DE102013007608A1

DE102013007608A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Schweißelektrode relativ zum Verbindungselement

Info

Publication number: DE102013007608A1
Application number: DE102013007608.0A
Authority: DE
Inventors: Nico Feindler; Andrea Kreuzwieser
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2014-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Schweißelektrode (1) einer Schweißvorrichtung in Bezug auf ein zur Herstellung einer Schweißverbindung vorgesehenes Verbindungselement (3). An der Schweißelektrode (1) wird ein Magnetfeld erzeugt und es wird eine durch Positionsänderung (P1, P2) der Schweißelektrode (1) auftretende Beeinflussung des Magnetfeldes überwacht, wobei bei einem festgestellten Feldstärkemaximum die Schweißelektrode (1) für die Durchführung des Schweißvorganges an dem Verbindungselement (3) aufgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Schweißelektrode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 6.
Elektrisch leitfähige Werkstoffe können im so genannten Widerstandsschweißverfahren miteinander verschweißt werden, wobei ein durch eine Verbindungsstelle bzw. durch ein Verbindungselement fließender elektrischer Strom die Verbindungspartner bis zum Aufschmelzen erhitzt. Wird der Stromfluss beendet, erstarrt die Schmelze und es entsteht eine hochstabile Schweißverbindung im Bereich der Verbindungsstelle. Vor dem Schweißvorgang werden die Schweißelektroden mit entsprechendem mechanischem Druck im Bereich der Verbindungsstelle aufgesetzt, so dass eine besonders feste Verbindung erzielt werden kann. Wird bei einem derartigen Widerstandsschweißverfahren ein zusätzliches Verbindungselement aus Stahl verwendet, um beispielsweise an einem Stahlblech ein Aluminiumteil zu befestigen, ist es besonders wichtig, dass die Schweißelektrode während des Schweißvorganges mittig bzw. konzentrisch an dem Verbindungselement aufgesetzt wird. Jede abweichende Positionierung der Schweißelektrode kann eine deutliche Beeinträchtigung der Schweißverbindung zur Folge haben.
Aus der GB 2 223 315 A ist eine Sensoranordnung bekannt, mit deren Hilfe eine Positionierung einer Leiterplatte in Bezug auf eine darunter befindliche Schicht durchführbar ist. Die untere Schicht enthält magnetfeldabhängige Widerstände, während die darüber angeordnete Leiterplatte zur Erzeugung eines Magnetfelds elektrische Leiter besitzt. Eine Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Bewegung der Leiterplatte in Bezug auf die untere Schicht wird an den magnetfeldabhängigen Widerständen zur Steuerung eines Bewegungsroboters erfasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Schweißelektrode einer Schweißvorrichtung in Bezug auf ein zur Herstellung einer Schweißverbindung vorgesehenes Verbindungselement anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erhält man mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 offenbart.
Zur Bestimmung der Position einer Schweißelektrode ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patenanspruchs 1 vorgesehen, dass an der Schweißelektrode ein Magnetfeld erzeugt wird, dass eine durch Positionsänderung der Schweißelektrode auftretende Beeinflussung des Magnetfeldes überwacht wird, und dass bei einem festgestellten Feldstärkemaximum die Schweißelektrode für die Durchführung des Schweißvorgangs an dem Verbindungselement positioniert wird. Das Verbindungselement besteht dabei aus einem Material, welches für das Widerstandsschweißen geeignet ist, beispielsweise aus Stahl. Durch die Anordnung des Verbindungselements im Bereich der zu verbindenden Bauteile ergibt sich eine Magnetfeldbeeinflussung, die von der Form und der Größe des Verbindungselements abhängt. Diese Magnetfeldbeeinflussung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur exakten Positionsbestimmung für die Schweißelektrode verwendet. Auf diese Weise kann eine selbsttätige Positionierung der Schweißelektrode in Bezug auf ein Verbindungselement durchgeführt werden.
Das Feldstärkemaximum kann durch eine Überwachung des Erregerstroms, der eine an der Schweißelektrode angeordnete Magnetfeldspule durchfließt, ermittelt werden. Dabei wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass sich die Induktivität der Magnetfeldspule in Abhängigkeit von der Position des Verbindungselements im Magnetfeld der Magnetfeldspule ändert.
Zur Positionsbestimmung können an der Schweißelektrode auch Dauermagnete und Sensoren angebracht sein, wobei die Sensoren die Beeinflussung des Magnetfeldes der Dauermagnete in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Schweißelektrode in Bezug auf das Verbindungselement überwachen. Werden die Dauermagnete symmetrisch an der Schweißelektrode angeordnet, so kann damit auch ein entsprechend symmetrisches Magnetfeld an der Schweißelektrode erzeugt werden, dessen Beeinflussung durch Positionsänderungen zwischen Schweißelektrode und Verbindungselement von vorzugsweise symmetrisch angeordneten Sensoren mit hoher Genauigkeit überwacht werden kann. Dabei können Sensoren verwendet werden, die eine Magnetfeldmessung ermöglichen, jedoch können anstelle dieser Sensoren oder auch in Kombination mit diesen Sensoren Kraftsensoren verwendet werden, mit denen Kräfte bzw. Biegemomente gemessen werden können, die an der Schweißelektrode aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Magneten und dem Verbindungselement auftreten.
