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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung
von metallischen Oberflächen mittels eines motorisch angetriebenen Schlagwerkzeugs,
insbesondere von Schweißnähten an metallischen
Bauteilen, welche unterschiedliche Materialmerkmale besitzen können.
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Bei
durch Schweißen verbundenen Bauteilen treten Brüche
bevorzugt in den Bereichen der Schweißnähte auf,
was durch erhöhte Spannungen im Bereich der Schweißnähte
zu erklären ist. Brüche treten insbesondere bei
dynamischer Belastung der Schweißnahtbereiche auf.
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Es
ist bekannt, Schweißnähte durch Hämmern
einer Nachbehandlung zu unterziehen und dadurch die Festigkeit und
Lebensdauer von Schweißverbindungen zwischen Bauteilen
zu erhöhen. Bekannt ist hierfür insbesondere ein
unter der Bezeichnung UIT bekannt gewordenes Verfahren, bei welchem
ein Ultraschallerreger einen oder mehrere beweglich gelagerte Schlagstifte
auf die zu behandelnde Oberfläche schlägt.
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Eine
schlagende Bearbeitung metallischer Oberflächen ist auch
bekannt für die Reduzierung von Materialspannungen in Metallen
oder Legierungen, insbesondere bei Gussmetall.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur weiter verbesserten Behandlung von metallischen Oberflächen,
insbesondere von Schweißnähten an metallischen
Bauteilen, mittels eines motorisch angetriebenen Schlagwerkzeugs
anzugeben.
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Erfindungsgemäße
Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen
beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass bei der Behandlung
von metallischen Oberflächen mittels eines Schlagwerkzeugs
eine zu schwache schlagende Beaufschlagung der Metalloberfläche
mit dem Schlagwerkzeug keine optimale Verbesserung von Festigkeit
der metallischen Oberfläche und insbesondere der Lebensdauer
der Schweißnaht bringt und eine zu starke Beaufschlagung
der Metalloberfläche neue Gefügeschädigungen
erzeugt, welche sich wiederum ungünstig auf Festigkeit
und Lebensdauer auswirken, und dass unterschiedliche metallische
Oberflächen oder metallische Oberflächen unterschiedlicher
Körper zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses der Nachbehandlung
unterschiedlich mit einem Schlagwerkzeug zu beaufschlagen sind.
Bei Schweißnähten sind je nach Material, nach
Art der zu verbindenden Bauteile und nach Art der zu erwartenden
Belastung eine größere Anzahl verschiedener Schweißnahttypen
bekannt und in Normungsvorschriften definiert. Die Erfindung ist
insbesondere auch vorteilhaft anwendbar bei der Behandlung von metallischen
Oberflächen mittels Werkzeugrobotern. Mit einem Verfahren
und einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann ein gutes
Ergebnis der schlagenden Behandlung mit guter Zuverlässigkeit
auch durch weniger erfahrene Benutzer erreicht werden, indem die
materialbedingt unterschiedlichen Anforderungen für eine
solche Nachbehandlung bei der Ansteuerung des Werkzeugs automatisch
berücksichtigt werden.
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Insbesondere
kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass
eine Steuereinrichtung eine Eingabeeinrichtung mit wenigstens einem
Eingabeelement enthält und wenigstens eine Kenngröße
eines Materialmerkmals der Metalloberfläche über
das wenigstens eine Eingabeelement in die Steuereinrichtung eingebbar
ist und die Steuereinrichtung das Steuersignal für den
motorischen Antrieb nach Maßgabe der wenigstens einen eingegebenen
Kenngröße generiert.
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Die
Steuereinrichtung kann insbesondere einen programmierbaren Mikroprozessor
oder Mikrocontroller enthalten. In vorteilhafter Ausführung
enthält die Eingabeeinrichtung eine steuerbare Anzeigeeinrichtung,
welche beispielsweise eine Mehrzahl von Signalleuchten oder vorzugsweise
ein Anzeigefeld (Display) mit Darstellung von Symbolen und/oder alphanumerischen
Zeichen umfassen kann.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform können
einem Eingabeelement der Eingabeeinrichtung mehrere Kennzeichnungen
von Materialmerkmalen zugeordnet sein. Beispielsweise kann ein drehbares
oder verschiebbares Eingabeelement in verschiedene Stellungen gebracht
werden, welchen jeweils unterschiedliche Inhalte eines Materialmerkmals
zugeordnet sind, wobei solche verschiedene Inhalte eines Materialmerkmals
insbesondere verschiedene Metalle und/oder verschiedene Klassen oder
Gruppen von Schweißnähten, welche standardisiert
sind, beinhalten.
