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Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Aufschweißen eines Schweißelements auf ein Werkstück. Die Schweißvorrichtung umfasst einen Schweißelement-Halter zum Halten des Schweißelements, eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Schweißelement-Halters, sowie einen Stößel zum Bewegen des Schweißelements relativ zu dem Schweißelement-Halter.
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Aus der Schrift
DE 10 2008 051 803 A1 ist eine solche Schweißvorrichtung bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist vorgesehen, dass bei einem Schweißvorgang der Schweißelement-Halter durch eine magnetische Hubvorrichtung so bewegt wird, dass das Schweißelement – hier in Form eines Schweißbolzens – von dem Werkstück um einen Abhub abgehoben wird und dann – nachdem sich eine Schmelze an der Oberfläche des Werkstücks gebildet hat – angetrieben durch eine Feder wieder auf das Werkstück zu und in die Schmelze hinein bewegt wird. Um für einen weiteren Schweißvorgang einen nächsten Schweißbolzen zu laden, wird Letzterer über einen Einwurfschacht einem, an dem Schweißelement-Halter ausgebildeten Halteabschnitt zugeführt und dann von einer Kolbenstange eingeschoben, bis er wie vorgesehen von dem Halteabschnitt gehalten ist.
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Zur Umsetzung der Schweißbewegung als solcher dient dementsprechend ein Hubmagnet. Zur Bewegung der Kolbenstange ist ein pneumatischer Antrieb vorgesehen.
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Allgemeiner betrachtet verfügen Automatikschweißköpfe für das Bolzenschweißen über einen Antrieb zur Umsetzung der Schweißbewegung und einen weiteren Antrieb zum automatischen Laden von Schweißbolzen. Dabei erfolgt die Umsetzung des Antriebs für die Schweißbewegung typischerweise mittels eines Hubmagneten oder mittels anderer pneumatischer Antriebe oder auch mittels elektrischer Antriebe. Zur Zuführung der Schweißbolzen wird üblicherweise ein pneumatischer Antrieb verwendet; alternativ kann hierzu ein elektrischer oder ein elektrisch-pneumatischer Antrieb eingesetzt sein.
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Die Verwendung von zwei entsprechenden Antrieben erfordert einen relativ hohen Aufwand mit Bezug auf Justierung und Wartung. Dabei besteht die Notwendigkeit, beide Antriebssysteme in ihrer Taktfolge genau zu steuern und aufeinander abzustimmen. Zur Sicherstellung einer reibungslosen und sicheren Funktion im Serieneinsatz ist es dabei auch erforderlich, dass jede einzelne Funktion der beiden Antriebssysteme überwacht wird. Wenn sich die Schweißvorrichtung für unterschiedlich lange Schweißbolzen eignen soll und/oder ein automatischer Höhenabgleich vorgesehen sein soll, so sind hierfür weitere entsprechende Komponenten erforderlich.
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Aus der
DE 31 28 775 C2 ist eine Bolzenschweißpistole zum Aufschweißen eines Bolzens auf ein Werkstück bekannt. In dem Gehäuse der Bolzenschweißpistole ist eine Anordnung mit einem Pistolenkolben, einem Bolzenhalter und einem Schubzylinder axial verschieblich gelagert. Die Anordnung kann durch einen Magneten gegen die Kraft einer Feder bewegt werden. Zur Positionierung des Bolzens dient eine axial verschiebbare Schubstange.
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Aus der
DE 201 05 489 U1 ist ein Bolzenschweißkopf mit einem Linearantrieb bekannt. Der Linearantrieb weist einen Läufer auf, der entlang einer Antriebsachse beweglich gelagert ist.
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Aus der
DE 100 18 231 C1 ist eine Bolzenschweißvorrichtung bekannt, die einen Antrieb für einen Ladestift aufweist, mit dem der Bolzen durch den Bolzenhalter hindurch nach vorne geschoben wird.
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Aus der
DE 44 27 370 C1 ist eine Vorrichtung zum Anschweißen von Metallbolzen bekannt, die einen Bolzenhalter umfasst, sowie eine Stößelstange, durch die der Bolzen im Bolzenhalter von hinten nach vorne in die Schweißstellung geschoben wird.
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Aus der
DE 201 05 789 U1 ist eine Bolzenschweißvorrichtung mit einem Ladestift bekannt, durch den der Bolzen vom Fußpunkt des Bolzenhalters bis zu dessen Spitze befördert wird.
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Aus der
DE 200 22 481 U1 ist eine Bolzenschweißvorrichtung mit einem Linearantrieb zum axialen Bewegen einer Schweißachse bekannt. An der Schweißachse ist ein Bolzenhalter angebracht; zum Laden von Bolzen dient ein axial verschieblicher Ladestift.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schweißvorrichtung anzugeben. Insbesondere soll die Schweißvorrichtung einen besonders einfachen und dabei zuverlässigen Betrieb ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit dem in dem unabhängigen Anspruch genannten Gegenstand gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung ist eine Schweißvorrichtung zum Aufschweißen eines Schweißelements auf ein Werkstück vorgesehen, die einen Grundkörper, insbesondere in Form eines Gehäuses aufweist und einen Schweißelement-Halter zum Halten des Schweißelements, wobei der Schweißelement-Halter relativ zu dem Grundkörper längs einer Achse verschiebbar gelagert ist. Weiterhin umfasst die Schweißvorrichtung einen Stößel zum Bewegen des Schweißelements relativ zu dem Schweißelement-Halter. Weiterhin umfasst die Schweißvorrichtung eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Stößels. Außerdem umfasst die Schweißvorrichtung eine Kupplungs- und Lösevorrichtung zum Herstellen einer mechanischen Kupplung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Schweißelement-Halter sowie zum Lösen dieser Kupplung, und zwar derart, dass im Zustand der hergestellten Kupplung die Antriebsvorrichtung ein Bewegen des Schweißelement-Halters relativ zu dem Grundkörper bewirkt und im Zustand der gelösten Kupplung ein Bewegen des Stößels relativ zu dem Schweißelement-Halter.
