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Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung, insbesondere für den Karosseriebau nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Widerstandselementschweißen mit einer solchen Schweißvorrichtung nach dem Patentanspruch 11.
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Bei im Automobilbereich verwendeten Leichtbaustrukturen ist der Einsatz von Aluminium-Stahl-Verbindungen bekannt, bei denen zum Beispiel ein Aluminium-Blechteil mit einem Stahl-Blechteil verbindbar ist. Zur Verbindung dieser beiden Blechteile kann zunächst ein Stahl-Widerstandselement in das Aluminium-Blechteil eingetrieben werden. Anschließend kann das in dem Aluminium-Blechteil eingetriebene Stahl-Widerstandselement durch Widerstandspunktschweißen mit dem Stahl-Blechteil verbunden werden.
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Aus der
DE 196 26 459 C2 ist eine gattungsgemäße Schweißvorrichtung für ein solches Widerstandselementschweißen bekannt. Die Schweißvorrichtung weist eine Schweißzange auf, mit der das in das Aluminium-Blechteil eingetriebene Widerstandselement mit einem Stahl-Blechteil durch ein Widerstandspunktschweißen verbindbar ist. Die Schweißzange weist eine erste Schweißelektrode auf, die in der Schweißposition mit einer vorgegebenen Zustellkraft in Anlage mit dem Elementkopf des Widerstandselementes gedrückt ist. Eine zweite Schweißelektrode ist als Gegenhalter auf der, von der ersten Schweißelektrode abgewandten Seite des Stahl-Blechteiles positioniert.
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Die Schweißzangeneinheit kann für eine Serienfertigung im Fahrzeugbau von einem programmgesteuerten Industrieroboter in die Schweißposition verstellt werden. Vor Beginn einer solchen Serienfertigung wird in einem Teach-Vorgang eine Bewegungsbahn des Industrieroboters bis in die Schweißposition vordefiniert. Hierzu kann beispielhaft die Schweißzangeneinheit zunächst ohne Programmsteuerung zum Beispiel von einem Programmierer in einer Bewegungsbahn bis in die Schweißposition geführt werden. Diese Bewegungsbahn wird von einer Steuereinheit des Industrieroboters abgespeichert und bei der einer Serienfertigung automatisch vom Industrieroboter wiederholt.
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Für den Fall, dass beim Teach-Vorgang die Schweißposition für den Programmierer nur schlecht einsehbar ist, besteht die Gefahr, dass der Aufsetzpunkt der ersten Schweißelektrode auf dem Elementkopf des Widerstandselementes nicht mittig ist, sondern vielmehr zur Längsachse des Widerstandselementes außermittig ist. Dadurch ergibt sich eine exzentrische Krafteinleitung der Zustellkraft während des Punktschweißvorganges, wodurch das Widerstandselement kippen kann. Dies kann zwischen dem Elementkopf und dem Aluminium-Blechteil zu einer Spaltbildung mit den bekannten Korrosionsproblemen führen. Zudem ergibt sich durch den gegebenenfalls einseitig aufstehenden Elementkopf eine Störkontur, die im weiteren Fertigungsverlauf zu Problemen führen kann. Des Weiteren können fehlerhafte Schweißverbindungen auftreten.
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Aus der
JP 092 719 55 A und aus der
JP 2011 051 003 A2 sind generell Positionierhilfen bekannt, mit denen ein mittiges Aufsetzen der Schweißelektroden auf das Werkstück bei einem Punktschweißverfahren, nicht jedoch bei einem Widerstandselementschweißen, bekannt ist. Aus der
DE 15 65 012 C3 ist eine Vorrichtung zum elektrischen Widerstandspunktschweißen eines hohlen Bauteils mit zumindest einem an diesem anliegenden Bauteil bekannt. Aus der
FR 1 338 643 A ist eine weitere Schweißvorrichtung bekannt.
