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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung eines Werkzeughalters
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf
einer Anordnung gemäß Anspruch 13.
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Automatisierte
Werkzeughalter, wie beispielsweise Schweißzangen, umfassen
in der Regel mehrere Antriebsvorrichtungen.
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Eine
erste Antriebsvorrichtung dient zur Anpressung des am Werkzeughalter
befestigten Werkzeuges an einem Werkstück (Hauptantrieb).
Beispielsweise kann eine erste Antriebsvorrichtung bei einer Schweißzange
zur Erzeugung der Elektrodendruckkraft dienen, um den für
einen Punktschweißvorgang erforderlichen Anpressdruck zwischen
den zu verbindenden Blechen zu gewährleisten. Diese Antriebe
können auf mechanischen, hydraulischen, elektrischen oder
pneumatischen Prinzipien basieren. Eine zweite Antriebsvorrichtung
kann als Ausgleichsantrieb für Positionierungszwecke des
Werkzeughalters dienen, z. B. als sogenannter Zangenausgleich bei
Schweißzangen, welcher völlig unabhängig
von dem zuvor genannten Antrieb (Hauptantrieb) betrieben werden
kann.
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Mittels
des Ausgleichsantriebs realisiert man die Feinjustierung des Werkzeuges
vor dem eigentlichen Arbeitsschritt, z. B. dem Schweißvorgang,
welcher dann mittels des Hauptantriebes durchgeführt wird.
Der Ausgleichsantrieb wird in der Regel aktiv, bevor der Hauptantrieb
zum Einsatz kommt. Mittels des Ausgleichsantriebs lässt
sich der Werkzeughalter und damit die an ihm angeordneten Werkzeuge um
einen Drehpunkt schwenken oder kippen. Somit kann eine erste Schweißelektrode
mit einer definierten Kraft an ein Werkstück angestellt
bzw. herangeführt werden, bevor eine zweite Schweißelektrode zur
eigentlichen Herstellung des Schweißpunktes mittels des
Hauptantriebes an das Werkstück angenähert wird.
Der Ausgleichsantrieb muss das Eigengewicht des Werkzeughalters
derart ausgleichen, dass keine unerwünschten Kräfte
auf das zu bearbeitende Werkstück einwirken. Derartige
Kräfte könnten das Werkstück verschieben
oder deformieren. Der Ausgleichsantrieb hat weiter die Aufgabe den
Werkzeughalter derart zu bewegen, dass eine Abnutzung von Werkzeugen,
z. B. der Schweißelektroden, ausgeglichen wird. Man spricht
im Fachjargon der Schweißtechnik beispielsweise davon,
dass die Zange um die Abnutzung nachgestellt werden muss. Der Ausgleichsantrieb
wird ebenfalls dazu verwendet das Werkzeug bzw. den Werkzeughalter
in eine Parkposition zu bringen, in die sogenannte rückwärtige
Stellung, um ihn dort sicher zu arretieren.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Zangenausgleichsantriebe arbeiten
zum Beispiel mittels Federelementen oder pneumatisch bzw. hydraulisch.
Pneumatikantriebe weisen ein relativ träges Regelverhalten
auf. Dies liegt unter anderem daran, dass die Zeit, welche verstreicht,
bis der Istdruck den Solldruck erreicht, in der Regel im Bereich
um 10 Millisekunden liegt. Ein Pneumatikausgleich besitzt außerden
in der Regel kein Wegmesssystem, daher ist die tatsächliche
Position der angetriebenen Zange unbekannt. Die Kontrolle über
die Zange könnte außerdem verloren gehen, wenn
aufgrund von Leckage die Druckluft entweichen würde. Federelemente
verschleißen aufgrund der geforderten Zyklenzahlen (zur
Zeit 15 Mio. Zyklen) sehr schnell. Außerdem sind Federelemente
lediglich als passive Elemente zu betrachten und bieten keinerlei
aktive Regelmöglichkeit.