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Durch die Kupplungs- und Lösevorrichtung lässt sich erzielen, dass mit der Antriebsvorrichtung nicht nur der Schweißelement-Halter entlang der Achse bewegt werden kann, wie dies zur Durchführung eines eigentlichen Schweißvorgangs (Abhub, Halt und Eintauchbewegung des Schweißelements) erforderlich ist, sondern auch der Stößel relativ zu dem Schweißelement-Halter bewegt werden kann, wie dies zum Laden eines Schweißelements zur Vorbereitung des eigentlichen Schweißvorgangs erforderlich ist. Somit lässt sich mit nur einer Antriebsvorrichtung sowohl der eigentliche Schweißvorgang antreiben, als auch der Ladevorgang.
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Vorzugsweise ist dabei die Kupplungs- und Lösevorrichtung dazu ausgestaltet, die mechanische Kupplung durch ein Klemmen zu bewirken. Hierdurch ist eine besonders geeignete und dabei kleinräumige Gestaltung der Kupplungs- und Lösevorrichtung ermöglicht. Weiterhin vorzugsweise ist dabei die Schweißvorrichtung derart gestaltet, dass das Klemmen mechanisch, elektrisch oder pneumatisch ausgeführt wird.
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Vorzugsweise umfasst die Kupplungs- und Lösevorrichtung wenigstens ein Klemmelement für das Klemmen, wobei die Kupplungs- und Lösevorrichtung so gestaltet ist, dass das Klemmelement zum Klemmen mit Bezug auf die Achse radial verlagert wird. Hierdurch lässt sich auf vergleichsweise einfache Art eine besonders zuverlässige Klemmung bewirken. Weiterhin vorzugsweise umfasst die Kupplungs- und Lösevorrichtung außerdem wenigstens ein Rückstellelement für eine Rückstellung des Klemmelements zum Lösen der Kupplung. Energetisch vorteilhaft ist das Rückstellelement federelastisch gestaltet.
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Vorzugsweise ist die Kupplungs- und Lösevorrichtung fest mit dem Stößel verbunden. Auf diese Weise ist eine besonders direkte Kraftübertragung ermöglicht. Wenn dabei diese Verbindung elektrisch isolierend gestaltet ist, lassen sich unerwünschte elektrische Wechselwirkungen vermeiden.
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Besonders geeignet umfasst die Antriebsvorrichtung einen Linearmotor. Vorzugsweise umfasst dabei der Linearmotor einen Antriebskolben, der fest mit der Kupplungs- und Lösevorrichtung verbunden ist, insbesondere elektrisch isolierend fest mit der Kupplungs- und Lösevorrichtung verbunden ist. Hierdurch ist eine besonders geeignete Kraftübertragung ermöglicht.
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Vorzugsweise ist der Schweißelement-Halter fest mit einem Schweißkolben verbunden, wobei der Schweißkolben eine Aussparung, insbesondere in Form eines Lochs aufweist und die Kupplungs- und Lösevorrichtung zum Herstellen der mechanischen Kupplung durch die Aussparung hindurch auf den Antriebskolben wirkend gestaltet ist. Hierdurch ist eine besonders geeignete wirksame Kupplung ermöglicht.
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Vorzugsweise weist die Schweißvorrichtung außerdem eine Lageerfassungseinheit zur Erfassung einer Lage der Kupplungs- und Lösevorrichtung und/oder des Stößels längs der Achse auf. Auf diese Weise ist eine besonders kontrollierte Bewegung der Kupplungs- und Lösevorrichtung und damit des Stößels und des Schweißelement-Halters ermöglicht.
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Vorzugsweise weist die Schweißvorrichtung außerdem Mittel zum Steuern und Überwachen einer Lageänderung des Schweißelements relativ zu dem Schweißelement-Halter auf. Besonders geeignet sind dabei die Mittel zum Steuern und Überwachen dazu ausgestaltet, einen Stromverbrauch des Linearmotors zu erfassen. Hierdurch lässt sich beispielsweise geeignet ermitteln, ob ein Schweißelement in den Schweißelement-Halter geladen worden ist oder nicht.
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Weiterhin vorzugsweise sind die Mittel zum Steuern und Überwachen insbesondere dazu ausgebildet, eine Kraft-Weg-Information einer Bewegung des Schweißelements relativ zu dem Schweißelement-Halter zu erfassen. Dabei sind die Mittel zum Steuern und Überwachen vorzugsweise weiterhin dazu ausgestaltet, eine erfasste Kraft-Weg-Information mit einer Referenz-Kraft-Weg-Information zu vergleichen, um auf diese Weise eine Information über geometrische Merkmale des Schweißelements zu erfassen und/oder gegebenenfalls einen Verschleiß des Schweißelement-Halters zu ermitteln.