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Die Aufgabe besteht darin, eine Schweißvorrichtung sowie ein Verfahren zum Widerstandselementschweißen mit einer solchen Schweißvorrichtung bereitzustellen, bei dem in einfacher Weise eine einwandfreie Bauteilverbindung gewährleistet ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass speziell bei einem Verfahren zum Teachen des Industrieroboters die zu definierende Schweißposition der Schweißelektroden so zu wählen ist, dass eine koaxiale Krafteinleitung der Zustellkraft in das Widerstandselement gewährleistet ist. Vor diesem Hintergrund weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Schweißvorrichtung eine auf dem Elementkopf des Widerstandselementes setzbare Positionierschablone auf. Mit der Positionierschablone wird unabhängig von der Größe oder Form des Elementkopfes eine Referenzkontur zum mittigen Aufsetzen der ersten Schweißelektrode gegenüber dem Elementkopf bereitgestellt. Auf diese Weise kann sich der Programmierer auch bei nur begrenzter Einsicht auf den Elementkopf an der Referenzkontur der Schweißschablone orientieren.
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Wie oben erwähnt, ist es bevorzugt, wenn die Schweißzangeneinheit mit Hilfe eines programmgesteuerten Industrieroboters bis in die Schweißposition automatisiert verstellt werden kann. Für eine solche automatisierte Stellbewegung ist vor Beginn einer Serienfertigung in einem Teach-Vorgang eine Arbeitsbewegung des Industrieroboters bis zum Erreichen der Schweißposition zu definieren. Hierzu wird die Schweißzangeneinheit zunächst ohne Programmsteuerung, das heißt manuell, von einem Programmierer in einer Bewegungsbahn bis in die Schweißposition geführt. Die Bewegungsbahn bis in die Schweißposition wird von einer Steuereinheit des Industrieroboters abgespeichert. Anschließend kann während der Serienproduktion die Schweißzangeneinheit mit der abgespeicherten Bewegungsbahn automatisiert in die Schweißposition verstellt werden.
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Der Durchmesser der von der Positionierschablone bereitgestellten Referenzkontur kann zumindest gleich dem Durchmesser des Endstückes der ersten Schweißelektrode sein, dass in der Schweißposition in Anlage mit dem Elementkopf gebracht ist. Eine koaxiale Krafteinleitung der Zustellkraft ist dann gewährleistet, wenn das in Anlage mit dem Elementkopf bringbare Endstück die Referenzkontur der Positionierschablone vollständig überdeckt. Alternativ dazu kann die Positionierschablone auch größer als der Durchmesser des Elektroden-Endstückes sein. In diesem Fall ist bei einer konzentrischen Ausrichtung der Referenzkontur mit dem Endstück der Elektrode eine koaxiale Krafteinleitung der Zustellkraft in das Widerstandselement gewährleistet.
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Die Materialstärke der Positionierschablone kann bevorzugt kleiner/größer oder gleich einer Stufenhöhe sein, mit der der Elementkopf vom ersten Fügepartner vorragt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass trotz angelegter Positionierschablone das Endstück der ersten Schweißelektrode in Anlage mit dem Elementkopf des Widerstandselementes gedrückt ist.
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Für eine spielfreie Anordnung kann die Positionierschablone eine Ausnehmung aufweisen, in die der Elementkopf im Wesentlichen spielfrei eingesteckt ist.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Referenzkontur eine Anzahl von Abstandsringen aufweisen. Jedem der Abstandsringe kann eine Angabe der Abweichung von einer mittigen Ausrichtung zugeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Angabe von Positionierparametern für die Einstellung einer Roboter-Bewegung vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Positionierschablone eine Positionierhülse zugeordnet sein. Die Positionierhülse kann auf das Endstück der ersten Schweißelektrode teleskopartig verschiebbar z.B. unter Aufbau einer Federvorspannkraft oder alternativer Kraftbeaufschlagung angeordnet werden. In der Schweißposition kann die Positionierhülse unter Aufbau der Federvorspannkraft gegen die Positionierschablone gedrückt werden. Auf diese Weise wird die Positionierhülse mit einer Außenkante in Anlage mit der Positionierschablone kommen. Die Außenkante der Positionierhülse kann dann zum Ausrichten mit der Referenzkontur der Positionierschablone verwendet werden. Auf diese Weise kann unabhängig von der Elektrodenform/-kontur am Endstück der ersten Schweißelektrode eine einwandfreie Ausrichtung mit der Referenzkontur der Positionierschablone gewährleistet sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Endstück der ersten Schweißelektrode keine flächige Aufstandsfläche bereitstellt, sondern vielmehr eine ausgebauchte Stirnseite mit lediglich einem Scheitelpunkt.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Ansicht einen programmgesteuerten Industrieroboter mit einer Schweißzangeneinheit für ein Widerstandselementschweißen ;
- 2 bis 4 jeweils Ansichten, die ein vor Beginn einer Serienfertigung in einem Teach-Vorgang erfolgende Definition der Schweißposition veranschaulichen;
- 5 bis 7 jeweils Ansichten entsprechend der 2 bis 4 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
- 8 eine Positionierschablone in Alleinstellung in einer Ansicht von oben;
- 9 in einer Seitenschnittdarstellung eine Schweißvorrichtung mit einer Positionierhilfe, die aus einer Positionierhülse und einer Positionierschablone besteht; und
- 10 eine Ansicht entsprechend der 9 mit der in der Schweißposition befindlichen Schweißvorrichtung.