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Die
Patentanmeldung
DE
102 49 202 A1 zeigt eine mögliche Lösung
des oben genannten Problems. Hier werden ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Fixierung einer Schweißzange gelehrt. Mittels
eines Servoantriebs und eines Getriebes wird das dort beschriebene
Verfahren umgesetzt. Derartige Servomotoren arbeiten üblicherweise
mit externen Positionsgebern, welche zur Kommutierung und/oder zur
Positionsregelung erforderlich sind. Diese Positionsgeber stellen
in sofern eine Schwachstelle dar, als dass sie aufgrund von Vibrationen und/oder
Erschütterungen im rauen Betrieb die Fehleranfälligkeit
des auf diesem Antrieb basierenden Systems erhöhen. Außerdem
fallen Zusatzkosten für den Positionsgeber und die erforderliche
Verkabelung an. Die Verkabelung stellt eine Schwachstelle dar, welche
zu Aufwand und Fehlern beim Betrieb führen kann.
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Die
Erfindung schlägt daher ein Verfahren zur Positionierung
eines Werkzeughalters für umformtechnische Fügeprozesse,
insbesondere Clinchen und Stanznieten, sowie thermische Fügeprozesse,
wie Widerstandspunktschweißen, Widerstandspressschweißen,
Handlingprozesse, Prägeprozesse oder Schraub- und Einpressprozesse
an einem Werkstück oder dergleichen vor. Dabei ist zumindest
ein am Werkzeughalter angeordnetes Werkzeug unter Verwendung einer
von einem geberlosen Motor (z. B. DC-Motor, Synchronmotor, Servomotor) angetriebenen
Einrichtung mittels Bewegung des Werkzeughalters relativ zum Werkstück
positionierbar. Die Einrichtung wird im Rahmen der Positionierung
zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt mittels
des Motors bewegt, wobei der geberlose Motor mittels einer feldorientierten
Regelung betrieben wird. Bei der Einrichtung kann es sich um einen
Kurbelantrieb oder auch z. B. um eine direkt angetriebe Spindel
in Hinterbauweise oder eine indirekt angetriebene Spindel in Nebenbauweise handeln.
Vergleichbare Einrichtungen mit vergleichbarer Wirkung sind ebenfalls
denkbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil,
dass hierdurch eine sichere Positionierung des Werkzeughalters gewährleistet
werden kann. Dies gilt selbst dann, wenn der Werkzeughalter starken
Vibrationen ausgesetzt ist. Die Verkabelung und Positionserfassung
mittels eines Positionsgebers entfällt und die Kosten hierfür
(Geber, Kabel, Montage) werden eingespart. Es können auch
keine Gebersignalverfälschungen durch mechanische Einwirkungen
auftreten. Mögliche Ausfälle werden reduziert. Weil
die Bewegung der Einrichtung begrenzt ist, können leicht
auch Lagedaten abgeleitet werden. Bei Verwendung einer Kurbel zum
Beispiel entspricht die geschätzte Rotorposition stets
im wesentlichen auch der Absolutposition (die Kurbel wird nie mehr
als um 360 Grad gedreht). Es kann somit auf eine Absolutlageerfassung
verzichtet werden. Das Regelverhalten weist außerdem eine
höhere Dynamik auf, denn im Gegensatz zu beispielsweise
pneumatischen Antrieben erreicht ein einzustellender Iststrom in
wenigen Mikrosekunden einen beispielsweise mittels einer Steuerung
vorgegebenen Sollstrom.
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Vorzugsweise
wird mittels der feldorientierten Regelung die Position des Rotors
des Motors ermittelt und aus der Rotorposition die aktuelle Werkzeughalterposition
abgeleitet, indem man von der Rotorposition auf die Auslenkung des
Werkzeuges schließt. Vorteilhaft daran ist, dass die Position
ohne mechanische Messmittel rein mathematisch ermittelt werden kann.
