DE102016109970A1

DE102016109970A1 - Machine tool and method for friction stir welding of metallic workpieces

Info

Publication number: DE102016109970A1
Application number: DE102016109970.8A
Authority: DE
Inventors: Axel Weiss; Jürgen Reh; Frank Weirauch; Knut Jähnig; Björn Reichmann; Stefan Thurner
Original assignee: Starrag GmbH
Current assignee: Starrag GmbH
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-06-01
Also published as: DE102016109970B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken, insbesondere zur Verfahrensintegration in ein Bearbeitungszentrum, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührreibschweißkraft und die in die Werkstücke eingebrachte Energie überlagert geregelt werden derart, dass als Regelgröße der Rührreibschweißkraft die Kraft in Richtung der Werkzeugachse und als Stellgröße die direkte Position des Werkzeugs zu den Bauteilen verarbeitet wird, und dass als Regelgröße für den Energieeintrag die Werkzeugtemperatur, die Leistung des Spindelantriebes, das Drehmoment der Spindel oder der Weg der Kraftregelung und als Stellgröße des Energieeintrages die Vorschubgeschwindigkeit, die Spindeldrehzahl oder die Axialkraft der Spindel verarbeitet wird.The invention relates to a machine tool and a method for Rührreibschweißen of metallic workpieces, in particular for process integration into a machining center, characterized in that the friction stir and the energy introduced into the workpieces are superimposed regulated such that the controlled variable of the friction stir welding force in the direction of the tool axis and as a manipulated variable, the direct position of the tool is processed to the components, and that as a controlled variable for the energy input, the tool temperature, the power of the spindle drive, the torque of the spindle or the force control path and as a control variable of the energy input, the feed rate, the spindle speed or Axial force of the spindle is processed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine und Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken nach dem Oberbegriff des ersten und neunten Patentanspruchs. The invention relates to a machine tool and method for Rührreibschweißen of metallic workpieces according to the preamble of the first and ninth patent claim.

Das ca. 1990 entwickelte neue Verfahren des „Reibrührschweißens“ ermöglicht die Verbindung zweier Bauteile ohne Zusatzwerkstoff. In dem Artikel „Reibrührschweißen: Erfindung, Innovationen und Industrialisierung, Stephan W. Kallee, E. Dave Nicholas and Wayne M. Thomas, TWI Ltd., Seminar 'Rührreibschweißen (FSW) – ein modernes Fügeverfahren, Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) Berlin-Brandenburg, 20. März 2002“ wird ausgeführt, dass das Reibrührschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ein Fügeverfahren ist, mit welchem durch einen rotierenden Stempel Schweißungen unterhalb des Schmelzpunktes in der festen Phase ausgeführt werden. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden große Raketentanks aus hochfesten Aluminiumlegierungen reibrührgeschweißt. Die erste Boeing Delta II Rakete mit einer reibrührgeschweißten Zwischenstufe wurde im August 1999 erfolgreich gestartet, und eine mit drei reibrührgeschweißten druckbeaufschlagten Tanks wurde im April 2001 gestartet. Im Schiff- und Eisenbahnwaggonbau setzen mehrere Firmen das Verfahren ein, um z. B. große Aluminiumpaneele herzustellen, die aus Strangpressprofilen zusammengesetzt werden. Die Automobilzulieferindustrie verwendet das Verfahren für die Serienfertigung von Leichtmetallfelgen und Rücksitzlehnen. The new process of "friction stir welding", developed around 1990, enables the connection of two components without additional material. By doing Article "Friction Stir Welding: Invention, Innovation and Industrialization, Stephan W. Kallee, E. Dave Nicholas and Wayne M. Thomas, TWI Ltd., Seminar 'Friction Stir Welding (FSW) - A Modern Joining Technique, Welding Technique and Testing Institute (SLV) Berlin- Brandenburg, March 20, 2002 " It is stated that Friction Stir Welding (FSW) is a joining process by which a rotating punch performs welds below the melting point in the solid phase. In the aerospace industry, large rocket tanks made of high strength aluminum alloys are friction stir welded. The first Boeing Delta II rocket with a friction stir welded intermediate stage was successfully launched in August 1999, and one with three friction stir welded pressurized tanks was launched in April 2001. In ship and railway wagon construction several companies use the process to z. B. produce large aluminum panels, which are composed of extruded profiles. The automotive supply industry uses the process for mass production of alloy wheels and rear seat backrests.