Vorzugsweise ist eine Steuerung vorgesehen, die selbsttätig die Schweißelektrode in eine Schweißposition bringt, in der ein Feldstärkemaximum festgestellt wird, wobei dann in dieser Position von der Steuerung der Schweißvorgang ausgelöst wird.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur möglichst optimalen Ausrichtung einer Schweißelektrode im Bezug auf ein Verbindungselement anzugeben.
Die Lösung dieser weiteren Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung erhalten, die die Merkmale des Patentanspruchs 6 aufweist. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 7 bis 12 offenbart.
Bei der Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 6 ist vorgesehen, dass an der Schweißelektrode wenigstens ein ein Magnetfeld erzeugendes Magnetelement angeordnet ist, dass eine Messeinrichtung die von der Position der Schweißelektrode abhängige Beeinflussung des von dem Magnetelement erzeugten Magnetfeldes misst und daraus eine optimale Schweißposition für die Schweißelektrode bestimmt. Als Magnetelemente können Dauermagnete oder auch Elektromagnete vorgesehen sein, deren Magnetfeld durch die Relativposition zum Verbindungselement, welches beispielsweise aus Stahl besteht, beeinflusst wird. Die Magnetfeldbeeinflussung bzw. die Beeinflussung der Magnetfeldstärke kann direkt, oder aber auch indirekt über Kraftmesseinrichtungen, gemessen und ausgewertet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Schweißroboter die Positionierung der Schweißelektrode in Bezug auf das Verbindungselement selbsttätig ausführt. Der Schweißroboter kann bei Erreichen der optimalen Position den Schweißvorgang auslösen. Mit einer derartigen Vorrichtung kann eine hohe Güte für die Schweißverbindungen erreicht werden, wobei durch die Möglichkeit der Automatisierung des gesamten Schweißverfahrens eine kostengünstige Herstellung der Schweißverbindungen erreicht wird.
Die an der Schweißelektrode angebrachten Elemente, wie beispielsweise Magnete und Sensoren, können vorteilhaft verschwenkbar oder verschiebbar an der Schweißelektrode angebracht sein. Dadurch ist es möglich, die genannten Elemente während des eigentlichen Schweißvorganges aus dem unmittelbaren Schweißbereich zu entfernen, um störende Einflüsse auf diese Elemente zu vermeiden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung der Positionierung einer Schweißelektrode in Bezug auf ein Verbindungselement zur Verbindung zweier Bauteile,
2 den Verlauf der Magnetfeldstärke in Abhängigkeit von dem seitlichen Verschiebeweg der in 1 dargestellten Schweißelektrode,
3 eine Schweißelektrode mit verschiebbar angebrachten Elementen zur Magnetfelderzeugung und Magnetfeldmessung, und
4 eine Schweißelektrode mit verschwenkbar angebrachten Elementen zur Magnetfelderzeugung und Magnetfeldmessung.
In 1 ist eine Schweißelektrode 1 in zwei unterschiedlichen Positionen P1 und P2 dargestellt. Mittels einer andeutungsweise dargestellten Verschiebeeinrichtung 2, die Teil eines hier nicht näher dargestellten Schweißroboters ist, wurde im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Schweißelektrode 1 aus der Position P1 in die Position P2 verschoben. Der dabei zurückgelegte Verschiebeweg s ist durch einen Pfeil angedeutet.
In der Position P2 befindet sich die Schweißelektrode 1 konzentrisch ausgerichtet zu einem als Bolzen mit Haltekopf ausgebildeten Verbindungselement 3 aus Stahl oder aus einem anderen schweißfähigen Material, welches sich unterhalb der Schweißelektrode 1 im Bauteil 5 befindet. Das Verbindungselement 3 dient zur Verbindung zweier Bauteile 4, 5, von denen das untere Bauteil 4 zum Beispiel aus Stahlblech besteht. Das darüber befindliche Bauteil 5 kann zum Beispiel ein Aluminiumblechteil oder ein Bauteil aus einem Verbundwerkstoff sein, welches an dem Bauteil 4 durch einen Widerstandsschweißvorgang mittels des Verbindungselements 3 befestigt werden soll.
Zur Durchführung des Widerstandsschweißvorganges wird die Schweißelektrode 1 in der Position P2 von oben auf das Verbindungselement 3 aufgesetzt. Bei dem dann stattfindenden Schweißvorgang fließt ein hoher Schweißstrom durch das Verbindungselement 3, wodurch dieses mit dem unteren Bauteil 4 in an sich bekannter Weise verschweißt wird.
