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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Widerstandsschweißeinrichtung und eine Widerstandsschweißeinrichtung als solche.
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Widerstandsschweißeinrichtungen erfordern das Vorhandensein eines Antriebsstrangs zur mechanischen Ausrichtung der Schweißzange beziehungsweise zur exakten Positionierung der an der Schweißzange angeordneten Schweißelektroden an einem zu bearbeitenden Werkstück.
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Der Antriebsstrang umfasst unter anderem einen Antriebsregler oder einen Antriebsverstärker, einen Linearantrieb mit elektrischem Motor und eine mechanische Spindel.
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Derartige Spindelantriebe sind mit einer um eine vorgegebene Drehachse drehbar angeordneten Spindel und einem Eingriffselement versehen. Dieses Eingriffselement umgibt die Spindel abschnittsweise und ist in Richtung der Drehachse der Spindel gegenüber der Spindel verschiebbar.
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Das Eingriffselement greift derart in die Spindel ein, dass durch eine Drehung der Spindel bezüglich des Eingriffselementes die Verschiebung des Eingriffselementes gegenüber der Spindel verursacht wird.
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Solche Spindelantriebe umfassen in der Regel auch Schmiermittel, um einem mechanischen Verschleiß vorzubeugen.
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Die Lebensdauer solcher Spindeln liegt bei 10 bis 15 Mio. Schweißzyklen, wobei während der Schweißung eine Schweißkraft von bis zu 5 kN von der Mechanik konstant erbracht werden muss, denn nur bei konstanter Kraft wird auch die Fügeebene der Schweißung konstant gehalten.
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Mit zunehmender Lebensdauer leidet die Qualität der Schweißverbindungen, weil der konstante hohe Kraftaufwand aufgrund des mechanisches Verschleißes der Spindel nicht mehr erbracht werden kann und auch die Positioniergenauigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann. Folge können sein: Unterbrechungen einer laufenden Montagestraße, insbesondere im Automobilbau, höherer Ausschuss, insgesamt dadurch höhere Kosten.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine vorbeugende Wartung für den Antriebsstrang der Widerstandsschweißeinrichtung in Hinblick auf das dynamische Verhalten des Antriebsstrangs ohne zusätzliche Sensorik zu realisieren.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem ein Verfahren zum Betrieb einer Widerstandsschweißeinrichtung und eine geeignete Widerstandsschweißeinrichtung bereitgestellt wird. Diese Widerstandsschweißeinrichtung umfasst einen Antriebsstrang, einen Antriebsregler und einen Linearantrieb mit elektrischem Motor und mechanischer Spindel zur Positionierung der Schweißelektroden an einem Werkstück.
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In einem ersten Verfahrensschritt werden die Kenngrößen eines ersten Frequenzgangs des Antriebsstrangs und/oder weiterer mechanischer Elemente der Widerstandsschweißeinrichtung zu einem ersten Zeitpunkt (Ruhezustand der Einrichtung) ermittelt und in Form von Referenzdaten gespeichert. Im Rahmen eines zweiten Verfahrensschrittes werden zu einem zweiten Zeitpunkt (Einrichtung war einige Zeit im Betrieb) Kenngrößen eines zweiten Frequenzgangs des Antriebsstrangs ermittelt. In einem dritten Verfahrensschritt werden die Kenngrößen des ersten Frequenzgangs unter Verwendung der Referenzdaten mit den Kenngrößen des zweiten Frequenzgangs verglichen.
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Hierzu wird die zu Analysierende Komponente der Widerstandsschweißeinrichtung, beispielsweise die Schweißzangenmechanik oder der Antriebsstrang, möglichst breitbandig mittels eines integrierten Rauschgenerators angeregt.
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Diese Vorgehensweise eignet sich dazu mechanische und elektrische Eigenschaften des Antriebsstrangs und/oder der Widerstandsschweißeinrichtung, beispielsweise der Schweißzange, hinsichtlich Veränderungen im Frequenzbereich zu analysieren und somit pro-aktiv einem Verschleiß vorzubeugen. Die Vergleichsergebnisse geben dem Betreiber der Widerstandsschweißeinrichtung eine Information darüber, dass sich im Antriebsstrang eventuell etwas verändert hat. Diese Veränderungen sind in der Regel auf einen Verschleiß der im Antriebsstrang vorhandenen elektrischen und mechanischen Komponenten zurückzuführen.
