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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Kondensatorentladungsschweißen, mit einer Ladestromquelle, einem elektromechanischen Antrieb und mindestens einem Schweißkondensator.
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Beim Lichtbogenbolzenschweißen findet häufig das Kondensatorentladungsschweißen Anwendung. Hierbei kommen Schweißpistolen oder Schweißköpfe zum Einsatz, die für die zu schweißenden Bolzen einen elektromechanischen bzw. elektromagnetischen Antrieb aufweisen, der zumeist eine Gleichstromversorgung erfordert.
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Hierfür sind aus dem Stand der Technik bereits verschiedenste Konzepte bekannt. Zwei verschiedene Möglichkeiten werden in den 2 und 3 gezeigt. Bei beiden Varianten wird ein elektromechanisches bzw. elektromagnetisches Antriebselement 5 mit Hilfe eines Schaltelements 4 ein- und ausgeschaltet. Hierbei ist ein Pufferkondensator 3 vorgesehen, der durch eine Stromversorgung entsprechend aufgeladen wird. Durch den Pufferkondensator 3 weist die Spannung im Einschaltmoment einen mehrfach höheren Wert im Vergleich zur Nennspannung des Elektromagneten auf, wodurch eine sehr kurze Reaktionszeit in Verbindung mit einer hohen Kraft erreicht wird. Bei der in 2 gezeigten Variante ist für die Stromversorgung entweder ein eigener Transformator 22 oder eine Hilfswicklung des vorhandenen Netztransformators vorgesehen. Zwischen dem Transformator 22 und dem Pufferkondensator 3 sind weiterhin noch ein Gleichrichter 20 und ein Strombegrenzungswiderstand 21 angeordnet, wodurch sich der gewünschte Spannungs- und Stromverlauf bei einem Einschalten des elektromagnetischen Antriebs 5 ergibt. Dieser Spannungs- und Stromverlauf wird hierbei im Wesentlichen durch den eigenen ohmschen Widerstand des Elektromagneten, die Sekundärspannung der Transformatorwicklung, den Strombegrenzungswiderstand und die Kapazität des Pufferkondensators bestimmt. Dementsprechend ergibt sich die Problematik, dass der zeitliche Verlauf der Spannungs- und Stromkurve nur durch Änderung dieser bestimmenden Komponenten beeinflusst werden kann.
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Um derartige Bolzenschweißgeräte nun auch in Ländern mit unterschiedlicher Netzspannung betreiben zu können, sind an der primärseitigen Wicklung des Transformators mehrere Abgriffe vorgesehen, die mit einem Umschaltelement 23 verbunden sind. Bei Verwendung derartige Bolzenschweißgeräte mit unterschiedlichen Netzspannungen ist somit die nötige Umschaltung und auch das zusätzliche Umschaltelement als weiterer Nachteil der in 2 gezeigten Variante zu erwähnen.
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Zusätzlich ist bei dieser Schaltungsvariante auch noch anzusprechen, dass am Strombegrenzungswiderstand eine Verlustleistung entsteht, die zur Erwärmung des Geräts führt.
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Um insbesondere eine Umschaltung bei unterschiedlichen Netzspannungen zu vermeiden, ist bei der in 3 gezeigten Variante ein Weitbereichsschaltnetzteil 24 vorgesehen. Derartig primärgetaktete Schaltnetzteile sind bereits hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht im Detail auf den Aufbau eingegangen wird.
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Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Variante erübrigt sich nun bei der in 3 gezeigten Variante eine Umschaltung bei unterschiedlichen Netzspannungen. Zusätzlich ist hier auch kein Strombegrenzungswiderstand mehr nötig, da das Schaltnetzteil selbst über eine Strombegrenzung und/oder -regelung verfügt, wodurch der Wirkungsgrad dieser Anordnung gesteigert wird und die Verlustleistung entsprechend gering ist. Aber auch bei der in 3 gezeigten Variante ergeben sich einige Nachteile. So kann auch hier der zeitliche Verlauf der Spannungs- und Stromkurve nur durch Änderung der bestimmenden Komponenten – Kapazität des Pufferkondensator, Leerlaufspannung des Netzteils und ohmsche Widerstand des Magneten – beeinflusst werden. Zusätzlich sind derartige Schaltnetzteile auch verhältnismäßig aufwendig und erhöhen somit die Systemkosten für Bolzenschweißgeräte, die eine derartige Technik integriert haben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Schweißgerät zu entwickeln, dass sowohl eine netzspannungsunabhängige und möglichst kostengünstige Stromversorgung des elektromagnetischen Antriebs ermöglicht, als auch die Möglichkeit bietet, beliebige Spannungs- und Stromverläufe auf einfache Weise zu erzeugen.
