schweißen führen.
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Zwar
ist es möglich,
die auf ein Werkstück ausgeübte Spannkraft
zu erfassen, indem statt seiner eine Druckdose oder ein anderer
Kraft- bzw. Drucksensor zwischen den Spannbacken platziert und unter
den gleichen Bedingungen wie das Werkstück eingespannt wird und die
auf den Drucksensor wirkende Spannkraft gemessen wird. Dieser Ansatz scheitert
jedoch, wenn die Dicke des Sensors größer ist als die der zu verschweißenden Teile.
Die Dicke gegenwärtig
auf dem Markt verfügbarer
Druckdosen beträgt
im allgemeinen mindestens 8 mm, so dass diese zum Messen der auf
ein Werkstück
von geringerer Dicke – wie
z. B. zwei aufeinandergelegte Bleche einer Kfz-Struktur – wirkenden
Spannkraft nicht geeignet sind.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren
zum Messen der auf ein Werkstück
wirkenden Spannkraft anzugeben, das derartigen Beschränkungen
hinsichtlich der Dicke des Werkstückes nicht unterliegt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Messen der auf ein Werkstück zwischen
zwei Spannbacken einer Spannvorrichtung einwirkenden Spannkraft
mit den Schritten:
- a) Platzieren eines Messkörpers zwischen
den Spannbacken, dessen Dicke in Einspannrichtung dieselbe wie die
des Werkstückes
ist,
- b) Ausüben
einer der Spannkraft entgegengesetzten, die Spannbacken auseinandertreibenden Spreizkraft
auf den Messkörper,
und
- c) Erfassen des Wertes der Spreizkraft im Moment eines Kontaktverlustes
des Messkörpers.
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Der
Kontaktverlust kann zwischen dem Messkörper und einem Spannbacken
erfolgen, von dem der Messkörper
durch die Spreizkraft fortgetrieben wird; vorzugsweise wird er zwischen
zwei von der Spannkraft gegeneinander – bzw. von der Spreizkraft
auseinander – gedrückten Teilen
des Messkörpers
erfasst.
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Die
Erfassung kann zum Beispiel stattfinden, indem ein zwischen den
Teilen entstehender Spalt optisch erfasst wird, oder indem eine
aus dem mit der Öffnung
des Spalts einhergehenden Kontaktverlust resultierende Unterbrechung
eines elektrischen Stroms nachgewiesen wird.
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Um
die Spreizkraft auszuüben,
weist vorzugsweise eines der Teile ein Gewinde auf, in dem eine
Schraube gehalten ist, und die Spreizkraft wird durch Einschrauben
der Schraube in das Gewinde und Drücken der Schraube gegen das
andere Teil erzeugt.
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Wenn
einer der Spannbacken zwei durch einen Spalt getrennte Finger umfasst,
wird die Schraube zweckmäßigerweise
in diesem Spalt platziert.
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Alternativ
kann die Spreizkraft auch durch ein zugbelastetes Element auf den
Messkörper
ausgeübt
werden. Auch dieses zugbelastete Element kann sich zweckmäßigerweise,
wenn vorhanden, durch einen Spalt eines der Spannbacken erstrecken.
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Ein
solcher Spalt kann zum Aufbringen von Schweißenergie auf das Werkstück dienen,
wenn nach dem Messen der Spannkraft der Messkörper durch dieses Werkstück ersetzt
worden ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht von zwei Spannbacken einer Spannvorrichtung,
zwischen denen zwei miteinander zu verschweißende Teile eines Werkstückes eingespannt
sind;
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2 einen
Schnitt entlang der in 1 mit II-II bezeichneten Ebene;
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3 eine
zu 1 analoge Ansicht der Spannbacken mit einem dazwischen
angeordneten Messkörper;
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4 einen
Schnitt durch die Spannbacken und den Messkörper entlang der Ebene IV-IV
aus 3;
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5 einen
zu 4 analogen Schnitt gemäß einer Abwandlung der Erfindung;
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6 einen
zu 4 analogen Schnitt gemäß einer weiteren Abwandlung
der Erfindung;
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7 einen
Schnitt analog 4 gemäß einer dritten Abwandlung
der Erfindung; und
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8 einen
Schnitt analog 4 gemäß einer vierten Abwandlung
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Spannvorrichtung mit zwei Spannbacken 1, 2,
von denen im Folgenden der untere Spannbacken 1 als ortsfest
und der obere 2 als bewegbar angenommen wird. Einrichtungen
zum Ausüben
einer Spannkraft, die die zwei Spannbacken 1, 2 aufeinander
zu treibt, können
von beliebiger bekannter Art sein und sind in der Figur nicht im
Detail dargestellt. Zum Verständnis
der Erfindung kann zum Beispiel angenommen werden, dass die Spannbacken 1, 2 von
einer Feder 3 beliebigen Typs gegeneinander beaufschlagt
sind. Zwischen den zwei Spannbacken 1, 2 ist ein
Werkstück 4 dargestellt, hier
exemplarisch in Form von zwei Metallprofilen 5, 6 mit
zwischen den Spannbacken 1, 2 eingeklemmten und
miteinander zu verschweißenden
Randstegen 7.