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Bevorzugt
wird der Motor in der Betriebsart Momentensteuerung anstelle einer
Momentenregelung betrieben. Dabei wird zur Steuerung ein Solldrehmoment
verwendet, ohne dass das Ist-Drehmoment berücksichtigt
bzw. ausgewertet werden muss. Ein untergeordneter Stromregler dient
zur Beaufschlagung des Motors mit einem geregelten Strom. Das Drehmoment
wird dadurch indirekt über den Strom mitgeregelt, denn
der Motorstrom I hat mittels der Drehmoment-Stromkonstanten k direkten
Einfluss auf das Drehmoment M. Es gilt dabei M = k·I. Die
reine Momentenregelung mit Auswertung des Ist-Drehmomentes würde
die messtechnische Erfassung des Drehmoments an der Motorwelle erfordern. Diese
Messgeräte sind sehr teuer und bedürfen einer konstruktiven
Umsetzung. Zudem ist ohnehin nicht das Motormoment, sondern die
Elektrodenkraft von Bedeutung.
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Theoretisch
kann die statische Elektrodenkraft über Winkelbeziehungen
aus dem Motormoment abgeleitet werden.
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Jedoch
entspricht die tatsächliche Elektrodenkraft aufgrund der
Reibung und den Elastizitäten in der Strecke nicht dem
berechneten Wert. Somit wäre eine Momentenregelung auch
weniger genau. Durch die Implementierung einer Momentensteuerung
werden diese Nachteile vermieden.
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Besonders
bevorzugt wird insbesondere bei Inbetriebnahme des Werkzeughalters
die anfängliche Position des Werkzeughalters mittels einer
Referenzfahrt der Kurbel zwischen zwei Totpunkten der Kurbel ermittelt.
Um die Referenzfahrt zu ermöglichen, wird ein mechanischer
Anschlag vorgesehen, der idealer Weise am Ausgleichsantrieb des
Werkzeughalters befestigt ist. Der Motor wird mit einem entsprechenden
Moment beaufschlagt und bewegt sich in Richtung des Anschlages.
Dieser Anschlag wird über die Ansteuersoftware als Nullpunkt
angenommen. Die Position muss somit nicht zwischengespeichert werden
und es kann vor jeder Inbetriebnahme stets die tatsächliche
Position des Werkzeughalters ermittelt werden.
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Die
Rotorlage kann mit Hilfe eines Maschinenmodels aus den gemessenen
Motorströmen wie folgt bestimmt werden.
- a)
Bestimmung eines statororientierten Stromzeigermodells:
– Messung
bzw. Berechnung der Motorströme ia, ic und ib (Es gilt:
ia + ib + ic = 0);
– Transformation der Motorströme
ia, ib, ic in ein Stromzeigermodell (ia, iß).
- b) Bestimmung eines statororientierten Spannungszeigermodells:
– Messung
der Zwischenkreisspannung und Erfassung der Schaltzustände
der Transistoren;
– Zurückführung
dieser Messgrößen an ein Wechselrichtermodell;
– Rekonstruktion
der Ständerspannungen ua, ub, uc mittels des Wechselrichtermodells;
– Transformation
der Ständerspannungen in ein Spannungszeigermodell (ua,
uß).
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Anschließend
werden die Zeigermodelle ua, uß, ia, iß dem oben
genannten Maschinenmodell als Eingangsgröße zugeführt.
Unter Berücksichtigung des Maschinenmodells und der Zeigermodelle
können der aktuelle Polradwinkel (Winkel zwischen den Polen
des Rotors und dem Drehfeld) und/oder die aktuelle Rotorkreisfrequenz
ermittelt bzw. geschätzt werden.
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Das
statororientierte Stromzeigermodell (ia, iß) wird unter
Beachtung des geschätzten Polradwinkels in ein rotororientiertes
Stromzeigermodell (id, iq) transformiert
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Die
transformierten Ströme id und iq werden den jeweiligen
Stromreglern zurückgeführt und es werden rotorseitig
die Stellgrößen UdRef und UqRef berechnet, d.
h. ein Stromregler liefert als Ausgangswert eine Sollspannung (Uref)
als Stellgröße.
