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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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Aus der
DE 10 2007 030 544 A1 ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken bekannt, mit der das Gefüge der Werkstückoberfläche durch Impulsbeaufschlagung hinsichtlich gewünschter Materialeigenschaften beeinflusst werden kann. Über Bedieneinheiten können die Frequenz und das Ein-Aus-Tastverhältnis eines Bearbeitungskopfes eingestellt werden. Die ideale und materialabhängige Parameterkonfiguration muss von einem Bediener individuell eingestellt werden.
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Aus der
US 2005/0145306 A1 ist es bekannt Schweißnähte nachzubehandeln um diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Festigkeit und Dauerfestigkeit zu verbessern. Über einen Testzyklus sind materialspezifische Parameterkonfigurationen zwischen einem Sollwert und einem Istwert ermittelbar.
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Aus der
DE 103 03 006 A1 ist ein handgeführtes Arbeitsgerät bekannt, das ein Anzeigegerät umfasst, mit dem alphanumerische Informationen und Geräteeinstellungen angezeigt werden können.
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Aus der
DE 36 37 128 A1 ist eine Arbeitsvorrichtung bekannt, bei der ein auswechselbarer Bohrhammer oder Meissel von einem Sensor automatisch erkannt werden kann und Geräteeinstellungen entsprechend des erkannten Bearbeitungswerkzeuges automatisch eingestellt werden.
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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 auswählbarer 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:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung mit einem Schlagwerkzeug,
- 2 eine alternative Ausführung eines Steuergeräts mit Eingabeelementen,
- 3 ein pneumatisches Schlagwerkzeug mit integrierter Steuereinrichtung,
- 4 ein Steuersignal
- 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 Anzeigen 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 200 04 326 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 AI) 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.