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Wie
in dem in 2 gezeigten Schnitt zu erkennen,
sind die Spannbacken 1, 2 in Längsrichtung der Randstege 7 jeweils
in zwei Finger 8 bzw. 9 unterteilt, zwischen denen
sich ein Spalt 10, 11 erstreckt. Durch den Spalt 10 kann
ein Laserstrahl 12 das Werkstück 4 erreichen und
die Randstege 7 lokal miteinander verschmelzen. Der Spalt 11 des
vom Laserstrahl 12 abgewandten Spannbackens 2 verhindert
eine zu schnelle Abfuhr der vom Laserstrahl 12 zugeführten Wärme.
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In 1 und 2 sind
die Randstege 7 einander flächig berührend dargestellt; es können jedoch
auch einer oder beide Randstege 7 ein Oberflächenprofil
aufweisen, das jeweils nur punktuellen Kontakt der Randstege 7 miteinander
ermöglicht.
Es sind dann vor allem diese Kontaktpunkte, auf die der Laserstrahl 12 zum
Verschweißen
gelenkt wird.
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Um
zu gewährleisten,
dass die Spannbacken 1, 2 die Randstege 7 mit
einer eine hochwertige Verschweißung ermöglichenden Spannkraft gegeneinanderpressen,
wird die Spannkraft vor dem Schweißen gemessen und ggf. angepasst.
Zum Messen der Spannkraft wird ein in 3 und 4 gezeigter
Messkörper 13 zwischen
die Spannbacken 1, 2 eingefügt. Die Abmessung des Messkörpers 13 in
Wirkrichtung der Spannkraft, das heißt in vertikaler Richtung in
den Figuren, ist exakt die gleiche wie die des Werkstückes 4,
so dass davon ausgegangen werden kann, dass die Spannvorrichtung
die gleiche Spannkraft auf den Messkörper 13 wie auf das
Werkstück 4 ausübt. Der
Messkörper 13 umfasst
zwei parallele Platten 14, 15, die den Zwischenraum
zwischen den Spannbacken 1, 2 ausfüllen. Die
obere Platte 14 trägt
eine Schweißmutter 16,
in die eine Schraube 17 eingreift. An zwei sich gegenüberliegenden
Rändern
der Platten 14, 15 sind eine Lichtquelle 18 und
ein Lichtsensor 19 einer Lichtschranke angeordnet.
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Um
die Spannkraft zu messen, wird die Schraube 17 mit Hilfe
eines an sich bekannten Drehmomentschlüssels langsam und kontinuierlich
in die Schweißmutter 16 hineingeschraubt,
bis die Spitze der Schraube 17 gegen die Platte 15 stößt und die Platten 14, 15 voneinander
fort treibt. Der sich dadurch öffnende
Spalt zwischen den Platten 14, 15 wird mit Hilfe
der Lichtschranke 18, 19 erfasst, und das an dem
Drehmomentschlüssel
im Moment der Erfassung des Spaltes ablesbare Drehmoment ist ein Maß für die Kraft,
mit der die Spannbacken 1, 2 die Platten 14, 15 gegeneinanderpressen.
Wenn das Drehmoment in einem vorgegebenen zulässigen Bereich liegt, ist die
Einstellung der Spannvorrichtung zum Schweißen geeignet; wenn nicht, wird
die Spannkraft durch hier nicht dargestellte, von der Bauart der
Spannvorrichtung abhängige
Justiermaßnahmen
angepasst. Denkbar ist auch eine automatisierte Krafterfassung,
bei der die Schraube 17 durch einen Motor drehangetrieben
wird und das Drehmoment des Motors im Moment der Erfassung des Spaltes anhand
der Stromaufnahme des Motors ermittelt wird.
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Eine
verbesserte Weiterentwicklung der Erfindung ist in 5 in
einem zu 4 analogen Schnitt dargestellt.
Hier ist in der unteren Platte 15 ein in den Spalt 11 eingreifender
Napf 20 geformt, der eine Kugel 21 aufnimmt. Die
Spitze der Schraube 17 drückt gegen die Kugel 21.
Mit Hilfe der Kugel 21 wird die zwischen der Spitze der
Schraube 17 und der Platte 15 auftretende Reibung
minimiert und somit ihr Einfluss auf das gemessene Drehmoment gering
gehalten.