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Vorzugsweise ist die Schweißvorrichtung in Form eines Schweißkopfes, insbesondere eines Automatikschweißkopfes oder einer Schweißpistole gestaltet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufschweißen eines Schweißelements auf ein Werkstück unter Nutzung einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung vorgesehen das den folgenden Schritt aufweist: a) Erfassen einer Kraft-Weg-Information einer Bewegung des Schweißelements relativ zu dem Schweißelement-Halter mit den Mitteln zum Steuern und Überwachen, sowie mindestens einen der drei folgenden weiteren Schritte b), c) d): b) falls ein Kraftmaximum der Kraft-Weg-Information erfasst wird: Stoppen einer Bewegung des Stößels in Abhängigkeit von dem Kraftmaximum, insbesondere derart, dass das Stoppen durchgeführt wird, wenn der Stößel, gemessen von einer Position des Stößels im Zeitpunkt des Kraftmaximums, eine vorab festgelegte Wegstrecke weiter nach vorne bewegt worden ist, c) falls ein vorab festgelegter Mindestwert der Kraft nicht erreicht wird: Durchführen einer ersten Fehlerroutine, wobei die erste Fehlerroutine insbesondere dazu ausgestaltet ist, einen Ladevorgang eines weiteren Schweißelements auszulösen, d) falls eine vorab festgelegte vordere Endposition des Stößels bei einer vorab festgelegten maximalen Kraft nicht erreicht wird: Durchführen einer zweiten Fehlerroutine, wobei die zweite Fehlerroutine insbesondere dazu ausgestaltet ist, eine Bewegung des Stößels zu stoppen.
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Wenn, wie im Schritt b) angegeben, ein Kraftmaximum der Kraft-Weg-Information erfasst wird und eine Bewegung des Stößels in Abhängigkeit von dem Kraftmaximum gestoppt wird, insbesondere derart, dass das Stoppen durchgeführt wird, wenn der Stößel, gemessen von einer Position des Stößels im Zeitpunkt des Kraftmaximums, eine vorab festgelegte Wegstrecke weiter nach vorne bewegt worden ist, lässt sich erzielen, dass unterschiedliche lange Schweißelemente so geladen werden, dass sie sich nach Beendigung des Ladevorgangs relativ zu dem Schweißelement-Halter in einer Halteposition befinden, in der sie sich mit einem bestimmten, vorgesehenen Überstandmaß nach vorne über den Schweißelement-Halter hinaus erstrecken.
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Wenn, wie im Schritt c) angegeben, ein vorab festgelegter Mindestwert der Kraft nicht erreicht wird, lässt dies darauf schließen, dass kein Schweißelement geladen worden ist. Daher ist es vorteilhaft, wenn in diesem Fall ein Ladevorgang eines weiteren Schweißelements ausgelöst wird.
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Wenn, wie im Schritt d) angegeben, eine vorab festgelegte vordere Endposition des Stößels bei einer vorab festgelegten maximalen Kraft nicht erreicht wird, lässt dies darauf schließen, dass sich das Schweißelement verklemmt hat. Daher ist es vorteilhaft, wenn in diesem Fall eine Bewegung des Stößels gestoppt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Querschnitt-Skizze zu einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung,
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2a eine Querschnitt-Skizze zu einer möglichen Ausgestaltung der Kupplungs- und Lösevorrichtung,
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2b eine entsprechende Skizze zu einer Variante hierzu,
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3a und 3b entsprechende Skizzen zu einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Kupplungs- und Lösevorrichtung,
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4a bis 4c Skizzen zu einem Bewegungsvorgang bei einem Laden eines kurzen Bolzens,
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5a bis 5c entsprechende Skizzen zu einem Bewegungsvorgang bei einem Laden eines langen Bolzens und
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6a bis 6c Skizzen zum Bewegungsablauf bei einem eigentlichen Schweißvorgang.
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1 zeigt eine Querschnitt-Skizze zu einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung. Die Schweißvorrichtung ist dazu ausgestaltet, ein Schweißelement auf ein Werkstück aufzuschweißen. Bei dem Schweißelement kann es sich insbesondere um ein stiftförmiges Schweißelement handeln, beispielsweise um einen Schweißbolzen. Im Folgenden soll der Einfachheit halber der Ausdruck „Schweißbolzen” oder kurz „Bolzen” für das Schweißelement stehen.
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Die Schweißvorrichtung weist einen Grundkörper auf, bei dem es sich insbesondere um ein Gehäuse 3 der Schweißvorrichtung handeln kann. Allerdings kann es sich bei dem Grundkörper auch um ein Stützgerüst oder dergleichen handeln. Der Einfachheit halber soll im Folgenden der Ausdruck „Gehäuse” auch einen anderweitigen Grundkörper umfassen.
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Weiterhin umfasst die Schweißvorrichtung einen Schweißelement-Halter 12 zum Halten des Schweißelements bzw. Bolzens, im Folgenden entsprechend auch kurz als Bolzenhalter 12 bezeichnet. Der Bolzenhalter 12 ist relativ zu dem Gehäuse 3 längs einer Achse A verschiebbar gelagert. Die Gestaltung ist dabei – wie üblich – derart, dass sich der Bolzenhalter 12 mit Bezug auf die Achse A in einer ersten Richtung über das Gehäuse 3 hinaus erstreckt, gemäß 1 also nach unten. Diese Richtung wird im Folgenden auch als „vorwärts” bzw. „nach vorne” oder ähnlich bezeichnet. Entsprechend wird eine hierzu entgegengesetzte zweite Richtung im Folgenden auch als „rückwärts” bzw. „zurück” oder ähnlich bezeichnet. Der Bolzenhalter 12 ist insbesondere sowohl in die erste Richtung, als auch in die zweite Richtung längs der Achse A verschiebbar gelagert.
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Dabei ist die Gestaltung weiterhin vorzugsweise so, dass für die genannte Verschiebbarkeit des Bolzenhalters 12 eine vordere Bewegungsbegrenzung ausgebildet ist, beispielsweise durch einen am oder im Gehäuse 3 ausgebildeten Anschlag. Dementsprechend lässt sich der Bolzenhalter 12 gegenüber dem Gehäuse 3 nach vorne maximal in eine vorderste Position bewegen, die im Folgenden auch als „Grundposition” des Bolzenhalters 12 (relativ zu dem Gehäuse 3) bezeichnet wird.