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UdRef
und UqRef werden wieder unter Berücksichtigung des geschätzten
Polradwinkels und der Rotorkreisfrequenz auf die Statorseite transformiert
(UaRef, UßRef), denn nur statorseitig können die
Spannungen gestellt werden. Die Spannungen werden einer Kommutierungseinrichtung
zugeführt, welche die Schaltzustände der Transistoren
festlegt um die Zwischenkreisspannung in eine 3-Phasen-Wechselspannung
umwandelt.
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Diese
3-Phasen-Wechselspannung kann am Motor ein Drehfeld erzeugen. Der
Strom Id (flussbildender Strom) wird in auf Null geregelt, weil
der Fluss durch vorhandene Permanentmagnete gegeben ist. Der Strom
Iq (drehmomentbildender Strom) wird auf den Stromwert geregelt,
welcher multipliziert mit der Drehmoment-Stromkonstante des Motors
(M = iq·ki), das vom Geschwindigkeitsregler berechnete
Sollmoment ergibt.
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Um
den Rotorwinkel auch während des Stillstandes oder bei
sehr kleinen Drehzahlen, d. h. bei sehr kleinem Signal-/Rauschabstand
der gemessenen Parameter, ermitteln bzw. abschätzen zu
können, kann bei der Stromreglung, insbesondere bei der
Inbetriebnahme, ein periodisches oder stochastisches Testsignal
berücksichtigt werden. Dies führt dazu, dass eine
Regelabweichung am Eingang des Stromreglers erzeugt wird, und eine
Stellgröße gemäß dieser Regelabweichung
berechnet werden kann. Die Stellgröße regt wiederum
den Motor an, so dass mittels Strommessung, Transformation der Polradwinkel
und Rekonstruktion der Polradwinkel die Rotorkreisfrequenz geschätzt
werden kann. Diese Vorgehensweise wäre auch dann möglich,
wenn der Rotor still steht. Somit könnte die Rotorposition
auch im Stillstand ermittelt werden. Eine Kommutierung könnte
unter Verwendung der ermittelten Rotorposition ebenfalls erfolgen.
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Die
Ablaufsteuerung eines momentengesteuerten/stromgeregelten Ausgleiches
kann wie folgt realisiert werden. Die Anlage wird zunächst
eingeschaltet, wobei der Motor in einer beliebigen Position stehen
kann. Es wird nach dem oben beschriebenen Verfahren ein Testsignal
erzeugt und die Rotorlage geschätzt. Die Kommutierung (Ansteuern
der Transistoren des Wechselrichters, um aus der Zwischenkreisspannung
ein Drehfeld zu erzeugen) erfolgt mittels Polradwinkel und/oder
Rotorkreisfrequenz.
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Da
bei Verwendung einer Kurbel der Ausgleich maximal eine Umdrehung
fahren kann (aufgrund der Geometrie des Kurbelgetriebes), entspricht
die geschätzte Rotorposition auch der Absolutposition des
Ausgleichantriebes.
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Ein
am Zangenkörper angebrachter Lagesensor ermittelt die Zangenlage
zur Horizontalen (Winkel f). Alternativ oder zusätzlich
zu Überprüfungszwecken könnte die Lage
des Werkzeughalters (z. B. Schweißzange) auch vom Roboter übermittelt werden,
weil die Zange in der Regel von einem Roboter geführt und
in eine definierte Lage gebracht wird und die Koordinaten aus diesem
Grunde in der Robotersteuerung ohnehin hinterlegt sind.
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Das
erforderliche Moment, um die Referenzelektrode am zu schweißenden
Objekt zu halten (Haltemoment), ist dem Sinus dieses Winkels f proportional
und wird durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor Fg (Fg,
entspricht ungefähr der Gewichtskraft der um das Zangengelenkt
drehbaren Teile), welcher auch empirisch bestimmt werden kann, als
Momentensollwert der Motorsteuerung zugeführt.
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Das
Beschleunigungsmoment ist von der Zangenträgheit abhängig
und wird ebenfalls empirisch ermittelt.
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Die
Zange wird mit dem Beschleunigungsmoment zuzüglich dem
Haltemoment in Bewegung gesetzt.