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Bei den Kenngrößen kann es sich beispielsweise um die Amplitude, die Phase, die Dämpfung, Resonanzfrequenzen oder die Kohärenz handeln. Weiter können berücksichtigt werden Verschiebungen von Kennfrequenzen, Veränderungen von Eckfrequenzen, Resonanzstellen und Veränderungen der Dämpfung von Kenngrößen.
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Die Vergleichsergebnisse können dem Betreiber der Widerstandsschweißeinrichtung somit unter anderem eine Information darüber geben, mit welcher Intensität eine Veränderung an der Mechanik und/oder an der Elektronik im Detail stattgefunden hat. Resonanzstellenänderungen der Achsmechanik ermöglichen beispielsweise einen Rückschluss darauf, welche Komponente im Antriebsstrang den höchsten Verschleiß aufweisen könnte. Bei diesen Komponenten handelt es sich in der Regel um den Motor oder die mechanische Spindel oder die Schweißzangenmechanik.
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Widerstandsschweißzangen, insbesondere Widerstandspunktschweißzangen, bestehen aus vielen mechanischen Komponenten sowie aus einem Haupthubmotor (Elektroservozylinder) mit einer Spindel.
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Die Erfindung ermöglicht es somit mechanische Veränderungen bei einer Widerstandspunktschweißzange frühzeitig zu erkennen. Außerdem kann der mögliche Fehlerort (Mechanik, Elektroservozylinder bzw. Haupthub, Spindel im Elektroservozylinder bzw. Haupthub) leichter lokalisiert werden.
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Bevorzugt wird zusätzlich jeweils ein erstes Toleranzband/Hüllkurve für die zulässige Amplitudenabweichung und/oder ein zweites Toleranzband/Hüllkurve für die zulässige Phasenabweichung und/oder ein drittes Toleranzband/Hüllkurve für die zulässige Resonanzfrequenzabweichung und/oder weitere Toleranzbänder für weitere Kenngrößen verwendet, mit denen die Kenngrößen des zweiten Frequenzgangs verglichen werden.
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Der Betreiber der Widerstandsschweißeinrichtung kann eigenes Prozess-Knowhow in den Vergleich mit einfließen lassen, indem er in geeigneter Weise Werte zur Definition der Toleranzbänder/Hüllkurven vorgibt. Werden diese Toleranzbänder überschritten, so können daraus wertvolle Informationen bezüglich des Verschleißes des Antriebsstrangs abgeleitet werden.
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Bevorzugt wird der Antriebsstrang mit einem Sollfrequenzgang beaufschlagt. Der Sollfrequenzgang dient als Ausgangspunkt für alle Messungen und stellt somit sicher, dass die festgestellten Änderungen im Frequenzgang sich im wesentlichen ausschließlich aus dem Zustand des Antriebsstrangs und nicht etwa aus der momentanen Anregung des Antriebsstranges selbst heraus ergeben.
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Während des Vergleichs selbst können auch weitere für Widerstandsschweißanlagen charakteristische Kenngrößen, insbesondere Kenngrößen einer Widerstandsschweißzange, berücksichtigt werden.
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Ganz besonders bevorzugt könnte unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses eine Diagnosemeldung bezüglich der Auswirkungen von Abweichungen auf die Qualität der durchzuführenden Schweißarbeiten erzeugt werden, um für weniger mit dem Schweißprozess vertrautem Bedienpersonal zusätzliche Informationen aufzubereiten.
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Eine vorbeugende Wartung durch den Betreiber kann jetzt verschleißabhängig erfolgen, üblicherweise erfolgte bisher eine Wartung in festen Intervallen und der tatsächliche Verschleiß wurde nicht berücksichtigt. Dies hilft einem vorzeitigen Ausfall der Widerstandsschweißeinrichtung vorzubeugen.
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Unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses kann nun eine Diagnosemeldung bezüglich des dynamischen Verhaltens der Komponenten der Widerstandsschweißeinrichtung generiert werden.