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Optional kann die Schweißvorrichtung weiterhin eine Feder 5 aufweisen, die zwischen dem Gehäuse 3 einerseits und dem Bolzenhalter 12 andererseits wirkend angeordnet ist, und zwar derart, dass sie den Bolzenhalter 12 nach vorne drückt, insbesondere bis in die Grundposition, sofern keine anderweitigen Kräfte dagegen wirken. Bei der Feder 5 kann es sich in diesem Sinne um eine Rückstellfeder handeln.
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Wie in 4c skizziert, ist der Bolzenhalter 12 ist dazu ausgestaltet, einen auf das Werkstück aufzuschweißenden Bolzen 14 für einen Schweißvorgang zu halten; beispielsweise kann der Bolzenhalter 12 hierzu Spannelemente 121 aufweisen, die dazu ausgestaltet sind, den Bolzen 14 klemmend zu halten. Die Position, die der, auf das Werkstück aufzuschweißende Bolzen 14 relativ zu dem Bolzenhalter 12 einnimmt, wenn er wie vorgesehen klemmend gehalten ist, wird hier auch als „Halteposition” des Bolzens 14 bezeichnet. Vorzugsweise ist die Gestaltung derart, dass der Bolzen 14 mit seiner Längsachse parallel zu der Achse A orientiert ist, wenn er sich in der Halteposition befindet.
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Der Bolzenhalter 12 kann einen etwa zylindrisch längs der Achse A geformten Bereich umfassen, durch den ein Innenraum 125 des Bolzenhalters 12 gebildet ist, der zur Aufnahme des Bolzens 14 ausgestaltet ist. Wie aus 4c hervorgeht, ist die Gestaltung dabei vorzugsweise derart, dass die Spannelemente 121 am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs ausgebildet sind, wobei sich der Bolzen 14, wenn er sich in der Halteposition befindet, mit einem rückwärtigen Anteil in den Innenraum 125 erstreckt und mit einem vorderen Endbereich ein kleines Stück – auch als Überstandmaß bezeichnet – nach vorne über die Spannelemente 121 hinaus.
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Wie beim gezeigten Beispiel der Fall, kann die Schweißvorrichtung weiterhin einen Schweißkolben 13 aufweisen, der fest mit einem rückwärtigen Endbereich des Bolzenhalters 12 verbunden ist. Insbesondere kann sich der Schweißkolben 13 bis in das Gehäuse 3 hinein erstrecken. Vorzugsweise ist eine fest mit dem Gehäuse 3 verbundene oder als Teil des Gehäuses 3 ausgebildete Linearführung 7 vorgesehen, die zur Führung des Schweißkolbens 13 parallel bzw. längs der Achse A relativ zu dem Gehäuse 3 ausgebildet ist. Beim gezeigten Beispiel wirkt die Feder 5 gegen einen rückwärtigen Flanschbereich des Schweißkolbens 13.
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Weiterhin umfasst die Schweißvorrichtung einen Stößel 9 zum Bewegen des Bolzens 14 relativ zu dem Bolzenhalter 12, wobei der Stößel 9 insbesondere relativ zu dem Gehäuse 3 längs der Achse A verschiebbar gelagert ist.
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Weiterhin umfasst die Schweißvorrichtung eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Stößels 9, insbesondere zur Durchführung der zuletzt genannten Bewegung des Stößels 9 relativ zu dem Bolzenhalter 12.
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Die Antriebsvorrichtung kann insbesondere einen Linearmotor 1 umfassen. Weiterhin kann die Antriebsvorrichtung bzw. der Linearmotor 1 einen Antriebskolben 2 aufweisen, der insbesondere relativ zu dem Gehäuse 3 parallel zu der Achse A verschiebbar gelagert ist und der durch den Linearmotor 1 angetrieben werden kann, vorzugsweise vorwärts und rückwärts. In 1 ist der Antriebskolben 2 in einer rückwärtigen Position skizziert gezeigt, die im Folgenden auch als „Ausgangsposition” des Antriebskolbens 2 (relativ zu dem Gehäuse 3) bezeichnet ist.
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Vorzugsweise umfasst die Schweißvorrichtung weiterhin einen Motoradapter 4 mit einer Vorschubeinheit zum Bewegen des Gehäuses 3 parallel zu der Achse A. Die in 1 skizzierte Relativposition zwischen dem Motoradapter 4 und dem Gehäuse 3 wird im Folgenden auch als „Grundposition” des Gehäuses 3 (relativ zu dem Motoradapter 4) bezeichnet. Dabei lässt sich das Gehäuse 3 insbesondere ausgehend von der Grundposition durch die Vorschubeinheit nach vorne bewegen.
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Vorzugsweise umfasst die Schweißvorrichtung weiterhin einen Schweißelement-Einwurf oder kurz Bolzen-Einwurf 10, der so mit dem Bolzenhalter 12 verbunden ist, dass der Bolzen 14 durch den Bolzen-Einwurf 10 hindurch in den Innenraum 125 des Bolzenhalters 12 befördert werden kann und anschließend durch eine Bewegung des Stößels 9 in die Halteposition bewegt werden kann. Auf diese Weise kann der Bolzenhalter 12 mit dem Bolzen 14 „geladen” werden. Dies ist in den 4a bis 4c angedeutet.