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Nach
einer festen Zeitspanne, welche ebenfalls empirisch ermittelt wird,
befindet sich die Referenzelektrode der Zange am zu schweißendem
Objekt. Jetzt wird das Sollmoment auf das Haltemoment zurückgenommen.
Die Hauptelektrode kann mittels des Haupthubantriebes gleichzeitig
mit der Referenzelektrode zum zu schweißenden Objekt bewegt
werden (die Referenzelektrode muss aber vor der Hauptelektrode am
zu schweißenden Objekt anstehen). Der Schweißvorgang
wird eingeleitet, indem die Haupthubelektrode eine Schweißkraft
aufbaut und ein Schweißstrom fließt. Der Ausgleich
hält dabei das Zangengewicht (Schwimmstellung) und verhindert, dass
das zu schweißende Objekt durch das wirksame Zangengewicht
beschädigt (verbogen) wird. Wenn der Schweißvorgang
abgeschlossen ist, wird dem Ausgleichantrieb ein Zurückstellmoment
vorgegeben (dieses ist auch von der Lage der Zange abhängig),
damit der Ausgleichsantrieb in seine „Parkposition” zurück
gefahren werden kann. Aus dieser Parkposition heraus beginnt dann
der Vorgang wieder erneut.
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Bei
diesem Verfahren kommt es nicht auf die absolute Positioniergenauigkeit
an. Daher kann in herkömmlicher Weise ein Resolver für
die Kommutierung des Motors benutzt werden (kostengünstig,
Encoderelektronik, einfach zu implementieren). Die erfindungsgemäße
sensorlose Ansteuerung erfordert einen gewissen Softwareaufwand
und erzeugt keinen zusätzlichen Hardwareaufwand, denn es
wird die vorhandene Hardware genutzt. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann mittels des Regelverstärkers realisiert
werden, welcher die rechenintensiven Transformationen durchführt
und Modelle (Maschine, Wechselrichter) bereit hält. Herstellkosten
werden daher auf den einmaligen Softwareaufwand reduziert. Die Verfügbarkeit
wird erhöht, da weniger Komponente benötigt werden,
die einen Ausfall oder eine Fehlfunktion der gesamten Anlage verursachen könnten.
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Die
sensorlose Ansteuerung würde auch in Verbindung mit einer
Lageregelung funktionieren.
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Vorteilhafterweise
umfasst der Werkzeughalter einen Lagesensor, mittels dessen die
relative Lage des Werkzeughalters gegenüber der Horizontalen
ermittelt werden kann. Der Winkel zwischen einer Werkzeugachse oder
Werkzeughalterachse und der Horizontalen kann somit rechnerisch
erfasst und für Positionierzwecke verarbeitet werden. Die
relative Lage kann beispielsweise dazu verwendet werden, um den
Werkzeughalter in einer bestimmten Position zu halten. Hierzu muss
ein Haltemoment unter Berücksichtigung der relativen Lage
ermittelt und als Solldrehmoment der Momentensteuerung zugeführt werden.
Es ist damit möglich, das Eigengewicht des Werkzeughalters
während der Positionierung zu kompensieren. Zusätzlich
wird unter Berücksichtigung der bei der Positionierung
des Werkzeughalters auftretenden Trägheit ein Beschleunigungsmoment ermittelt
und der Werkzeughalter wird unter Berücksichtigung des
Haltemomentes und des Beschleunigungsmomentes angesteuert. Durch
diese Art der Ansteuerung ist es möglich, den Werkzeughalter
in einer vorgegebenen Zeit sicher zu positionieren. Im Gegensatz
dazu müssen bei der Lageregelung die Eigenschaften der
Strecke (Reibung, Lose, Elastizität, Trägheit)
bei der Parametrierung des Lagereglers bzw. Geschwindigkeitsreglers
berücksichtigt werden. In der Regel sind diese Eigenschaften
nicht bekannt und ändern sich im Laufe der Zeit. Zudem
ist die Anbringung eines Wegmesssystems, zur Erfassung der tatsächlichen
Lage des Werkzeughalters nicht praktikabel. Eine motorseitige Lageregelung
würde daher keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern.