Damit die Schweißelektrode 1 aus der ursprünglichen Position P1 in eine möglichst optimale Position P2 konzentrisch ausgerichtet zum Verbindungselement 3 gebracht werden kann, sind an der Schweißelektrode 1 Magnete 6 und Sensoren, wie zum Beispiel Magnetfeldsensoren 7, angeordnet. Eine Mess- und Steuereinrichtung 8, die auch als Positioniereinrichtung dient, misst die positionsabhängige Beeinflussung des von den Magneten 6 erzeugten Magnetfeldes und positioniert die Schweißelektrode 1 in einer Position P2, in der eine definierte Feldstärke festgestellt wird. In dieser Position P2 erfolgt dann der Widerstandsschweißvorgang, nachdem die Schweißelektrode 1 gegebenenfalls mit einem entsprechenden Anpressdruck von oben auf das Verbindungselement 3 aufgesetzt worden ist.
In 2 ist der Verlauf der Feldstärke H in Abhängigkeit vom Verschiebeweg s gemäß 1 dargestellt, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel das Feldstärkemaximum an der Position P2 auftritt. Besteht dagegen das Bauteil 4 in 1 aus Aluminium und das Bauteil 5 aus Stahl, kann ein aus Aluminium bestehendes Verbindungselement 3 zur Herstellung einer Schweißverbindung verwendet werden. In diesem Fall tritt bei einer mittigen Positionierung der Schweißelektrode 1 ein Feldstärkeminimum auf.
In 3 ist eine Ausführung einer Schweißelektrode 1 dargestellt, bei der die Magnete 6 und Magnetsensoren 7 höhenverstellbar an der Schweißelektrode 1 angeordnet sind. Die Höhenverstellbarkeit wird hier mittels eines Doppelpfeils 9 angedeutet.
In 4 ist die Schweißelektrode 1 mit einer bügelartigen Verschwenkeinrichtung 10 ausgestattet, an der sich die Magnete 6 und die Magnetsensoren 7 befinden. Die Verschwenkbarkeit ist hier mittels eines Pfeils 11 angedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2223315 A [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position einer Schweißelektrode (1) einer Schweißvorrichtung in Bezug auf ein zur Herstellung einer Schweißverbindung vorgesehenes Verbindungselement (3), dadurch gekennzeichnet, dass an der Schweißelektrode (1) ein Magnetfeld erzeugt wird, dass eine durch Positionsänderung (P1, P2) der Schweißelektrode (1) auftretende Beeinflussung des Magnetfeldes überwacht wird, und dass bei einem festgestellten Feldstärkemaximum die Schweißelektrode 1 für die Durchführung des Schweißvorganges an dem Verbindungselement (3) aufgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldstärkemaximum durch eine Überwachung des Erregerstroms, der eine an der Schweißelektrode (1) angeordnete Magnetfeldspule durchfließt, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schweißelektrode (1) mittels Magnetfeldsensoren (7) eine Messung der Magnetfeldstärke (H) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldmaximum durch eine Messung von an der Schweißelektrode (1) auftretenden Zug- und/oder Biegekräften erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mess- und Steuereinrichtung (8) die Schweißelektrode (1) selbsttätig in eine Schweißposition (P2) bringt, in der ein Feldstärkemaximum auftritt, und dass die Mess- und Steuereinrichtung (8) dann den Schweißvorgang auslöst.
Vorrichtung zur mittigen Ausrichtung einer Schweißelektrode (1) in Bezug auf ein Verbindungselement (3), welches mit einem Bauteil (4) zu verschweißen ist, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schweißelektrode (1) wenigstens ein ein Magnetfeld erzeugendes Magnetelement angeordnet ist, dass eine Mess- und Steuereinrichtung (8) die von der Position (P1, P2) der Schweißelektrode (1) abhängige Beeinflussung des von dem Magnetelement erzeugten Magnetfeldes misst und daraus eine optimale Schweißposition (P2) für die Schweißelektrode (1) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Magnete (6) an dem Schaft der Schweißelektrode (1) so positioniert sind, dass bei einer konzentrischen Ausrichtung der Schweißelektroden (1) im Bezug auf das Verbindungselement (3) eine maximale Magnetfeldstärke (H) zwischen der Schweißelektrode (1) und dem Verbindungselement (3) auftritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schweißroboter die Positionierung der Schweißelektrode (1) in Bezug auf das Verbindungselement (3) ausführt, dass der Schweißroboter selbsttätig die Schweißelektrode (1) in eine Position (P2) bewegt, in der die Messeinrichtung (8) ein Feldstärkemaximum zwischen der Schweißelektrode (1) und dem Verbindungselement (3) misst, und dass der Schweißroboter bei Erreichen der Position (P2) mit dem Feldstärkemaximum den Schweißvorgang durchführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnete (6) Permanentmagnete oder Magnetspulen an der Schweißelektrode (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Magnetfeldstärke (H) wenigstens ein Magnetfeldsensor (7) an der Schweißelektrode (1) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur indirekten Messung der Magnetfeldstärke (H) ein Kraft- und/oder Biegesensor im Bereich der Schweißelektrode (1) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Schweißelektrode (1) angebrachten Elemente zur Magnetfelderzeugung und zur Messung verschwenkbar oder verschiebbar an der Schweißelektrode (1) angebracht sind.