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Eine
Variante, die insbesondere dann sinnvoll einsetzbar ist, wenn der
Spalt 10 zu eng ist, um darin die Schweißmutter 16 unterzubringen,
ist in 6 gezeigt. Hier ist die obere Platte 14 des
Ausführungsbeispiels
aus 3 durch einen Bügel 22 ersetzt, der
in einem sich oberhalb des oberen Spannbackens 2 erstreckenden
Mittelteil ein die Schraube 17 aufnehmendes Gewinde aufweist
und an dessen äußeren Enden
zwei Klauen 23 zwischen den Spannbacken 1 und
die untere Platte 15 eingreifen. Die Wirkungsweise ist
die gleiche wie bei den zuvor betrachteten Ausführungsbeispielen; die (in 6 nicht
dargestellte) Lichtschranke ist angeordnet, um einen Kontaktverlust
zwischen den Klauen 23 und der Platte 15 zu erfassen.
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Eine
weitere Variante der Erfindung ist in 7 in einem
zu den 4 bis 6 analogen Schnitt dargestellt.
Der zwischen die Spannbacken 1, 2 eingefügte Messkörper 13 umfasst
hier wiederum zwei Platten 14, 15, wobei an der
oberen Platte 14 eine sich durch den Spalt 10 des
Spannbackens 1 erstreckende Öse 24 befestigt ist.
Zwischen der Öse 24 und
einer darüber
an einem ortsfesten Träger 25 angebrachten Öse 26 erstreckt
sich ein Seilzug 27, in den eine Kraftmesseinrichtung beliebiger
Art, hier dargestellt als eine Messfeder 28, eingefügt ist.
Die Öse 26 ist
an dem Träger 25 höhenverstellbar,
hier mit Hilfe eines Schraubgewindes 29, das eine Bohrung
des Trägers 25 durchsetzt
und in eine gegen den Träger 25 drehbare
Mutter 30 eingreift.
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In
analoger Weise zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird die zwischen
den Spannbacken 1, 2 herrschende Spannkraft gemessen,
indem die Mutter 30 langsam und kontinuierlich gedreht
wird, um die Spannung auf den Seilzug 27 zu erhöhen, und
die an der Kraftmesseinrichtung 28 im Moment des Kontaktverlustes
zwischen den Platten 14, 15 ablesbare Kraft als
Spannkraft der Spanneinrichtung erfasst wird.
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Die
Spannvorrichtung der 8 unterscheidet sich von derjenigen
der 4 im Wesentlichen durch einen Vorsprung 31,
der am Spannbacken 2 oberhalb der Spalte 10, 11 lösbar befestigt
ist. Der Vorsprung 31 hat ein Innengewinde, in dem eine
Gewindestange 33 gehalten ist. Ein Messkörper umfasst
eine auf dem unteren Klemmbacken 1 abgestützte Platte 15,
deren Dicke der gemeinsamen Dicke der zu verschweißenden Randstege 7 entspricht, eine
sich durch den Spalt 10 erstreckende Säule 34 und eine Druckmessdose 35,
die zwischen der Säule 34 und
der Gewindestange 33 gehalten ist. Durch Abwärtsschrauben
der Gewindestange 33 wird der Druck auf die Druckdose 35 erhöht, bis
der obere Spannbacken 2 den Kontakt mit der Platte 15 verliert. Die
in diesem Moment an der Druckdose 35 erfasste Kraft ist
die Spannkraft der Spannvorrichtung.
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Mit
dem oben beschriebenen Verfahren und den dazugehörigen Hilfsmitteln ist es auch
möglich, eine
schlechte Parallelität
der Spannbacken 1, 2 oder eine ungleichmäßige Verteilung
der Spannkraft zu erfassen, indem zwei Lichtschranken beiderseits
der Spalte 10, 11 platziert werden. Wenn die beiden Lichtschranken
einen Kontaktverlust der Platten 14, 15 oder der
Platte 15 und der Klauen 23 zu verschiedenen Zeitpunkten
erfassen, kann daraus auf einen Parallelitätsfehler oder eine ungleichmäßige Verteilung
der Spannkraft über
die Fläche
der Spannbacken 1, 2 geschlossen werden.
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Die
Lichtschranke kann durch andere Mittel zum Erfassen von Kontakt
oder Nichtkontakt der Platten 14, 15 ersetzt sein;
so können
zum Beispiel die gegen die Spannbacken 1, 2 elektrisch
isolierten Platten 14, 15 mit unterschiedlichen
elektrischen Potentialen verbunden sein und Kontakt oder Nichtkontakt
der Platten anhand des Fließens
oder Nichtfließens
eines elektrischen Stroms zwischen ihnen erfasst werden. Mit Hilfe
mehrerer voneinander beabstandeter Kontaktfelder auf einer der Platten,
die beim Erhöhen
der Zugkraft eventuell nacheinander den Kontakt zur gegenüberliegenden
Platte verlieren, ist es auch möglich,
Parallelitätsfehler
oder eine Ungleichverteilung der Spannkraft an den Spannbacken 1, 2 zu
erfassen.