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Die Aufgabe wird durch eine Anordnung und ein Verfahren zum Kondensatorentladungsschweißen gemäß Anspruch 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei Kondensatorentladungsschweißgeräten ist es mittlerweile üblich, dass die Schweißkondensatoren mit entsprechenden Stromquellen geladen werden, die üblicherweise als primärgetaktete Schaltnetzteile realisiert sind und dabei Ladeströme von mehreren Ampere und Ladespannungen von über 200 Volt erzeugen können. Hierbei können diese Stromquellen ohne manuelle Umschaltung an den üblichen Netzwechselspannungen von 85 bis 265 Volt betrieben werden. Da zur Ladung der Schweißkondensatoren nun immer eine Stromquelle vorgesehen ist, wird nun erfindungsgemäß eine Anordnung und ein Verfahren zum Kondensatorentladungsschweißen mit einem elektromechanischen bzw. elektromagnetischen Antrieb für die Bewegung eines zur Schweißung vorgesehenen Elements, insbesondere eines Bolzens, mindestens einem Schweißkondensator und einer Ladestromquelle zur Energieversorgung bzw. zum Laden des Schweißkondensators vorgeschlagen, wobei die Ladestromquelle auch dem elektromechanischen Antrieb als Energiequelle dient und die Energieversorgung des Schweißkondensators und die Energieversorgung des elektromechanischen Antriebs jeweils unabhängig voneinander geregelt werden.
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Um nun zu ermöglichen, dass die Ladestromquelle zusätzlich auch den elektromechanischen Antrieb mit Energie versorgen kann, sind Mittel zur Versorgung des elektromechanischen Antriebs und des Schweißkondensators mit Energie vorgesehen, die im Einzelnen aus einer Ladeschaltung für den Schweißkondensator, einem Pufferkondensator, einer Ladeschaltung für den Pufferkondensator und einem Schaltelement bestehen können. Sowohl die Ladeschaltung für den Schweißkondensator als auch die Ladeschaltung für den Pufferkondensator kann hierbei jeweils aus einem weiteren Schaltelement und einem Mess- und Regelelement bestehen, welche die Ladung des Schweißkondensators, bzw. Pufferkondensators regeln. Der elektromechanische Antrieb wird hierbei während des Schweißvorgangs durch den Pufferkondensator mit Energie versorgt.
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Durch die Mess- und Regelelemente ist es nun möglich, dass eine Einstellung und Regelung der Spannung an dem Schweißkondensator und der Spannung an dem Pufferkondensator jeweils unabhängig voneinander möglich ist.
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Zusätzlich kann die Ladestromquelle eine Sollwertvorgabe für den Stromwert erhalten, wobei diese dann einen Gleichstrom mit entsprechendem Wert liefert. Auch den Mess- und Regelelementen können entsprechende Sollwertvorgaben für die Kondensatorspannungen gemacht werden, wobei die Kondensatorspannungswerte dann durch die Mess- und Regelelemente mit Hilfe der weiteren Schaltelemente entsprechend angepasst werden.
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Durch diese umfangreichen Steuer- und Regelmöglichkeiten ist es nunmehr möglich unterschiedlichste Spannungs- und Stromverläufe auf einfache Weise zu erzeugen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mess- und Regelelemente funktionell einem Mikroprozessor der Gerätesteuerung zugeordnet sind und Halbleiterelemente die Schaltfunktionen des Schaltelements und der weiteren Schaltelemente übernehmen Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine Schaltung zur Stromversorgung eines elektromechanischen Antriebs einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Kondensatorentladungsschweißen;
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2 eine erste aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Stromversorgung des elektromechanischen Antriebs;
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3 eine zweite aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Stromversorgung des elektromechanischen Antriebs.
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Die in den 2 und 3 gezeigten Schaltungsanordnungen stellen den bisher bekannten Stand der Technik bei Gleichstromversorgung für einen elektromechanischen bzw. elektromagnetischen Antrieb 5 dar. In beiden Figuren sind jedoch keine Schweißkondensatoren dargestellt, da diese für die Gleichstromversorgung des Antriebs 5 in den 2 und 3 ohne Bedeutung sind.
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In 1 ist nun eine erfindungsgemäße Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Ladestromquelle 1, welche zur Versorgung der Schweißkondensatoren 2 vorgesehen ist, zusätzlich nun auch zur Versorgung des elektromagnetischen Antriebs 5 mit Energie genutzt wird. Wie bereits auch aus dem Stand der Technik bekannt, wird der elektromagnetische Antrieb 5 mit Hilfe eines Schaltelements 4 ein- und ausgeschaltet, wobei hier wiederum eine Pufferkondensator 3 vorgesehen ist.