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Dabei ist die Gestaltung vorzugsweise derart, dass der Bolzen 14 zunächst – wie in 4a skizziert – durch den Bolzen-Einwurf 10, beispielsweise hydraulisch, bis in den Innenraum 125 des Bolzenhalters 12 befördert werden kann, so dass er sich dort zumindest im Wesentlichen längs der Achse A erstreckt und dabei mit seinem vorderen Endbereich an den Spannelementen 121 auf- bzw. anliegt (in 4a ist der Bolzen 14 in drei unterschiedlichen Bewegungsabschnitten angedeutet). Dann kann der Bolzen 14 – wie in 4b skizziert – ohne Weiteres durch eine nach vorne gerichtete Schubbewegung des Stößels 9, bewirkt durch die Antriebsvorichtung, mit seinem vorderen Endbereich durch die Spannelemente 121 hindurch nach vorne gedrückt werden, bis er – wie in 4c skizziert – in seine Halteposition gelangt. Bei dieser Bewegung des Stößels 9 ist der Bolzenhalter 12 vorzugsweise in einer, mit Bezug auf die Achse A, fixierten Position gehalten, beispielsweise in seiner Grundposition. Die Spannelemente 121 werden bei dem Hindurchdrücken des vorderen Endbereichs des Bolzens 14 leicht auseinandergedrückt, wofür eine entsprechend erhöhte Kraft zur Bewegung des Stößels 9 erforderlich ist.
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Weiterhin weist die Schweißvorrichtung eine Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 auf, die dazu ausgestaltet ist, eine mechanische Kupplung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Bolzenhalter herzustellen, sowie zum Lösen dieser Kupplung, insbesondere in wiederholter Weise, und zwar derart, dass im Zustand der hergestellten Kupplung die Antriebsvorrichtung 1 ein Bewegen des Bolzenhalters 12 relativ zu dem Grundkörper bewirkt und im Zustand der gelösten Kupplung ein Bewegen des Stößels 9 relativ zu dem Bolzenhalter 12.
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Die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 kann insbesondere relativ zu dem Gehäuse 3 parallel der Achse A verschiebbar gelagert sein. Beispielsweise kann die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 fest mit dem Antriebskolben 2 der Antriebseinheit verbunden sein, wobei insbesondere eine elektrische Isolierung zwischen der Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 einerseits und dem Antriebskolben 2 andererseits gebildet ist. Auf diese Weise lässt sich mithilfe des Linearmotors 1 die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 gegenüber dem Gehäuse 3 entlang der Achse A bzw. parallel zu der Achse A bewegen.
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Weiterhin vorzugsweise ist die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 fest mit dem Stößel 9 verbunden, insbesondere elektrisch isolierend fest mit dem Stößel 9 verbunden.
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Hierzu kann ein elektrisches Isolierelement 8 zwischen der Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 einerseits und dem Stößel 9 andererseits vorgesehen sein.
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Beim gezeigten Beispiel ist die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 mit Bezug auf die Achse A zwischen dem Antriebskolben 2 einerseits und dem Stößel 9 andererseits lagefest angeordnet.
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Ferner umfasst die Schweißvorrichtung selbstverständlich – wie an sich bekannt und daher hier nicht näher dargestellt – Mittel zur Zuführung eines Schweißstroms zum Schweißbolzen 14.
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Wenn durch die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 die mechanische Kupplung zwischen dem Bolzenhalter 12 und dem Stößel 9 hergestellt ist, lässt sich erzielen, dass mit der Antriebsvorrichtung bzw. mit dem Linearmotor 1 der Bolzenhalter 12 bewegt werden kann. Eine solche Bewegung ist insbesondere zur Durchführung eines eigentlichen Schweißvorgangs erforderlich, bei dem der Bolzen 14 durch die Schweißvorrichtung gegenüber dem Werkstück bewegt wird.
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Vorzugsweise ist die Schweißvorrichtung dazu ausgestaltet, zur Durchführung des eigentlichen Schweißvorgangs die im Folgenden beschriebenen Schritte auszuführen. Insbesondere kann die Schweißvorrichtung eine entsprechende Steuereinheit aufweisen, die zur Steuerung dieses Ablaufs ausgestaltet ist.
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Zu Beginn des eigentlichen Schweißvorgangs befindet sich das Gehäuse 3 relativ zu dem Motoradapter 4 bzw. der Vorschubeinheit beispielsweise in der Grundposition und der Bolzenhalter 12 relativ zu dem Gehäuse 3 in seiner Grundposition. Durch die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 ist die mechanische Kupplung zwischen dem Bolzenhalter 12 und dem Stößel 9 hergestellt. Der aufzuschweißende Bolzen 14 befindet sich in der Halteposition; der Stößel 9 kann dabei mit seinem vorderen Endbereich den rückwärtigen Anteil des Bolzens 14 kontaktieren. Das Werkstück 16 ist lagefest gegenüber dem Motoradapter 4 bzw. der Vorschubeinheit angeordnet.
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Wie in 6a angedeutet, wird dann zunächst in einem ersten Schritt durch die Vorschubeinheit das Gehäuse 3 und mit diesem der Bolzen 14 nach vorne auf das Werkstück 16 zu bewegt (wie in 6a durch einen Pfeil s1 angedeutet), so dass der Bolzen 14 das Werkstück 16 kontaktiert. Nach Kontakt des Bolzens 14 an dem Werkstück 16 wird diese Vorwärtsbewegung des Gehäuses 3 im Allgemeinen noch ein kleines Stück weitergeführt, derart, dass es zu Verschiebungen des Bolzenhalters 12 und des Antriebskolbens 2 gegenüber dem Gehäuse 3 kommt; der Bolzenhalter 12 und der mit diesem verbundene Schweißkolben 13 sowie der über die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 mit dem Schweißkolben 13 verbundene Antriebskolben 2 werden dabei dementsprechend rückwärts bewegt. Die gegebenenfalls vorhandene Rückstellfeder 5 wird dabei vorgespannt. Dann wird die Vorwärtsbewegung gestoppt und nach Ermittlung des Kontakts des Bolzens 14 zum Werkstück 16 kann die so erreichte Stellung als Nullstellung registriert werden. Dementsprechend ist die Schweißvorrichtung vorzugsweise dazu ausgestaltet, nach Abschluss der genannten Vorwärtsbewegung zum Herstellen des Kontakts zwischen dem Bolzen 14 und dem Werkstück 16 einen Nullabgleich durchzuführen.