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Für die Durchführung des oben genannten Verfahrens wird eine Eingangs erwähnte Widerstandsschweißeinrichtung mit Antriebsstrang, ein Antriebsregler und mit einem elektrischen Linearantrieb vorgeschlagen. In den Antriebsregler sind Mittel in Form von Hardware und/oder Software zur Durchführung des Verfahrens integriert, so dass das Verfahren vorzugsweise vom Antriebsregler selbst durchführbar ist. Zur Durchführung der Frequenzganganalyse ist vorzugsweise ebenfalls ein Rauschgenerator in den Antriebsregler integriert.
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Bevorzugt ist der Antriebsregler vom Linearantrieb umfasst, um eine möglichst kompakte Anordnung bereitzustellen. Weiter bevorzugt ist vom Antriebsregler auch noch eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) umfasst, so dass die Anordnung zusätzliche Informationen verarbeitet werden können, beispielsweise die Verarbeitung externer Sensorsignale.
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1 zeigt einen von der Widerstandsschweißeinrichtung umfassten Spindelantrieb.
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2 zeigt schematisch die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt eine Schweißzange mit Antriebsstrang.
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4 zeigt ein Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Spindelantrieb 1, wie er beispielsweise bei Elektroservozylindern in Schweißzangen Anwendung finden kann. Dabei kennzeichnet das Bezugzeichen 2 eine Spindel, die um eine Drehachse X drehbar ist. An ihrem Außenumfang weist diese Spindel 2 ein Gewinde auf. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet ein Eingriffselement wie eine Mutter, welches ein Innengewinde aufweist und damit in das Außengewinde der Spindel 2 eingreift. Auf diese Weise wird durch eine Drehbewegung der Spindel 2 gegenüber dem Eingriffselement 4 auch eine Verschiebung des Eingriffselements 4 gegenüber der Spindel 2 in Richtung der Drehachse X erreicht.
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Das Bezugszeichen 18 kennzeichnet ein Kopplungselement, welches an dem Eingriffselement 4 angeordnet ist, und welches die Bewegung des Eingriffselements 4 in Richtung der Drehachse X auf einen Kopf 124 bzw. ein Auge 124 überträgt. Damit bewegt sich das Kopplungselement 18 gemeinsam mit dem Eingriffselement 4 in Richtung der Drehachse X. Sowohl das Eingriffselement 4 als auch das Kopplungselement 18 sind drehfest angeordnet. Das Kopplungselement 18 überträgt dabei die eigentlichen Druckkräfte.
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Das Bezugszeichen 124 bezieht sich, wie gesagt, auf einen Kopf bzw. ein Auge der Vorrichtung. An diesem Auge 124 können insbesondere stirnseitig weitere Elemente wie Bolzen (nicht gezeigt) zur Kraftübertragung angeordnet werden. Gleichzeitig befindet sich an diesem Auge 124 auch eine Zuführöffnung 12 in Form eines Schmiernippels. Ausgehend von dieser Zuführöffnung 12 wird das Schmiermittel radial nach innen geleitet und gelangt dort zunächst in einen radial verlaufenden ersten Kanalabschnitt 14a und von dort in einen sich in Richtung der Achse X erstreckenden zweiten Kanalabschnitt 14b.
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Beim Zusammenbau wird das Auge 124 in das Außenrohr 8 eingeschraubt. Da durch diesen Einschraubvorgang die Drehstellung zwischen dem Auge 124 und dem Außenrohr nicht stets festliegt, weist das Auge 124 eine umlaufende Nut 126 (um die Drehachse X) auf, in die das Schmiermittel eintreten kann um von dort weitergeleitet zu werden in einen dritten Kanalabschnitt 14c, der hier zwischen dem Kopplungselement 18 und dem Außenrohr 8 angeordnet ist.
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Anstelle des gezeigten Kanalabschnitts 14c könnte jedoch auch ein zusätzliches Kanalrohr vorgesehen sein oder auch wie oben erwähnt eine Bohrung innerhalb des Kopplungselements 18 oder des Außenrohr 8. Das Kopplungselement 18 weist eine sich in Richtung der Drehachse X erstreckende Nut auf, welche gemeinsam mit der Innenwandung des Außenrohrs 8 den Kanalabschnitt 14c begrenzt. Das Bezugszeichen 22 bezieht sich auf eine Ausnehmung bzw. einen Hohlraum, der in dem Auge 124 ausgebildet ist und zur Aufnahme eines Endabschnitts der Spindel 2 dient.