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In der 1 ist ein Industrieroboter mit einem Roboterarm 1 gezeigt. Am Roboterarmkopf ist eine Schweißzangeneinheit 3 montiert. Die Schweißzangeneinheit 3 weist eine verstellbare Elektrode 5 sowie ein damit in Flucht ausgerichtete ortsfest montierte Elektrode 7 auf. Die beiden Elektroden 5, 7 sind mit ihren Endstücken 9 einander in vertikaler Flucht gegenüberliegend sowie über einen Zwischenraum voneinander beabstandet angeordnet, in dem eine Blechteilanordnung einer Fahrzeugkarosserie positioniert ist.
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Die Blechteilanordnung weist als ersten Fügepartner ein Aluminium-Blechteil 11 sowie als zweiten Fügepartner ein Stahl-Blechteil 13 auf. Im Aluminium-Blechteil 11 ist ein Stahl-Widerstandselement 15 eingetrieben, das durch Widerstandspunktschweißen mit dem Stahl-Blechteil 13 verschweißt wird. In der 1 ist die Anordnung in einer Schweißposition S gezeigt, d.h. unmittelbar vor Durchführung eines Punktschweißvorganges. In der Schweißposition S ist die verstellbare Elektrode 5 über einen Zustellweg in Richtung auf die Blechteilanordnung nach unten verstellt und mit einer vorgegebenen Zustellkraft Fz auf den Elementkopf 17 des Widerstandselementes 15 aufgesetzt, während das Stahl-Blechteil 13 mit seiner, von der verstellbaren Schweißelektrode 5 abgewandten Seite auf der als Gegenhalter wirkenden ortsfesten Elektrode 7 abgestützt ist.
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Die Bewegungsbahn des Roboterarmes 1 bis in die Schweißposition S wird mit Hilfe einer Steuereinheit 19 automatisch gesteuert. Die Definition der Bewegungsbahn bis in die Schweißposition S erfolgt in einem Teach-Vorgang. Der Teach-Vorgang wird vor der eigentlichen Serienfertigung mit Hilfe eines Programmierers sowie ohne Programmsteuerung durchgeführt. D.h. dass z.B. der Programmierer durch manuelle Eingabe von Bewegungsparameter in eine Eingabeeinheit 24 des Industrieroboters die Schweißzangeneinheit 3 entlang einer Bewegungsbahn bis in die Schweißposition S führt, in der die verstellbare Schweißelektrode 5 mit der Zustellkraft Fz auf dem Elementkopf 17 des Widerstandselementes 15 aufgesetzt ist.
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Um ein mittiges Aufsetzen der verstellbaren Schweißelektrode 5 auf dem Elementkopf 17 zu gewährleisten, ist als Positionierhilfe eine Positionierschablone 19 vorgesehen. Die Positionierschablone 19 weist eine Ausnehmung 20 (siehe 9 oder 10) auf, mit der sie auf den Elementkopf 17 des Widerstandselementes 15 aufsetzbar ist. Die Ausnehmung 20 ist so gestaltet, dass eine spielfreie Anordnung der Positionierschablone 19 gewährleistet ist. Der äußere Rand 21 der Positionierschablone 19 bildet eine Referenzkontur, anhand der der Programmierer die verstellbare Schweißelektrode 5 mittig gegenüber dem Elementkopf 17 ausrichtet kann.