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Wie in 6b angedeutet, wird der Bolzen 14 dann in einem darauffolgenden Schritt durch eine, von der Antriebsvorrichtung bzw. dem Linearmotor 1 bewirkte, rückwärts gerichtete Bewegung des Bolzenhalters 12 ein kleines Stück – auch als „Abhub” bezeichnet – von dem Werkstück 16 fort bewegt (wie in 6b durch einen Pfeil s2 angedeutet); dabei wird gegebenenfalls die Feder 5 weiter vorgespannt. In an sich bekannter Weise wird ein Lichtbogen zwischen dem Werkstück 16 und dem Bolzen 14 gebildet, durch den eine Schmelze an der Oberfläche des Werkstücks 16 entsteht. Wie in 6c angedeutet, wird der Bolzen 14 dann in einem weiteren Schritt durch eine, von der Antriebsvorrichtung bzw. dem Linearmotor 1 bewirkte, vorwärts gerichtete Bewegung des Bolzenhalters 12 wieder auf das Werkstück 16 zu bewegt (wie in 4c durch einen Pfeil s3 angedeutet), bis er mit seinem vorderen Endbereich in die Schmelze eintaucht. Zur Durchführung der zuletzt genannten vorwärts gerichteten Bewegung kann alternativ oder ergänzend auch die Feder 5 vorgesehen sein.
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Durch den Linearmotor 1 kann bei dieser Ausgestaltung also sowohl eine rückwärts gerichtete Kraft, als auch eine vorwärts gerichtet Kraft erzeugt werden, wie in 6c durch das Symbol FL↕ angedeutet. Durch die Feder 5 hingegen wird lediglich eine nach vorne gerichtete Kraft hervorgerufen, wie in 6c durch das Symbol FF↓ angedeutet.
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Nachdem der Bolzen 14 fest mit dem Werkstück 16 verbunden ist, wird das Gehäuse 3 durch die Vorschubeinheit rückwärts in seine Grundposition bewegt und mit der Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 wird die Kupplung bzw. Klemmung aufgehoben, so dass keine mechanische Kupplung mehr zwischen dem Stößel 9 und dem Bolzenhalter 12 besteht. Mit dem Linearmotor 1 wird der Antriebskolben 2 und mit diesem der Stößel 9 zurückbewegt, bis sich der Antriebskolben 2 in seiner Ausgangsstellung befindet.
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Wenn durch die die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 die mechanische Kupplung zwischen dem Bolzenhalter 12 und dem Stößel 9 gelöst ist, lässt sich durch die Antriebsvorrichtung bzw. mit dem Linearmotor 1 der Stößel 9 relativ zu dem Bolzenhalter 12 bewegen. Auf diese Weise lässt sich erzielen, dass nach einer erfolgten Schweißung mithilfe der Antriebsvorrichtung bzw. dem Linearmotor 1 ein nächster aufzuschweißender Bolzen in den Bolzenhalter 12 geladen wird, so dass er sich in der Halteposition befindet und insoweit für einen folgenden weiteren eigentlichen Schweißvorgang bereit gehalten ist.
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Wie oben anhand der 4a bereits kurz erwähnt, wird der Bozen 14 zum Laden durch den Bolzen-Einwurf 10 hindurch in den Innenraum 125 des Bolzenhalters 12 befördert. Der Stößel 9 befindet sich dabei in einer zurückgezogenen Position, so dass er die Bewegung des Bolzens 14 in den Innenraum 125 nicht behindert. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass sich der Antriebskolben 2, wie erwähnt, relativ zu dem Gehäuse 3 in seiner Ausgangsstellung befindet.
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Anschließend wird dann der Stößel 9, bewirkt durch die Antriebsvorrichtung bzw. dem Linearmotor 1, nach vorne bewegt, bis er den rückwärtigen Anteil des Bolzens 14 kontaktiert, wie in 4b angedeutet. Der Bolzenhalter 12 befindet sich dabei, wie oben erwähnt, beispielsweise in seiner Grundposition. Im Weiteren wird dann der Stößel 9 durch die Antriebsvorrichtung weiter nach vorne bewegt, so dass er den Bolzen 14 in die Halteposition bewegt. Dabei werden, wie ebenfalls erwähnt, die Spannelemente 121 auseinandergedrückt, wodurch ein erhöhter Widerstand gegeben ist, der dazu führt, dass für diese weitere Bewegung des Stößels 9 – im Vergleich zur vorhergehenden Bewegung – eine erhöhte, von der Antriebsvorrichtung bzw. dem Linearmotor 1 ausgeübte Kraft erforderlich ist.
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Somit lässt sich mit der Antriebsvorrichtung sowohl der Bolzenhalter 12 für den eigentlichen Schweißvorgang bewegen, als auch der Stößel 9 für den Ladevorgang.
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Vorzugsweise ist die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 dazu ausgestaltet, die mechanische Kupplung durch ein Klemmen zu bewirken. Dabei kann die Gestaltung beispielsweise derart sein, dass das Klemmen mechanisch, elektrisch oder pneumatisch ausgeführt wird.
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In 2a ist eine Querschnitt-Skizze zu einer möglichen Ausgestaltung der Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 gezeigt. Hierbei umfasst die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 wenigstens ein Klemmelement 18 für das Klemmen, wobei die Gestaltung so ist, dass das Klemmelement 18 zum Klemmen mit Bezug auf die Achse A radial verlagert wird, hier radial nach außen verlagert wird. Das Klemmelement 18 lässt sich dabei insbesondere durch die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 in eine Klemmposition bringen, in der die Kupplung gebildet ist und in eine Freigabeposition, in der die Kupplung gelöst bzw. nicht gebildet ist.