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Sowohl der Pufferkondensator 3 als auch die Schweißkondensatoren 2 werden nun durch die Stromquelle 1 aufgeladen. Hierzu sind jeweils ein weiteres Schaltelement 6 und 7 und ein Mess- und Regelelement 8 und 9 sowohl bei den Schweißkondensatoren 2 als auch bei dem Pufferkondensator 3 angeordnet.
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Im Einzelnen ist nun vorgesehen, dass die Schweißkondensatoren 2 und der Pufferkondensator 3 an die Ladestromquelle 1 angeschlossen sind, wobei die Zufuhr des Gleichstroms der Ladestromquelle 1 von den Schaltelementen 6 und 7 unterbrochen werden kann. Diese Schaltelemente 6 und 7 werden hierbei durch die Mess- und Regelelemente 8 und 9 gesteuert, wobei die Mess- und Regelelemente 8 und 9 jeweils die Spannung an den Schweißkondensatoren 2 bzw. dem Pufferkondensator 3 erfassen und entsprechend einer über 11 und 12 erfolgten Sollwertvorgabe für die jeweilige Spannung die Schaltelemente 6 und 7 an- bzw. abschalten und so die Spannung an den Schweißkondensatoren 2 und die Spannung an dem Pufferkondensator 3 regeln. Somit ist es möglich, dass die Spannung an den Schweißkondensatoren 2 bzw. an dem Pufferkondensator 3 konstant gehalten werden kann.
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Insbesondere ist hierbei zu beachten, dass die Spannung an den Schweißkondensatoren 2 und die Spannung an dem Pufferkondensator 3 jeweils unabhängig voneinander geregelt und konstant gehalten werden kann, da sowohl für die Schweißkondensatoren 2 als auch für den Pufferkondensator 3 jeweils eigene Schaltelemente 6 und 7 und Mess- und Regelelemente 8 und 9 vorgesehen sind.
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Die an dem Pufferkondensator 3 anliegende Spannung wird dann durch das Schaltelement 4 an den elektromagnetischen Antrieb 5 weitergeleitet, wodurch die Spannung an dem Pufferkondensator 3 abfallen würde. Das Mess- und Regelelement 9 regelt nun jedoch die Spannung an dem Pufferkondensator 3 mit Hilfe des Schaltelements 7 entsprechend wieder aus. Durch diesen Spannungsreglerbetrieb kann nun das elektromagnetische Antriebselement 5 dauerhaft mit konstanter Spannung versorgt werden. Ebenso kann auch die Spannung an den Schweißkondensatoren 2 mit Hilfe des Mess- und Regelelements 8 und des Schaltelements 6 dauerhaft konstant gehalten werden.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es nun möglich, entsprechende Hochleistungsantriebe und deren Energieversorgung auch über einen längeren Zeitraum zu verwenden. Hierzu werden beispielsweise die Schaltelemente 4 und 7 geschlossen und der Ladestromquelle 1 wird ein Stromsollwert 10 vorgegeben, denn diese dann entsprechend liefert. Der Stromfluss erzeugt nun einen Spannungsabfall am Widerstand des elektromechanischen Antriebs 5 und versorgt ihn dadurch mit der benötigten Leistung. Durch diesen Stromreglerbetrieb erzeugen z. B. Elektromagnete eine konstante Kraft auch dann, wenn der Spulenwiderstand durch Erwärmung ansteigt.
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Basierend auf diesen umfangreichen Steuer- und Regelmöglichkeiten können nun komplexe Spannungs- und Stromverläufe erzeugt werden, in dem die Sollwerte 10, 11, 12 variiert werden und die Betriebsarten wechseln. Beispielsweise wird der Betrieb mit einer hohen Spannung im Spannungsreglerbetrieb gestartet, um eine möglichst hohe Beschleunigung zu erreichen. Nach einer bestimmten Zeit wird die Spannung einer zeitabhängigen mathematischen Funktion folgend bis auf einen Arbeitswert, beispielsweise die Haltespannung, reduziert und in die Betriebsart Stromregelung gewechselt.
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Die Mess- und Regelelemente 8 und 9 können beispielsweise funktionell in den Mikroprozessor der Gerätesteuerung der Schweißvorrichtung integriert sein. Des Weiteren sind die Schaltelemente 4, 6 und 7 vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgebildet.
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Alle gezeigten Ausführungsformen sind in positiver Schaltungspolarität dargestellt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit diese mit umgekehrter Schaltungspolarität, d. h. gegenüber des Gerätebetriebspunkts negativer Kondensatorspannung, aufzubauen.