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Vorteilhafterweise
sind wenigstens zwei Materialmerkmale, insbesondere die Art des
metallischen Materials oder einer Materialkombination als ein erstes
Materialmerkmal und Typ, Klasse oder Gruppe der Schweißnaht
als zweites Materialmerkmal über die Eingabeeinrichtung
eingebbar. Bei schlagender Behandlung anderer metallischen Oberflächen
kann vorteilhafterweise statt der Angabe über die Schweißnaht
eine andere Kennzeichnung der Oberfläche oder eines metallischen
Körpers eingebbar sein.
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In
der Steuereinrichtung kann nach einer gespeicherten Zuordnungsvorschrift,
welche insbesondere auch mehrere elektronisch gespeicherte Steuerprogramme
enthalten kann, ein Steuersignal mit wenigstens einem veränderbaren
Antriebsparameter für den motorischen Antrieb des Schlagwerkzeugs generiert
und dem motorischen Antrieb zugeleitet werden. Für die
Betätigung des motorischen Antriebs kann, insbesondere
bei einem handgeführten Schlagwerkzeug, noch ein federbelasteter
Einschalter vorgesehen sein. Bei Speicherung mehrerer aaswählbarer
Programme kann eine Auswahl eines der Programme auch direkt über
ein Bedienelement und diesem zugeordnete Kennzeichnungen erfolgen.
Ein veränderbarer Antriebsparameter kann insbesondere ein
die Schlagkraft des Schlagwerkzeugs bestimmender Parameter sein.
Ein weiterer Antriebsparameter kann beispielsweise die Schlagfrequenz
des Schlagwerkzeugs sein. In bevorzugter Ausführungsform
sind Schlagkraft und Schlagfrequenz des Schlagwerkzeugs unabhängig
voneinander veränderlich steuerbar.
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Bei
einem Antrieb mit einem rotierenden Motor, dessen Drehbewegung in
eine lineare Schlagbewegung umgesetzt wird, ist typischerweise die Schlagkraft
mit der Drehzahl des Motors korreliert, kann aber auch durch Eingriff
in die Umsetzung der Drehbewegung in eine Linearbewegung eigenständig
steuerbar sein. Für die Variation der Drehzahl eines Motors
kann bei einem Elektromotor beispielsweise Frequenz, Spannung oder
Strom der aufgenommenen elektrischen Leistung variiert werden, wofür
bei Speisung aus einem Versorgungsnetz mit konstanter Spannung und
Frequenz insbesondere auch Phasenanschnittsteuerungen bekannt sind.
Bei einem hydraulisch oder pneumatisch angetriebenen drehenden Motor
kann durch Steuerung des Drucks und/oder des Durchflusses des Antriebsfluids
die Drehzahl verändert werden. Bei linearen Antriebsmotoren,
wie beispielsweise elektrischen Motoren mit Tauchanker können
Schlagfrequenz und Schlagkraft einzeln beeinflusst werden. Eine
linearer Antrieb kann in besonders vorteilhafter Ausführungsform
einen Schlauchkontraktor mit einer steuerbaren Ventilanordnung für
die zeitgesteuerte Beaufschlagung mit einem unter Druck stehenden
Arbeitsfluid beinhalten. Bei einer nach dem eingangs genannten UIT-Verfahren
arbeitenden Vorrichtung können Frequenz und Amplitude des
Antriebs veränderbar vorgegeben werden.
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Für
das Schlagwerkzeug können in vorteilhafter Ausführung
mehrere unterschiedliche Werkzeugköpfe mit beispielsweise
unterschiedlichem Durchmesser eines oder mehrerer Schlagstifte und/oder
unterschiedlicher Anzahl von Schlagstiften, welche zur Beaufschlagung
der metallischen Werkstückoberfläche dienen, vorgesehen
sein, welche lösbar mit dem motorischen Antrieb verbindbar
sind. Vorteilhafterweise kann bei der Generierung des Steuersignals
zur Ansteuerung des motorischen Antriebs der Typ des jeweils mit
dem Schlagwerkzeug verbundenen Werkzeugkopfes mit berücksichtigt werden,
wofür der Typ des Werkzeugkopfes über die Eingabeeinrichtung
zusätzlich eingegeben werden kann oder vorzugsweise ein
Sensor den Typ des eingesetzten Werkzeugkopfes automatisch detektiert und
der Steuereinrichtung übermittelt.