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Vorteilhafterweise
ist auch ein Mittel zur Kraftmessung am Werkzeughalter angeordnet,
dessen Meßsignale bei der Positionierung der Werkzeughalters
berücksichtigt werden, beispielsweise Dehnungsmessstreifen
und dergleichen. Der Kraftsensor am Ausgleich ermöglicht
die Kraftmessung nahe am zu bearbeitenden Werkstück. Alternativ dazu
kann die Kraft innerhalb des Haupthubes oder am Zangenkörper
gemessen werden, was jedoch ungenauer ist.
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Die
Erfindung schlägt außerdem vor, eine Anordnung
umfassend einen Werkzeughalter für umformtechnische Fügeprozesse,
insbesondere Clinchen und Stanznieten, sowie thermische Fügeprozesse,
wie Widerstandspunktschweißen, Widerstandspressschweißen,
Handlingprozesse, Prägeprozesse oder Schraub- und Einpressprozesse
an einem Werkstück oder dergleichen mit einem am Werkzeughalter
angeordneten Werkzeug, sowie umfassend eine erste Einrichtung, insbesondere
in Form eines Kurbeltriebes und dergleichen (z. B. direkt angetriebene
Spindel in Hinterbauweise oder indirekt angetriebene Spindel in
Nebenbauweise), welche einen geberlosen Motor umfasst, wobei das Werkzeug
unter Verwendung der Einrichtung, an einem Werkstück oder
dergleichen anpressbar ist. Die Anordnung umfasst auch eine Regeleinrichtung
zum Betrieb der Anordnung mittels einer feldorientierten Regelung.
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Vorzugsweise
ist eine zweite Antriebseinrichtung vorgesehen, mittels welcher
das Werkzeug am Werkstück anpressbar ist, wobei diese Antriebseinrichtung
auch mittels eines geberlosen Motors realisiert ist. Die zuvor genannte
Anordnung umfasst vorzugsweise eine Regeleinrichtung zum Betrieb
der ersten und/oder zweiten Antriebseinrichtung mittels einer feldorientierten
Regelung. Zusätzlich ist eine Steuerung vorgesehen, mittels
derer auch die Hubbewegung zumindest der zweiten Antriebseinrichtung
berechnet werden kann, insbesondere mittels einer implementierten
Funktion, welche die Anzahl der Umdrehungen bei Verwendung eines
Spindel für die zweite Einrichtung zählt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung einiger bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen
bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben entsprechenden Merkmale.
Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten
Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. In den Zeichnungen bezeichnen
gleiche Bezugszeichen oder gleiche Symbole identische Baugruppen.
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- 10
- Haupthubzylinder
- 20
- oberer
Schweißzangenschenkel
- 25
- unterer
Schweißzangenschenkel
- 30
- obere
(bewegliche) Schweißelektrode
- 35
- untere
(feste) Schweißelektrode
- 40
- Kurbelantrieb
- 50
- Kurbelabtrieb
- 60
- Kraftübertragungsmittel
- 70
- elektrischer
Antrieb
- 80
- Schweißzange
- 90
- Schenkeldrehachse/Schweißzangendrehachse
- 100
- Werkstück
- 110
- Steuerung
- 120
- Robotersteuerung
- 130
- Schweißtransformator
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1 zeigt
die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Zangenausgleichsantriebs mit Kraftübertragungsmittel.
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2 zeigt
eine X-Schweißzange mit dem Zangenausgleichsantrieb aus 1.
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3 zeigt
eine bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung.
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In 1 ist
der Zangenausgleichsantrieb 40 mit seinen Komponenten wie
Servomotor 70, Abtrieb 50 und Kraftübertragungsmittel 60 gezeigt.
Der Zangenausgleichsantrieb 40 ist als Kurbeltrieb realisiert. Deutlich
ist zu sehen, dass das Kraftübertragungsmittel 60 außermittig
auf der Abtriebsscheibe 50 gelenkig zur Erzeugung einer
Hubbewegung bei Drehung der Kurbelwelle gelagert ist. Als Kraftübertragungsmittel 60 dient
eine Pleuelstange. Der Servomotor 70 ist geberlos realisiert
und wird mittels feldorientierter Regelung betrieben.