Eine der kritischsten Stellgrößen für erfolgreiche Reibrührschweißungen ist die Position der Werkzeugschulter relativ zur Werkstückoberfläche. Dabei geht der Trend zur prozessbegleitenden Kraft- und Drehmomentmessung für die Datenüberwachung und Parametersteuerung. Insbesondere an Knickarmrobotern, die nicht steif genug sind, um Verformungen zu widerstehen, werden oft Kraftsensoren oder komplizierte Systeme eingesetzt. In rigiden Maschinen kann die Eintauchtiefe des Werkzeuges entweder durch Positions- oder Kraftregelung erfolgen oder durch eine Kombination der beiden Methoden. One of the most critical manipulated variables for successful friction stir welding is the position of the tool shoulder relative to the workpiece surface. The trend is towards process-accompanying force and torque measurement for data monitoring and parameter control. Especially on articulated robots, which are not stiff enough to withstand deformation, force sensors or complicated systems are often used. In rigid machines, the immersion depth of the tool can be done either by position or force control or by a combination of the two methods.

Aus der Druckschrift EP 1 483 078 A1 ist ein Schweißkopf, ein Schweißsystem und ein Verfahren zum Reibrührschweißen bekannt. From the publication EP 1 483 078 A1 For example, a welding head, a welding system and a method for friction stir welding are known.

Ein Schweißkopf zum Reibrührschweißen, bestehend aus einem Werkzeughalter, einer Krafterzeugungseinrichtung und einer Dreh-Antriebsvorrichtung, die im Betrieb an das angeschlossene Werkzeug eine zyklische Bewegung um die Mittelachse des Werkzeugs und relativ zu dem Objekt zum Schweißen in Verbindung mit dem Schweißkopf angeordnet verleihen können. Die Krafterzeugungseinrichtung ist steuerbar und kann während des Betriebs angepasst werden. Verfahrensgemäß wird die Kraft zwischen den Schultern des Werkzeugs in Abhängigkeit von dem aktuellen Drehmoment zum Drehantrieb gesteuert. A welding head for friction stir welding, comprising a tool holder, a force generator, and a rotary drive device operable to impart cyclical motion to the connected tool about the central axis of the tool and relative to the weld object in connection with the weld head. The force generating device is controllable and can be adjusted during operation. According to the method, the force between the shoulders of the tool is controlled in dependence on the current torque for rotary drive.

Ein oszillierendes Reibungsschweißen wird in der Druckschrift DE 695 02 716 T2 beschrieben. Dabei wird lediglich auf eine optimale Relation zwischen einem abwärts gerichteten Druck, der auf den Stempel ausgeübt wird, und dem Istwert der Schweißgeschwindigkeit bei verschiedenen Drehzahlen verwiesen. An oscillating friction welding is in the document DE 695 02 716 T2 described. In this case, reference is made only to an optimum relation between a downward pressure exerted on the punch and the actual value of the welding speed at different rotational speeds.