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Andere
Anwendungen der schlagenden Bearbeitung von metallischen Oberflächen
sind beispielsweise eine Oberflächenverfestigung von metallischen
Bremsscheiben oder anderen an der Oberfläche mechanisch
stark beanspruchten metallischen Körpern.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch veranschaulicht. Dabei
zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung mit
einem Schlagwerkzeug,
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2 eine
alternative Ausführung eines Steuergeräts mit
Eingabeelementen,
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3 ein
pneumatisches Schlagwerkzeug mit integrierter Steuereinrichtung,
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4 ein
Steuersignal
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5 eine
direkte Programmauswahl.
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1 zeigt
in schematischer Ansicht ein Schlagwerkzeug SW1 mit einem motorischen
Antrieb WA1 und einem Werkzeugkopf WK1. Antriebsleistung AL für
den motorischen Antrieb WA1 sei über eine Leitung LA zugeführt.
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Der
motorische Antrieb WA1 des Schlagwerkzeugs SW1 ist in wenigstens
einem Parameter, beispielsweise Frequenz oder insbesondere Schlagkraft,
veränderlich steuerbar und ist zur Vorgabe eines Antriebsparameters, über
welche eine der genannten Größen veränderbar
ist, über eine Steuerleitung SL1 mit einer Steuereinrichtung
SE1 verbunden. Die Steuereinrichtung SE1 kann in vorteilhafter Ausführung
in eine Leistungsquelle, aus welcher die Antriebsleistung AL dem
Schlagwerkzeug SW1 zugeführt ist, integriert sein. Die
Leitungen LA und SL1 können dann auch in einer mehradrigen
Leitung vereint sein oder bei nichtelektrischer Antriebsart kann eine
Leitung für ein Antriebsmedium, z. B. Druckluft mit der
Steuerleitung baulich verbunden sein.
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Die
Steuereinrichtung SE1 enthält eine mit PR bezeichnete programmierbare
elektrische Einrichtung wie insbesondere einen Mikroprozessor oder
einen Mikrocontroler. Die Steuereinrichtung SE1 enthält
ferner eine Anzeigeeinrichtung AE1, auf welcher Symbole oder wie
in 1 gezeigt, alphanumerische Anzei gen darstellbar
sind. Die Anzeige auf der Anzeigeeinrichtung AE1 ist im skizzierten
Beispielsfall so gestaltet, dass in einer linken Spalte verschiedene
Materialien zur Auswahl stehen, beispielsweise unterschiedliche
Metalle oder Metalllegierungen, welche innerhalb der einzelnen Metalle
oder Legierungen noch in verschiedene Typen unterteilt sein können.
In einer zweiten rechten Spalte sind verschiedene standardisierte
Typen von Schweißnähten dargestellt. Beispielsweise
kann mit einem ersten Eingabeelement EE11 am linken Rand der Anzeige eine
Auswahl unter den in der linken Spalte aufgeführten Arten
von Metallen oder Metalllegierungen getroffen werden und in der
rechten Spalte wird dann automatisch oder z. B. nach Eingabe der
getroffenen Materialauswahl mittels einer SET-Taste eine auf die in
der linken Spalte getroffene Auswahl abgestimmte und reduzierte
Auswahl von möglichen Schweißnahttypen angezeigt,
unter welchen über ein zweites Eingabeelement EE12 wiederum
eine Auswahl getroffen werden kann. Der Benutzer kann auf diese
Weise mit den Eingabeelementen und dem Display eine Kombination
von Material und Schweißnahttyp für den aktuell
zu bearbeitenden Fall auswählen, im skizzierten Beispiel
seien dies beispielsweise eine Stahlsorte B für die verbundenen
Bauteile und eine Schweißnaht vom Typ SN2.
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In
der elektronischen Einrichtung PR ist eine Zuordnungsvorschrift,
beispielsweise in Form eines Berechnungsprogramms oder insbesondere
einer Tabelle gespeichert, welche ein Steuersignal ST1 erzeugt,
in welchem wenigstens ein veränderbarer Parameter, im skizzierten
Beispielsfall zwei veränderbare Parameter A1 und A2 für
die Ansteuerung des Schlagwerkzeugs bzw. dessen motorischen Antrieb WA1
enthalten sind. Die Antriebsparameter A1 und A2 können
insbesondere ein die Schlagkraft des Schlagwerkzeugs SW1 bestimmender
erster Antriebsparameter A1 und ein die Schlagfrequenz des Schlagwerkzeugs
SW1 bestimmender zweiter Antriebsparameter A2 sein. Die mehreren
Antriebsparameter können auch in einem Signal, beispielsweise einem
Signal unterschiedlicher Frequenz und unterschiedlichem Taktverhältnis
zwischen zwei Schaltzuständen integriert sein.