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In 2 ist
eine Schweißzange 80 mit Drehachse 90 dargestellt,
welche zwei Antriebe 10, 40 umfasst, wovon ein
Antrieb als Elektrodenantrieb 10 zur Erzeugung der Elektrodendruckkraft
und ein Antrieb als Zangenausgleich 40 fungiert. Zwei Schweißzangenschenkel 20, 25 mit
je einer Schweißelektrode 30, 35 sind
ebenfalls umfasst. Mittels eines Kraftübertragungsmittels 60 ist
der am Gelenk 90 drehbar gelagerte Schweißzangenschenkel 25 mit
dem Kurbelabtrieb 50 verbunden. Der Kurbelantrieb 50 wird mittels
des feldorientiert geregelten Servomotors 70 betrieben.
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Der
Zangenausgleich kann bei minimaler oder maximaler Auslenkung des
unteren Schweißzangenschenkels 25 eine Parkposition
einnehmen. Bei maximaler Auslenkung befindet sich der Kurbeltrieb
im Totpunkt, die Zange ist festgesetzt und kann sich nicht unkontrolliert
bewegen. Die Kurbelwelle kann noch durch eine Raste oder Bremse
in diesem Totpunkt gesichert werden. Alle Auslenkungen außerhalb
der Parkposition können als Arbeitspunkte definiert werden.
Der Zustand der minimalen Auslenkung wird hier nicht genutzt.
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Die
Arbeitsposition der Schweißzange 80 liegt in einem
Bereich zwischen maximaler Auslenkung des unteren Schweißzangenschenkels 25 und minimaler
Auslenkung des unteren Schweißzangenschenkels 25.
Sowohl bei maximaler als auch bei minimaler Auslenkung fluchtet
die Längsachse der Pleuelstange 60 mit dem Drehmittelpunkt
der Scheibe 50.
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Die 3 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung umfassend einen
Werkzeughalter 80, wie detailliert in 2 beschrieben.
Von der Anordnung ist ebenfalls eine Regeleinrichtung 140 zum
Betrieb der Anordnung mittels einer feldorientierten Regelung umfasst.
Die Rückführung von Gebersignalen ist nicht erforderlich.
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Der
Motor 70 wird mittels der Steuerung 110 in der
Betriebsart „Momentensteuerung” betrieben. An
die Steuerung 110 kann wiederum eine Robotersteuerung 120 und
ein Schweißtransformator 130 angeschlossen sein.
Außerdem kann die Steuerung dem Regler 140 Sollwerte
vorgeben. Dem Regler kann ebenfalls ein stochastisches oder periodisches Testsignal 150 zugeführt
werden. Im Anschluss werden stichwortartige beispielhafte Verfahrensschritte zur
Ansteuerung des momentengesteuerten, stromgeregelten Servomotors 70 beschrieben:
Die
Anlage wird eingeschaltet, der Servomotor 70 kann in einer
beliebigen Position stehen. Es wird ein Testsignals 150 erzeugt
und der Polradwinkel (bzw. die Rotorposition) und/oder die Rotorkreisfrequenz nach
dem weiter oben bereits erläuterten Verfahren ermittelt.
Anschließend erfolgt die Kommutierung des Motors 70 unter
Verwendung des Polradwinkels (bzw. der Rotorposition) und/oder der
Rotorkreisfrequenz. Da der Ausgleichsantrieb 40, 50, 70 aufgrund der
Geometrie des Kurbelgetriebes maximal eine Umdrehung fahren kann,
entspricht die geschätzte Rotorposition auch der Absolutposition
des Ausgleichantriebes. Ein an der Zange 80 angebrachter Lagesensor
(nicht gezeigt) ermittelt die Zangenlage relativ zur horizontalen
Lage der Anordnung. Alternativ kann die Zangenlage auch von einer
Robotersteuerung 120 übermittelt werden, weil
die Zange in der Regel von einem Roboter in ihre Lage gebracht wird und
die Koordinaten in der Robotersteuerung 120 hinterlegt
sind.