In der Druckschrift DE 60 2004 000 458 T2 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drehenden Reibschweißen mit einem nicht drehenden Einsetzen des Werkzeuges beschrieben. Das Schweißwerkzeug wird erst bei dem Zustand in Drehung versetzt, bei dem es in einen Hohlraum eingesetzt ist, so dass es die zu verschweißenden Elemente bei der Soll-Schweißposition verschweißen kann, ohne dass es gegenüber der Soll-Schweißposition verschoben ist. Vorzugsweise beurteilt die Steuereinrichtung, dass das Schweißwerkzeug mit dem Gegenstand in Kontakt kommt, wenn ein durch das Schweißwerkzeug auf den Gegenstand aufgebrachter Druck größer als ein vorbestimmter Druck wird und/oder wenn eine Position des Schweißwerkzeugs eine vorbestimmte Position erreicht, die mit einer Oberfläche des Gegenstandes übereinstimmt. Die Schweißvorrichtung weist eine Werkzeugpositions-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Position des Schweißwerkzeugs und eine Druckerfassungseinrichtung zum Erfassen des Werkzeugdrucks auf, der dem Gegenstand durch das Schweißwerkzeug vermittelt wird. Die Werkzeugpositions-Erfassungseinrichtung und die Druckerfassungseinrichtung fungieren als Kontaktzustands-Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Kontaktes des Schweißwerkzeugs mit dem Gegenstand. Die Werkzeugpositions-Erfassungseinrichtung ist durch einen Encoder realisiert, der in den Servomotor für den Vorschub des Werkzeugs eingebaut ist. Die Druckerfassungseinrichtung erfasst einen Strom, der zum Werkzeugdruck des Servomotors für den Vorschub des Werkzeugs proportional ist. Auf Basis dieses Stroms wird der Werkzeugdruck hergeleitet. In the publication DE 60 2004 000 458 T2 For example, a method and apparatus for rotary friction welding with non-rotating insertion of the tool will be described. The welding tool is set in rotation only in the state in which it is inserted into a cavity, so that it can weld the elements to be welded at the desired welding position, without being shifted from the desired welding position. Preferably, the controller judges that the welding tool comes into contact with the article when a pressure applied to the article by the welding tool becomes greater than a predetermined pressure and / or when a position of the welding tool reaches a predetermined position coincident with a surface of the article matches. The welding apparatus has a tool position detecting means for detecting the position of the welding tool and a pressure detecting means for detecting the tool pressure imparted to the object by the welding tool. The tool position detecting means and the pressure detecting means function as contact state detecting means for detecting the contact of the welding tool with the object. The tool position detecting means is realized by an encoder incorporated in the servomotor for feeding the tool. The pressure detection device detects a current that is proportional to the tool pressure of the servo motor for the feed of the tool. Based on this current, the tool pressure is derived.

Diese Lösung wird mittels einer Schweißzange realisiert. This solution is realized by means of welding tongs.

Bei der Anwendung einer Positionsregelung werden Unebenheiten und Abweichungen von der Sollkontur nicht berücksichtigt. Ein weiterer Nachteil besteht in dem Unterschiedlichen Wärmeeintrag auf Grund unterschiedlicher Kraft I Reibkraft zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werkstück. Negativ wirkt sich auch die unterschiedliche Eindringtiefe des Werkzeugs in das Werkstück aus, da dadurch eine ungleichmäßige Ausprägung der Wurzel zu verzeichnen ist. Die sich einstellende Druckkraft ist abhängig von den weiteren Prozessparametern wie Vorschub und Spindeldrehzahl. When using a position control, unevenness and deviations from the nominal contour are not taken into account. Another disadvantage is the different heat input due to different force I friction between the rotating tool and the workpiece. Negative also affects the different penetration depth of the tool in the workpiece, as a result of an uneven expression of the root to be recorded. The resulting compressive force depends on the other process parameters such as feed rate and spindle speed.