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Die Schweißvorrichtung kann dabei derart gestaltet sein, dass sich der Schweißkolben 13 mit Bezug auf die Achse A um die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 herum erstreckt. Auf diese Weise kann vorteilhaft durch einen, nach innen weisenden Wandbereich des Schweißkolbens 13 eine geeignete Angriffsfläche für das Klemmelement 18 gebildet sein. Der Schweißkolben 13 ist vorzugsweise im Wesentlichen rohrförmig bzw. zylindrisch, wobei er sich mit seiner Hauptachse um die Achse A herum erstreckt.
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Vorzugsweise umfasst die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 weiterhin wenigstens ein insbesondere federelastisches Rückstellelement 19 für eine Rückstellung des Klemmelements 18 zum Lösen der Kupplung.
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Alternativ kann die Gestaltung derart sein, dass die Kupplung, insbesondere durch die Steuereinheit gesteuert bzw. systembedingt aktiviert und deaktiviert werden kann.
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Bei der in 2a gezeigten Ausführung umfasst die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 weiterhin eine Spule 17, die dazu ausgelegt ist, einen magnetischen Fluss 20 hervorzurufen, durch den das wenigstens eine Klemmelement 18 von dem Schweißkolben 13 angezogen wird, wodurch die radiale Verlagerung des Klemmelements 18 und so die Kupplung durch Klemmen bewirkt wird. Das wenigstens eine Klemmelement 18 befindet sich dann in seiner Klemmposition. Bei einer Ansteuerung der Spule 17 wird dementsprechend die Kupplung hergestellt. Wenn der Stromfluss durch die Spule 17 gestoppt wird, wird das wenigstens eine Klemmelement 18 durch das Rückstellelement 19 in seine Freigabeposition zurück bewegt, wodurch die Klemmung aufgehoben und damit die Kupplung gelöst ist. Bei dieser Ausführung ist die Spule 17 um die Achse A herum angeordnet. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Spule 17 entsprechend anzusteuern.
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In 2b ist eine Variante dargestellt, die Bezugszeichen sind dabei analog gebraucht. Bei dieser Ausführung ist der Bolzenhalter 12 fest mit dem Schweißkolben 13 verbunden, wobei der Schweißkolben 13 eine Aussparung, insbesondere in Form eines Lochs aufweist und die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 zum Herstellen der mechanischen Kupplung durch die Aussparung hindurch auf den Antriebskolben 2 wirkend gestaltet ist. Insbesondere kann hierzu die Spule 17 außerhalb der Achse A angeordnet sein, beispielsweise fest an dem Schweißkolben 13 angeordnet. Dabei ist die Gestaltung weiterhin derart, dass das Klemmelement 18 durch die Spule 17 radial nach innen bewegt werden kann, beispielsweise so, dass es unmittelbar gegen den Stößel 9 drückt und auf diese Weise die Klemmung bewirkt ist. 2b zeigt einen entsprechenden Längsschnitt und darunter einen entsprechenden Querschnitt auf der Höhe A-A normal zu der Achse A. Wie gezeigt, kann der Stößel 9 eine plane Anlagefläche aufweisen, die zur Anlage des wenigstens einen Klemmelements 18 vorgesehen ist.
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In den 3a und 3b sind entsprechende Skizzen zu einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 dargestellt. Hierbei ist ein pneumatischer Ringzylinder 21 zur radialen Bewegung des wenigstens einen Klemmelements 18 vorgesehen. Zur Entriegelung bzw. zum Lösen der Kupplung ist auch hier wiederum ein entsprechendes Rückstellelement 19 vorgesehen. Bei einer Befüllung des Ringzylinders 21 wird das wenigstens eine Klemmelement 18 von innen gegen den Schweißkolben 13 gedrückt, wodurch die Klemmung herbeigeführt wird.
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Grundsätzlich sind auch andere Ausführungsformen möglich, die einen Kraftschluss zwischen dem Schweißkolben 13 und dem Stößel 9 herstellen.
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Weiterhin kann die Schweißvorrichtung eine Lageerfassungseinheit zur Erfassung einer Lage der Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 bzw. des Stößels 9 längs der Achse A aufweisen. Die Lageerfassungseinheit ist vorzugsweise mit der Steuereinheit verbunden. Die Lageerfassungseinheit kann beispielsweise einen Sensor zur Lageerfassung aufweisen.
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Mit der Lageerfassungseinheit lässt sich eine besonders kontrollierte Bewegung der Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 und damit des Stößels 9 erzielen. Wenn durch die die Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 die Kupplung zwischen dem Bolzenhalter 12 und dem Stößel 9 hergestellt ist, lässt sich auf diese Weise eine besonders kontrollierte Bewegung des Bolzenhalters 12 durchführen.
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Insbesondere lässt sich auf diese Weise erzielen, dass sich die Schweißvorrichtung besonders geeignet zum Laden unterschiedlich langer Bolzen eignet. Die Positionen eines Bolzens und des Stößels 9 lassen sich insbesondere durch eine Längenmess-Vorrichtung überwachen, die beispielsweise als Teil der Lageerfassungseinheit gestaltet sein kann. In den 5a bis 5c sind Skizzen gezeigt, die den 4a bis 4c entsprechen, jedoch einen entsprechenden Bewegungsvorgang bei einem Laden eines längeren Bolzens 15 veranschaulichen. Man erkennt, dass für den Stößel 9 in beiden Fällen unterschiedliche vordere Endpositionen mit Bezug auf die Achse A nach Abschluss des jeweiligen Ladevorgangs gegeben sind. Auf diese Weise kann also eine Information über die Länge des momentan im Bolzenhalter 12 befindlichen Bolzens 14 bzw. 15 gewonnen werden. Die Gestaltung der Schweißvorrichtung ist vorzugsweise derart, dass unterschiedlich lange Bolzen auf ein gleiches Überstandmaß zum Bolzenhalter 12 zugeführt werden können.