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Das
erforderliche Moment, um die Referenzelektrode 35 am zu
schweißenden Objekt 100 zu halten (Haltemoment),
ist dem Sinus des Winkels der Zangenlage proportional und wird durch
Multiplikation mit einem konstanten Faktor Fg (Fg, entspricht ungefähr
der Gewichtskraft der um das Zangengelenkt 90 drehbaren
Teile) als Momentensollwert der Motorsteuerung 110 zugeführt.
Das Beschleunigungsmoment ist von der Zangenträgheit abhängig und
wird empirisch ermittelt. Die Zange 80 wird mit dem Beschleunigungsmoment
zuzüglich dem Haltemoment in Bewegung gesetzt. Nach einer
festen Zeitspanne befindet sich die Referenzelektrode 25 der
Zange 80 am zu schweißendem Objekt 100.
Jetzt wird das Sollmoment auf das Haltemoment zurückgenommen.
Die Hauptelektrode 30 kann mittels des Haupthubantriebes 10 gleichzeitig
mit der Referenzelektrode 35 zum zu schweißenden
Objekt 100 bewegt werden (die Referenzelektrode 35 muss
aber vor der Hauptelektrode 30 am zu schweißenden
Objekt 100 anstehen). Der Schweißvorgang wird
eingeleitet, indem die Haupthubelektrode 30 eine Schweißkraft
aufbaut und ein Schweißstrom fließt. Der Ausgleich 40, 50, 70 hält dabei
das Zangengewicht (Schwimmstellung) und verhindert, dass das zu schweißende
Objekt 100 durch das wirksame Zangengewicht beschädigt
(verbogen) wird. Wenn der Schweißvorgang abgeschlossen
ist, wird dem Ausgleichantrieb 40, 50, 70 ein
Zurückstellmoment vorgegeben (dieses ist auch von der Lage
der Zange abhängig), damit die Zange 80 in ihrer „Parkposition” zurück
gefahren werden kann. Aus dieser Parkposition beginnt dann der Vorgang
wieder erneut. Die erfindungsgemäße sensorlose
Ansteuerung erfordert keinen zusätzlichen Hardwareaufwand
und reduziert damit die Herstellkosten. Des Weiteren entfallen auch
Kabel und die Elektronik zur Auswertung herkömmlicher Positionserfassungsmittel
(z. B. Encoder). Die Verfügbarkeit wird außerdem
aufgrund der reduzierten Anzahl möglicher fehlerhafter
Komponenten erhöht. Die sensorlose Ansteuerung würde auch
bei einer Lageregelung funktionieren.
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Die
vorhergehenden Ausführungen bezüglich des Werkzeughalters
beziehen sich, sofern es sich bei dem Werkzeughalter um eine Schweißzange handelt,
auf sogenannte X-Zangen und/oder C-Zangen (an Stelle der Massenträgheit
wird bei der Ermittlung des Beschleunigungsmomentes die linear bewegte
Masse berücksichtigt).
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Die
geberlose Ansteuerung könnte auch in Verbindung mit einer
Lageregelung genutzt werden. Diese könnt beispielsweise
zur Ermittlung des erforderlichen Haltmomentes genutzt werden, sofern
kein Sensor zur Erfassung der Lage des Werkzeughalters im dreidimensionalen
Raum vorhanden ist. Dabei wird der Werkzeughalter kurz von seiner
Parkposition in Lageregelung angehoben, das Istdrehmoment gemessen
und als Haltemoment abgespeichert. Dieser abgespeicherte Wert dient
später als Sollwert für das Haltemoment
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Der
bei Schweißzangen zur Erzeugung eines Anpressdruckes der
Schweißelektroden am Werkstück vorhandene Haupthub
könnte ebenso wie der Ausgleichsantrieb geberlos angesteuert
werden. Es müsste in der Steuerung nur eine Funktion hinterlegt
werden, welche die Umdrehungen mitzählt, um die Lage des
Haupthubes zu berechnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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