Eine Kraftregelung findet in speziell entwickelten Rührreibschweißmaschinen Anwendung. Vorteile des Kraftregelkreises im Vergleich zur Positionsregelung bestehen darin, dass sowohl Unebenheiten als auch Abweichungen von der Sollkontur ausgeglichen werden, ein gleichmäßiger Wärmeeintrag auf Grund nahezu konstanter Kraft I Reibkraft zwischen Werkzeug und Werkstück zu verzeichnen ist und eine gleichbleibende Eindringtiefe des Werkzeugs in das Werkstück die gleichmäßige Ausprägung der Wurzel begünstigt. Nachteilig jedoch ist, dass bei falsch eingestellten Prozessparametern bzw. Änderungen der Prozessbedingungen es zur Zerstörung des Werkstückes kommen kann. A force control is used in specially developed friction stir welding machines. Advantages of the force control loop compared to the position control are that both unevenness and deviations are compensated by the target contour, a uniform heat input due to almost constant force I frictional force between the tool and workpiece is recorded and a constant penetration depth of the tool in the workpiece uniform Expression of the root favors. The disadvantage, however, is that with incorrectly set process parameters or changes in the process conditions, it can lead to the destruction of the workpiece.

Lösungen zum Einsatz des Reibrührschweißens in einem Bearbeitungszentrum, welches auch zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken dient, sind bisher nicht bekannt. Solutions for the use of friction stir welding in a machining center, which also serves for the machining of workpieces, are not yet known.

In Bearbeitungszentren und entsprechenden Werkzeugmaschinen ist es bekannt, den Fertigungsprozess zu überwachen. In der Druckschrift DE 10 2009 025 167 B3 wird dabei das Moment einer Hauptspindel überwacht und in der Druckschrift DE 10 2009 025 040 A1 erfolgt die Messung von Kräften an Drehwerkzeugen. In machining centers and corresponding machine tools, it is known to monitor the manufacturing process. In the publication DE 10 2009 025 167 B3 while the moment of a main spindle is monitored and in the document DE 10 2009 025 040 A1 the measurement of forces on turning tools.

In der Druckschrift DE 10 2007 048 961 A1 wird zum Einstellen des Bearbeitungskopfes zum Werkstück als Werkzeugseitige Zustandsgrößen am Bearbeitungskopf mindestens einer Kraft, ein Drehmoment und eine Schwingung des Bearbeitungskopfes erfasst. Geregelt wird dabei die Vorschubgeschwindigkeit bzw. Beschleunigung, nicht die Position des Werkzeuges. In the publication DE 10 2007 048 961 A1 For adjusting the machining head to the workpiece as tool-side state variables on the machining head of at least one force, a torque and a vibration of the machining head is detected. The feed rate or acceleration is regulated, not the position of the tool.

Die bisher verwendeten Lösungen zur Steuerung des Reibrührschweißens stellen auf speziell dazu ausgelegte Maschine ab und eignen sich nicht für den Einsatz in Bearbeitungszentren. Bekannte Steuerungen von Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungszentren genügen auf der anderen Seite den Anforderungen beim Reibrührschweißen nicht. The previously used solutions for the control of friction stir welding are based on specially designed machines and are not suitable for use in machining centers. Known controls of machine tools or machining centers on the other hand do not meet the requirements for friction stir welding.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Werkzeugmaschine und Verfahren zu entwickeln, mit welchem die technologischen Möglichkeiten eines Bearbeitungszentrums verwendend das Reibrührschweißen metallischer Werkstücke qualitativ verbessert wird und eine Verfahrensintegration in ein Bearbeitungszentrum erfolgen kann. The object of the invention is to develop a machine tool and method, with which the technological possibilities of a machining center using the friction stir welding of metallic workpieces is qualitatively improved and a process integration can be done in a machining center.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und neunten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. This object is achieved with the features of the first and ninth patent claim. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Ein Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken regelt überlagert die Rührreibschweißkraft und die in die Werkstücke eingebrachte Energie. Als Regelgröße für die Rührreibschweißkraft wird die Kraft in Richtung der Werkzeugachse und als Stellgröße die direkte Position des Werkzeugs zu den Bauteilen verarbeitet. Regelgröße des Energieeintrags ist die Werkzeugtemperatur, die Leistung des Spindelantriebs, das Drehmoment der Spindel oder die Geschwindigkeit/ Beschleunigung des Sollweges der Kraftregelung. Als Stellgröße des Energieeintrages wird die Vorschubgeschwindigkeit, die Spindeldrehzahl oder die Axialkraft der Spindel verarbeitet. A method for friction stir welding of metallic workpieces superimposed controls the Rührreibschweißkraft and introduced into the workpieces energy. As a controlled variable for the friction stir welding force, the force in the direction of the tool axis and as a manipulated variable, the direct position of the tool is processed to the components. The controlled variable of the energy input is the tool temperature, the power of the spindle drive, the torque of the spindle or the speed / acceleration of the nominal path of the force control. The feed rate, the spindle speed or the axial force of the spindle are processed as the manipulated variable of the energy input.

Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Rührreibschweißkraft bestimmt wird, indem die Stromaufnahme des Antriebsmotors der Vorschubachsen gemessen wird. It has proved to be advantageous that the friction stir welding force is determined by the current consumption of the drive motor of the feed axes is measured.

In einer Variante der Erfindung wird die Rührreibschweißkraft gemessen, indem im Werkzeug ein Kraftsensor angeordnet ist. In a variant of the invention, the friction stir welding force is measured by a force sensor is arranged in the tool.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens ist es, wenn ein Ausgleich der Reibkraft im Rührreibschweißprozess durch Messung der Stromaufnahme der Vorschubachse des Bearbeitungszentrums erfolgt, wobei aus diesen Daten eine Korrektur der Prozesskraft in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit berechnet wird. An advantageous embodiment of the method is when a compensation of the frictional force in the friction stir welding process by measuring the current consumption of the feed axis of the machining center, wherein from this data, a correction of the process force is calculated in dependence on the feed rate.

Das Verfahren gestattet in vorteilhafter Weise, die Kraft in Richtung der Werkzeugachse auf einen Maximalwert zu begrenzen. The method advantageously allows limiting the force in the direction of the tool axis to a maximum value.

Zweckmäßigerweise wird die Stellgröße bei Regelung der Kraft in Richtung der Werkzeugachse in einem frei programmierbaren Fenster überwacht, so dass bei dessen Verlassen ein Fehler generiert wird. Appropriately, the manipulated variable is monitored in regulating the force in the direction of the tool axis in a freely programmable window, so that when it leaves an error is generated.

In einer Variante der Erfindung erfolgt die Regelung des Energieeintrags des Rührreibschweißprozesses als eine Kombination mehrerer Stellgrößen. In a variant of the invention, the regulation of the energy input of the friction stir welding process takes place as a combination of a plurality of manipulated variables.

Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass das Verfahren sich gut zur Verfahrensintegration in ein Bearbeitungszentrum eignet. Wesentliche Mittel zur Implementierung des Verfahrens sind Bestandteil einer programmierbaren Steuerung eines Bearbeitungszentrums, so dass der Rührreibschweißprozess qualitativ verbessert werden kann durch Nutzung der Hardware und den Programmiermöglichkeiten eines Bearbeitungszentrums. Die hierzu benötigte Hardware ist in Bearbeitungszentren bereits vorhanden und kann durch Programmierung für die Anwendung des Verfahrens benutzt werden. It is a particular advantage of the invention that the method is well suited for process integration into a machining center. Essential means for implementing the method are part of a programmable control of a machining center, so that the friction stir welding process can be qualitatively improved by using the hardware and the programming capabilities of a machining center. The required hardware is in machining centers already exists and can be used by programming for the application of the method.

Darüber hinaus erweitert das Verfahren den Einsatz von Bearbeitungszentren, was dem Hersteller eines solchen den Kundenkreis erweitert. In addition, the process extends the use of machining centers, which extends the manufacturer of such a clientele.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and associated drawings. Show it:

1 ein Schema einer Kraftregelung beim Reibrührschweißen in einem Bearbeitungszentrum in Gantry-Bauweise 1 a scheme of a force control in friction stir welding in a machining center in gantry design

2 ein allgemeines Blockschaltbild zur Kraftregelung beim Reibrührschweißen 2 a general block diagram for force control in friction stir welding