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Weiterhin vorzugsweise umfasst die Schweißvorrichtung Mittel zum Steuern und Überwachen einer Lageänderung des Bolzens 14 relativ zu dem Bolzenhalter 12. Diese Mittel zum Steuern und Überwachen können insbesondere als Teil der Steuereinheit gestaltet sein. Vorzugsweise weisen sie einen Kraftsensor zur Erfassung einer von dem Linearmotor 1 ausgeübten Kraft auf. Der Linearmotor 1 ist vorzugsweise ein geregelter Motor.
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Diese Mittel zum Steuern und Überwachen sind dabei insbesondere dazu ausgestaltet, einen Stromverbrauch des Linearmotors 1 zu erfassen. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise geeignet erkennen, ob sich ein Bolzen 14, 15 in dem Bolzenhalter 12 befindet oder nicht. Wenn über den Stößel 9 ein Bolzen in seine Halteposition bewegt wird und dabei der vordere Endbereich des Bolzens die Spannelemente 121 aufspreizt, muss die dafür erforderliche erhöhte Kraft durch den Linearmotor 1 erbracht werden; dies kann geeignet über die Erfassung des Stromverbrauchs detektiert werden. Eine darüber hinausgehende Überwachung des Ladevorgangs des Bolzenhalters 12 ist nicht erforderlich.
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Wenn der Stromverbrauch nicht ansteigt, lässt dies den Rückschluss zu, dass keine Bolzenladung erfolgt ist. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu ausgestaltet, eine Fehlerroutine auszulösen, falls die gemessene Kraft nicht einen vorab festgelegten Mindestwert erreicht. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass in diesem Fall automatisch ein weiterer Förder- und Ladevorgang eines Bolzens ausgelöst wird.
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Außerdem kann gegebenenfalls ein Klemmen des Bolzens erkannt werden. Von einem derartigen Klemmen eines Bolzens ist auszugehen, wenn eine vorgesehene vorderste Endposition des Stößels 9 bei Zuführung einer maximal eingestellten Kraft des Linearmotors 1 nicht erreicht wird. Daher ist vorzugsweise vorgesehen, dass nach einem Erreichen eines vorab festgelegten Kraftmaximums eine Zuführbewegung nach einem vorab festgelegten Weg gestoppt wird. Die Steuereinheit kann dementsprechend dazu ausgestaltet sein, eine Fehlerroutine auszulösen, falls bei einer vorab festgelegten maximalen Kraft eine vorab festgelegte Endposition nicht erreicht wird.
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Allgemeiner formuliert ist die Schweißvorrichtung vorzugsweise derart gestaltet, dass mit der Antriebsvorrichtung unterschiedliche Bewegungsabläufe während einer Schweißung umgesetzt werden können. Beispielsweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Dämpfung der Bewegung des Bolzens 14, 15 beim Eintauchen in die Schmelze durch den Linearmotor 1 steuerungstechnisch verändert werden bzw. vorgegeben sein kann.
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Vorzugsweise sind dabei weiterhin die Mittel zum Steuern und Überwachen dazu ausgebildet, eine Kraft-Weg-Information einer Bewegung des Bolzens 14 bzw. 15 relativ zu dem Bolzenhalter 12 zu erfassen, insbesondere mithilfe der oben genannten Lageerfassungseinheit und des oben genannten Kraftsensors. Insbesondere sind die Mittel zum Steuern und Überwachen derart gestaltet, dass mit ihnen die Kraft und ein zurückgelegter Weg der Kupplungs- und Lösevorrichtung 6 parallel zu der Achse A gemessen werden können. Durch Erfassen einer solchen Kraft-Weg-Information und einen Vergleich mit entsprechenden Referenzkurven lässt sich die Länge des Bolzens 14, 15 bestimmen und sogar eine Information mit Bezug auf die Form des Bolzens gewinnen.
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Darüber hinaus lässt sich durch einen entsprechenden Vergleich mit Referenz-Werten ein möglicher Verschleiß des Bolzenhalters 12 erkennen.
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Die beschriebene Schweißvorrichtung eignet sich beispielsweise zur Gestaltung in Form eines Schweißkopfes, insbesondere eines Automatik-Schweißkopfes. Allerdings eignet sie sich beispielsweise auch zur Ausbildung in Form einer Schweißpistole.
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Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung ermöglicht eine besonders flexible Anwendung aller üblichen Schweißverfahren, wie CD (capacitor discharge) Kontakt- oder Spaltschweißen oder Hubzündungsschweißen. Die Schweißvorrichtung eignet sich dabei für unterschiedlich lange Bolzen, ohne dass hierzu eine Umrüstung erforderlich wäre. Zudem sind aufgrund des Aufbaus der Schweißvorrichtung komplexe Qualitätsüberwachungsvorgänge integrierbar, wie zum Beispiel Bolzenerkennung, Überwachung von Bolzenklemmungen, Feststellung der Bolzenlänge, Feststellung der Bolzengeometrie, Nullung der Schweißposition, definierter Abhub mit Abhubkontrolle, definierter Bewegungsablauf während der Schweißung und des Eintauchvorgangs in die Schmelze. Weiterhin sind besonders geeignet eine Dokumentation und Überwachung der Bewegungsabläufe, eine Messung und Speicherung des Eintauchmaßes des Schweißbolzens, sowie ein integrierter Längenausgleich bei jeder Schweißung ermöglicht. Alle Daten lassen sich von nur einem geregelten Antriebssystem ohne zusätzliche Sensoren erfassen.