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Das Bezugszeichen 128 bezieht sich auf einen innerhalb des Auges 124 ausgebildeten Endanschlag, der eine Endstellung der Spindel 2 innerhalb des Auges 124 definiert. Dem dritten Kanalabschnitt 14c schließt sich ein vierter Kanalabschnitt 14d an, der zwischen dem Außenrohr 8 und der Mutter 4 gebildet wird. Zu diesem Zweck weist das Außenrohr 8 eine Ausnehmung zum Führen des Schmiermittels auf. Ausgehend von diesem vierten Kanalabschnitt 14d gelangt das Schmiermittel über einen wiederum radial verlaufenden fünften Kanalabschnitt 14e in das Eingriffsmittel 4, genauer gesagt einem Bereich zwischen dem Eingriffsmittel 4 und dem Außenumfang der Spindel 2.
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Dabei sind, wie oben erwähnt, das Außenrohr 8 sowie das Kopplungselement 18 und auch das Auge 124 zueinander drehfest angeordnet. Es sind weiterhin Führungsmittel (nicht gezeigt) vorgesehen, welche das Außenrohr und die weiteren Elemente drehfest halten wobei hier beispielsweise Gleitlager vorgesehen sein können, welche eine Linearverschiebung des Außenrohrs mit dem Auge gegenüber der Spindel 2 ermöglichen.
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Die Erfindung ermöglicht es nun auch Änderungen im dynamischen Verhalten dieses Spindelantriebs zu erkennen. Beispielsweise könnte der Eingriff des Eingriffselementes 4 in das Spindelgewinde 2 aufgrund einer hohen Hubanzahl stark verschlissen sein. Dies wird sich in einem vergrößerten mechanischen Spiel bemerkbar machen. Dieses mechanische Spiel führt zu veränderten Resonanzfrequenzen bei identischer Anregung. Gleiches gilt für Veränderungen der Schmiermittelmenge und/oder der Schiermittelqualität in den zuvor erwähnten Schmiermittelkanälen.
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Aus den Ausführungen oben wird ersichtlich, dass der im Rahmen der Erfindung verwendete Spindelantrieb eine Vielzahl von Komponenten umfasst, welche im Rahmen eines langjährigen Betriebs verschleißen können oder verunreinigt werden können. Beispielsweise können die Gewinde, die Schmiermittelkanäle oder sonstige Engstellen im Spindelantrieb durch die Verunreinigungen zu einem schlechteren Schweißergebnis führen. Die Erfindung hilft diesem Problem vorzubeugen, indem ein veränderter Frequenzgang des Spindelantriebs zur Ermittlung möglicher Schwachstellen im Spindelantrieb genutzt wird.
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2 zeigt schematisch die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ein geeignetes Mittel 20 zur Durchführung des Verfahrens. Das Mittel 20 zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Erfassungseinrichtung 21, welche die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erfassende Frequenzgänge erfasst und aufzeichnet. Die Anregung kann mittels eines Rauschgenerators erfolgen, welcher ein geeignetes Testsignal erzeugt.
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Das Mittel 20 zur Durchführung des Verfahrens umfasst auch eine Aufbereitungseinrichtung 22 und eine Merkmalsgewinnungseinrichtung 23 zur Aufbereitung des Frequenzgangs und der zugehörigen Kenngrößen für die nachfolgende Einrichtung.
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Das Mittel 20 zur Durchführung des Verfahrens umfasst außerdem noch eine Analyseeinrichtung 24, welche aus dem aufgezeichneten und mittels der Aufbereitungseinrichtung 22 aufbereiteten Frequenzgang Referenzdaten 25 als Sollwerte (Soll-Frequenzgang) für die bevorstehende Analyse mittels der Auswertungs- und Vergleichseinrichtung 29 ableitet und aus der zuvor durchgeführten Merkmalsgewinnung den Ist-Frequenzgang ableitet 28. Die Analyse selbst besteht aus einem Vergleich des Soll-Frequenzganges mit dem Ist-Frequenzgang, wobei zusätzlich vom Benutzer eingebrachtes Anlagenprozess-Knowhow 16 berücksichtigt werden kann.