3 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines steuerungsinternen Kraftreglers 3 a block diagram of the structure of an internal control force controller

4 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines steuerungsinternen Leistungsreglers 4 a block diagram of the structure of a controller internal power controller

Die zugehörige 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Bearbeitungszentrums in Gantry-Bauweise. Dabei besitzt die z-Achse 1 zwei Führungen 1.1 und 1.2 mit jeweils einem hier nicht dargestelltem Antrieb. Die Antriebe sind elektronisch geregelt und wirken im Bearbeitungszentrum als eine Achse, entlang welcher ein z-Schlitten 2 mit einem Werkstück 3 bewegt wird. Auf das Werkstück 3 wirkt eine Spindel 4, welche ein Werkzeug 5 trägt. The associated 1 schematically shows the structure of a machining center in gantry design. It has the z-axis 1 two tours 1.1 and 1.2 each with a drive not shown here. The drives are electronically controlled and act in the machining center as an axis along which a z-slide 2 with a workpiece 3 is moved. On the workpiece 3 a spindle acts 4 which is a tool 5 wearing.

Für den Prozess des Reibrührschweißens und seiner Integration in ein Bearbeitungszentrum sind dabei die Motorströme I_M1 und I_M2 der Antriebe der z-Achse 1 reglungstechnisch relevante Parameter. Diese sind ein Maß für die Achsvorschubkraft der z-Achse 1. In Summe erzeugt ein erster Antrieb der z-Achse 1 die Achsvorschubkraft F₁ und die Reibkraft F_R1 der z-Achse 1 an der Führung 1.1. Analog dazu erzeugt ein zweiter Antrieb der z-Achse 1 in Summe die Achsvorschubkraft F₂ und die Reibkraft F_R2 an der Führung 1.2. Den Kräften F₁ + F_R1 und F₂ + F_R2 steht die axiale Werkzeugbearbeitungskraft F_Ges als Prozesskraft gegenüber. 2 beschreibt eine überlagerte kraftgeregelte Achsregelung. Die schematische Darstellung zeigt einen allgemeinen Positionsregler, erweitert um eine kaskadierte integrierte Drehzahl- und Stromregelung einer Vorschubachse um eine Kraftreglung K. Eine Sollwertvorgabe vom Programm wird von einem Regler 6 lagegeregelt. Über einen Regler 7 erfolgt eine Drehzahlreglung des Achs-Vorschubmotors 8 wobei zwischen Vorschubmotor 8 und Regler 7 ein Stromregler 9 geschaltet ist. Bei Aktivierung der Kraftregelung K wird der Kraftsollwert mit Hilfe des Motorstromes bzw. der Motorströme ausgeregelt und dem Lageregler 6 der Vorschubachse ein zusätzliches Positions-Offset vorgegeben. Des Weiteren sind Motorgeber 10 und/ oder Lineargeber 11 vorgesehen. For the process of friction stir welding and its integration into a machining center, the motor currents I _M1 and I _{M2 are} the drives of the z axis 1 regulatory relevant parameters. These are a measure of the axis feed force of the z-axis 1 , In sum, a first drive generates the z-axis 1 the Achsvorschubkraft F ₁ and the friction force F _{R1 of} the z-axis 1 at the lead 1.1 , Similarly, a second drive generates the z-axis 1 in sum, the axial feed force F ₂ and the friction force F _R2 on the guide 1.2 , The forces F ₁ + F _R1 and F ₂ + F _{R2 are} opposed by the axial tool machining force F _Ges as the process force. 2 describes a superimposed force-controlled axis control. The schematic diagram shows a general position controller, extended by a cascaded integrated speed and current control of a feed axis to a power control K. A setpoint input from the program is a controller 6 position control. Via a regulator 7 there is a speed control of the axis feed motor 8th being between feed motor 8th and regulators 7 a current regulator 9 is switched. When the force control K is activated, the force setpoint is corrected by means of the motor current or motor currents and the position controller 6 the feed axis an additional position offset specified. Furthermore, there are motor encoders 10 and / or linear encoder 11 intended.