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Die
Eingabe von nachfolgend als Materialmerkmalen bezeichneten Angaben über
beispielsweise Art des Metalls oder der Metalllegierung einerseits
und des Typs der Schweißnaht andererseits ist für
den Benutzer einfach und intuitiv verständlich und der
Benutzer braucht sich nicht um optimierte Antriebsparameter für
das Schlagwerkzeug SW1 selbst kümmern. Die für
die eingegebene Material-Schweißnaht-Kombination optimierte
Antriebsparameter werden durch die Steuereinrichtung SE1 ermittelt
und dem Schlagwerkzeug bzw. dessen motorischem Antrieb zugeleitet.
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2 zeigt
eine alternative Ausführung einer Steuereinrichtung SE2,
bei welcher in vereinfachter Ausführung keine Anzeigeeinrichtung
vorgesehen ist, sondern zwei Eingabeelemente oder Bedienelemente
EE21, EE22 vorgesehen sind, welche beispielsweise als Drehknöpfe
ausgeführt sein können. Jedem der beiden Eingabeelemente
sind am Umfang eines Drehkreises mehrere Kennzeichnungen zugeordnet,
auf welche eine korrespondierende Markierung, beispielsweise eine
Spitze eines Griffelements GE1 bzw. GE2 gerichtet werden kann, wodurch
eine Materialauswahl bzw. eine Schweißnahtauswahl analog
zur Vorgehensweise nach 1 getroffen wird. Dabei können
prinzipiell auch unzulässige Material-Schweißnaht-Kombinationen
ausgewählt werden. Eine unzulässige oder eine
zulässige Kombination kann dem Benutzer über ein
Signalelement signalisiert werden, beispielsweise ein Leuchtelement LE,
welches in unterschiedlichen Farben leuchten oder nur bei zulässiger
Kombination leuchten oder bei unzulässiger Kombination
blinken oder in einer anderen signalisierenden Art angesteuert sein
kann. Bei nicht zulässiger Kombination kann die Abgabe
eines Steuersignals ST2 unterdrückt sein.
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Neben
den geschilderten Angaben über Material und Schweißnahttyp
können auch zusätzliche Angaben über
z. B. einen bestimmten Typ eines Werkzeugkopfes an dem Schlagwerkzeug
eingegeben werden, wobei hierfür auch wiederum eine Display-
oder Bedienelement-Auswahl vorgegeben sein kann.
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3 zeigt
ein Schlagwerkzeug SW3, welches beispielsweise als motorischen Antrieb
einen Schlauchkontraktor SA in einem Gehäuse GE enthält.
Solche Schlauchkontraktoren, welche sich bei Zuführung
eines unter Druck stehenden Fluids in den Innenraum eines flexiblen
Schlauches seitlich aufweiten und dabei in der Länge verkürzen,
sind beispielsweise als Fluidic Muscle der Firma Festo bekannt und
beispielsweise in der
DE
200404326 U1 beschrieben. Dem Schlagwerkzeug SW3 ist über eine
Zuleitung ZL ein unter Druck stehendes Fluid, insbesondere Druckluft
DF zugeführt, welches einer in das Gerät integrierten
Ventilanordnung VA zugeleitet ist. Die Ventilanordnung VA ist durch
die Steuereinrichtung SE3 über ein Kombinationssignal mit
Antriebsparametern A31 und A32 angesteuert und bewirkt je nach Signalzustand
des vorzugsweise binären Steuersignals eine Zufuhr von
Druckluft in den Schlauchkontraktor in einem ersten Signalzustand und
ein Entlüften des Schlauchkontraktors zu Umgebungsdruck
in einem anderen Schaltzustand. Die Steuereinrichtung SE3 bezieht
die vom Benutzer zu machenden Vorgaben über Eingabeelemente
EE31, EE32, welches gleichfalls in das Gehäuse des Schlagwerkzeugs
SW3 integriert sind, und erzeugt nach Maßgabe der vom Benutzer über
die Einstellelemente gewählten Vorgaben das Steuersignal
ST3.