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Grenzempfindlichkeiten 27 können bei Bedarf ebenfalls definiert werden. Die Auswertung und der Vergleich der Daten erfolgt mittels der Auswertungs- und Vergleichseinrichtung 29.
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Das nachgeschaltete Mittel zur Durchführung des Verfahrens umfasst außerdem noch eine Diagnoseeinrichtung 30, welche für den Benutzer das Ergebnis der Analyse aufbereitet und signalisiert (visuell, akustisch oder taktil).
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Das Mittel 20 ist vorzugsweise in den Antriebsstrang 1 der Schweißzange integriert. Die mechanische Anordnung ist nachfolgend in 3 näher beschrieben.
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3 zeigt eine Widerstandsschweißeinrichtung mit Schweißzange und Antriebsstrang 1. Der Antriebsstrang 1 umfasst einen Antriebsregler 32 und einen Linearantrieb 33 mit elektrischem Motor 34 und mechanischer Spindel 35 zur Positionierung der Schweißelektroden 36, 37 an einem Werkstück 38. Weiter ist gezeigt eine SPS 39 (integriert in den Antriebsregler 32 oder separat angeordnet und mit dem Antriebsregler 32 verbunden) sowie das vorzugsweise in den Antriebsregler 32 integrierte Mittel 20 zur Durchführung des Verfahrens. Davon abgesehen wäre es auch möglich eine Gesamtintegration zu realisieren, bei der Antriebsregler 32, SPS 39 und Mittel 20 komplett in das Gehäuse des Antriebsstrangs 1 integriert sind.
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4 zeigt ein Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren, wobei in einem ersten Verfahrensschritt I Kenngrößen eines ersten (Soll-)Frequenzgangs des Antriebsstrangs zu einem ersten Zeitpunkt ermittelt und in Form von Referenzdaten gespeichert werden und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt II zu einem zweiten Zeitpunkt Kenngrößen eines zweiten (Ist-)Frequenzgangs des Antriebsstrangs ermittelt werden. In einem dritten Verfahrensschritt III werden die Kenngrößen des ersten Frequenzgangs unter Verwendung der Referenzdaten mit den Kenngrößen des zweiten Frequenzgangs verglichen.
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5 zeigt das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es wird ein Referenzfrequenzgang (Frequenzband) erzeugt, indem mittels eines Rauschgenerators die Mechanik der in 3 gezeigten Schweißzange angeregt wird. Dieser Referenzfrequenzgang wird in der Regel bei Inbetriebnahme oder nach einer Generalüberholung der Anordnung abgespeichert und als Soll-Zustand beispielsweise in einer Schweißsteuerung oder im Antriebsregler abgespeichert. Im späteren Betrieb nach einer Vielzahl von mittels der Schweißzange erzeugten Schweißpunkten (die Schweißzange hat mittlerweile möglicherweise mehrere hunderttausende Hübe durchgeführt), wird erneut der Frequenzgang ermittelt, indem mittels desselben und identisch parametrierten Rauschgenerators die Mechanik der in 3 gezeigten Schweißzange erneut angeregt wird (Ist-Zustand). Beide Frequenzgänge werden nun miteinander verglichen und zeigen mit hoher Wahrscheinlichkeit Abweichungen bezüglich der Resonanzfrequenzen auf. Sofern sich diese Abweichungen in den zuvor definierbaren Toleranzfenstern befinden, sind keine Wartungsmaßnahmen erforderlich. Wandern diese Abweichung aus den definierten Toleranzfenstern heraus, können bereits präventive Wartungsmaßnehmen eingeleitet werden (z. B. Nachfetten der Spindel mittels der in 1 erwähnten Mittel). Liegen die Abweichungen deutlich außerhalb der definierten Toleranzfenster/Hüllkurven, so sind dringende Wartungsmaßnehmen erforderlich, z. B. ein Austausch der Spindel.
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Mittels einer in den Antriebsstrang integrierten oder externen SPS können die Abweichungen dem Bediener der Schweißzange signalisiert werden.
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Sämtliche in den Anmeldeunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