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In den 2 bis 4 ist der Außendurchmesser d1 der ringförmigen Positionierschablone 19 identisch mit dem Außendurchmesser d2 des Endstückes 9 der verstellbaren Schweißelektrode 5. Entsprechend ergibt sich bei einer in der 3 gezeigten Fehlpositionierung des Endstückes 9 der verstellbaren Schweißelektrode 5 ein freigelegter, sichelförmiger Bereich 22 der Positionierschablone 19, wodurch der Programmierer eine Fehlpositionierung der verstellbaren Schweißelektrode 5 erkennt. Die Korrektur der Fehlpositionierung erfolgt durch Eingabe entsprechender Bewegungsparameter in die Eingabeeinheit 24 des Industrieroboters.
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In der 4 ist die Fehlpositionierung der verstellbaren Schweißelektrode 5 korrigiert, wodurch das Endstück 9 der ersten Schweißelektrode 7 die Positionierschablone 19 vollständig überdeckt. Auf diese Weise ist ein mittiges Aufsetzen der verstellbaren Schweißelektrode 5 auf dem Elementkopf 17 des Widerstandselementes 15 gewährleistet. Die Zustellkraft Fz wird somit koaxial zur Längsachse des Widerstandselementes 15 eingeleitet, wodurch das Widerstandselement 15 beim Punktschweißvorgang nicht mit einem Kippmoment beaufschlagt wird.
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In den 5 bis 7 ist die Positionierschablone 19 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Demzufolge weist die Positionierschablone 19 Abstandsringe 23, 25, 27 mit zum Beispiel unterschiedlicher Farbgebung auf. Beispielhaft ist der Außendurchmesser des ersten Abstandsringes 23 identisch mit dem Außendurchmesser d2 des Endstückes 9 der verstellbaren Schweißelektrode 5. Das heißt, dass bei einem mittigen Aufsetzen der erste Abstandsring 23 vollständig von dem Endstück 9 der verstellbaren Schweißelektrode 5 überdeckt ist, wie es in der 7 dargestellt ist. Demgegenüber ist der erste Abstandsring 23 bei einer in der 6 gezeigten Fehlpositionierung der ersten Schweißelektrode 7 teilweise erkennbar.
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Zur weiteren Vereinfachung des Positioniervorganges können gemäß der 8 auf der Positionierschablone 19 jeweils Angaben vorgesehen sein, mit denen die Abweichung der verstellbaren Schweißelektrode 5 von einer mittigen Ausrichtung quantitativ beziffert ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Positionierschablone 19 auch Positionierparameter aufweisen, mit deren Hilfe der Programmierer beim Teach-Vorgang eine Roboter-Bewegung so einstellen kann, dass eine mittige Ausrichtung erreicht ist.
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In der 9 ist eine Positionierhilfe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Positionierhilfe weist neben der bereits erwähnten Positionierschablone 19 zusätzlich eine Positionierhülse 29 auf, die außenseitig auf das Endstück 9 der verstellbaren Schweißelektrode 5 teleskopartig verschiebbar in der Längsrichtung der Schweißelektrode 5 aufgeschoben ist. Zwischen der Positionierhülse 29 und einer Ringschulter 31 des Endstückes 9 ist ein Federelement 33 oder eine alternative Kraftbeaufschlagung vorgesehen. Die Positionierhülse 29 weist zudem seitliche Langlöcher 35 auf, die von Lagerzapfen 37 des Endstückes 9 durchragt sind. In der, in der 9 dargestellten Ruhelage ist der abgerundete Scheitel 44 des Endstückes 9 um einen Abstand a von der Stirnseite 39 der Positionierhülse 29 zurückgesetzt. Beim Aufsetzen des Endstückes 9 auf dem Elementkopf 17 wird dagegen die Positionierhülse 29 unter Aufbau einer elastischen Rückstellkraft FF gegen die Positionierschablone 19 gedrückt. Auf diese Weise kann die Außenkante 41 der Positionierhülse 29 mit der Referenzkontur 21 der Positionierschablone 19 ausgerichtet werden.
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Die in den 8 und 9 gezeigte Positionierhilfe ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Endstück 9 der ersten Schweißelektrode 7 nicht ebenflächig auf dem Elementkopf 17 aufliegt, sondern beispielhaft eine gerundete Kontur mit nur einen Scheitelpunkt 44 aufweist. Auf diese Weise ist der tatsächliche Aufsetzpunkt, d.h. der Scheitelpunkt 44, der verstellbaren Schweißelektrode 5 auf dem Elementkopf 17 nur ungenau abschätzbar.