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Das
Steuersignal ST3 kann beispielsweise einen ersten, die Schlagkraft
bestimmenden Antriebsparameter A31 und einen zweiten, die Schlagfrequenz
bestimmenden Antriebsparameter A32 in einer kombinierten Signalform
in der Weise enthalten, dass das Signal ein binäres Signal
mit einer veränderbaren Frequenz und innerhalb einer Periode
veränderbarem Tastverhältnis zwischen zwei Signalzuständen
aufgebaut ist. Ein solches Signal ist in 4 dargestellt,
wo T1 die Periodendauer als Kehrwert der Frequenz angibt und T11
und T12 die Teilabschnitte der den Signalzuständen S1 bzw.
S2 zugeordneten Zeitdauern innerhalb einer Periodendauer T1 sind.
Durch Verändern des Tastverhältnisses T11/T1 bzw.
T11/T12 ist bei dem Aufbau des Schlagwerkzeugs SW3 die Schlagkraft
verstellbar, indem der Arbeitspunkt des Schlauchkontraktors SA bei
unterschiedlichen Tastverhältnissen verschoben wird. Hierzu
ist beispielsweise eine durch den Schlauchkontraktor SA oszillierend
bewegte Stempelstange SS, an deren dem Werkzeugkopf WKN zugewandtem
Ende ein Schlagkörper SK angeordnet ist, an einer Federanordnung
FE, insbesondere einer Tellerfederanordnung gestützt. Je
nach gewähltem Tastverhältnis T11/T12 stellt sich
eine andere mittlere Längsposition der Stempelstange SS
und ein anderer Hub des Schlagkörpers SK ein. Die Arbeitskörper
AK des Werkzeugkopfes WKN seien relativ zu dem Schlagkörper
SK verschiebbar.
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In 3 ist
noch angedeutet, dass mittels eines Sensors WKS ein Typ eines auswechselbaren Werkzeugkopfes
WKN automatisch detektiert und an die Steuereinrichtung SE3 geleitet
werden kann. In der Steuereinrichtung SE3 kann der Typ des Werkzeugkopfes
bei der Generierung des Steuersignals ST3 mit berücksichtigt
werden. In vorteilhafter Weiterbildung kann auch vorgesehen sein,
dass für den Fall, dass der eingesetzte und vom Sensor
erkannte Werkzeugkopf für die vorgesehene Anwendung als ungeeignet
in der Steuereinrichtung abgespeichert ist, ein Alarmsignal optisch
oder akustisch erzeugt wird und/oder eine Inbetriebnahme des Schlagwerkzeugs
durch die Steuereinrichtung verhindert wird, indem z. B. kein Steuersignal
für den motorischen Antrieb erzeugt wird. In wieder anderer
Ausführung kann, wenn der Werkzeugkopf bei der Eingabe
der Materialangaben bereits an dem Schlagwerkzeug angebracht war,
dem Benutzer bei der Displayeingabe eine auf diesen Werkzeugkopf
beschränkte Auswahl für die Eingabe vorgegeben
werden.
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5 zeigt
eine Steuereinrichtung SE5, bei welcher ein einzelnes Bedienelement
oder Eingabeelement EE5 vorgesehen ist, dessen verschiedenen gestuften
Drehpositionen jeweils diskrete Programme, welche insbesondere bereits
feste Merkmalskombinationen von Metallart (z. B. Stahl St oder Aluminium
A1) und Schweißnahttypen (z. B. Schweißnahttypen
SN1, SN2, SN3 für Stahl bzw. SN4, SN5 für Aluminium)
beinhalten und denen einzelne gespeicherte Antriebsprogramme in
Form von Antriebsparametern A51, A52 zugeordnet sind, welche in
einem Steuersignal ST5 an einen steuerbaren motorischen Antrieb
eines Schlagwerkzeugs ausgegeben werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens
in mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere können die
Antriebsparameter je nach Art des motorischen Antriebs andere Größen
beinhalten. Bei einem elektromotorischen Antrieb kann bei einem
linearen Antrieb, wie beispielsweise einem Tauchankermotor, gleichfalls
ein Signal nach Art der 4 erzeugt werden, wobei die Schlagkraft
dabei typischerweise mit der Dauer der Strombeaufschlagung einer
Motorspule korreliert ist. Es kann bei einem elektromotorischen
Antrieb aber auch die Spannung, mit welcher der Motor beaufschlagt
wird, variiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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