In der 3 wird der Kraftregler aus 2 näher beschrieben. Dabei wird über die Differenzbildung einer Sollkraft F_soll mit einer geglätteten Istkraft F_ist eine Regeldifferenz ΔF auf einen digitalen softwarebasierenden Regler 12 ausgegeben. Der Regler gibt im Anschluss, auf Grundlage der parametrierbaren Regelung, ein Positionsoffset ΔZ_Kraft aus. Anschließend wird dieses Offset auf Verletzung eines Toleranzfensters geprüft 13 und gegebenenfalls beschränkt, bzw. es wird der Vorgang abgebrochen. Das geprüfte Positionsoffset ΔZ_Kraft wird dem Lageregler-Sollwert 14 der Maschinensteuerung überlagert. Auf Grundlage des Sollweges ergibt sich der Lagerregelung nachgelagert eine Reaktion des Systems Maschine 15 in Form der Motorströme I_M1 und I_M2. Die Ströme werden erfasst und mit Hilfe einer Umrechnungsformel in die sich ergebende Istkraft F_ist umgerechnet. Diese Istkraft F_ist wird im Anschluss mit einem Zeit-Glied geglättet und daraufhin auf Verletzung der maximalen Kraftgrenze geprüft. Gegebenenfalls wird der Regler abgeschaltet. Die geprüfte geglättete Istkraft F_ist wird nun mit dem Sollwert der Kraftregelung K verglichen und erneut eine Regeldifferenz festgestellt. In the 3 the force regulator is off 2 described in more detail. It is about the difference of a desired force F _soll with a smoothed actual force F _is a control difference .DELTA.F to a digital software-based controller 12 output. The controller outputs a position offset ΔZ _force , based on the parameterizable control. Subsequently, this offset is checked for violation of a tolerance window 13 and possibly restricted, or the process is aborted. The tested position offset ΔZ _force becomes the position controller setpoint 14 superimposed on the machine control. Based on the desired path, the bearing control results in a downstream reaction of the system machine 15 in the form of the motor currents I _M1 and I _M2 . The currents are detected and by means of a conversion formula in the resulting actual force F _is converted. This actual force F _is then smoothed with a time element and then checked for violation of the maximum force limit. If necessary, the controller is switched off. The tested smoothed actual force F _is now compared with the setpoint of the force control K and again a control difference is detected.

4 beschreibt ein Beispiel für die Regelung des Energieeintrages. Wie bei der Kraftregelung wird der Energieeintrag über einen Sollwert vorgegeben und ausgeregelt. Dabei ist in der 4 dies für eine Leistungsregelung beschrieben. Zunächst wird aus einem Sollwert P_soll und einem geglätteten IST-Wert P_ist eine Regeldifferenz DP ermittelt und mit einem Reglerein Override OVR der Vorschubbewegung beeinflusst. Dabei erfolgt ebenfalls eine Begrenzung des Overrides. Der OVR wird mit Hilfe der Steuerungsschnittstelle NC-OVR 16 ausgegeben. Die Ist-Leistung P_ist stellt sich auf Grund des Systemverhaltens bzw. dem Kontakt Werkstück-Werkzeug ein. Im Anschluss wird die Ist-Leistung geglättet und erneut mit dem Sollwert P_soll eine Regeldifferenz gebildet. 4 describes an example of the regulation of the energy input. As with the force control, the energy input is preset via a setpoint and compensated. It is in the 4 this is described for a power control. First, a control difference DP is determined from a setpoint value P _soll and a smoothed actual value P _ist and influenced by a feedrate override OVR of the feed motion. This also limits the override. The OVR is created using the NC-OVR control interface 16 output. The actual power P _is set on the basis of the system behavior or the contact workpiece tool. The actual power is then smoothed and a control difference is formed again with the setpoint P _soll .

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: z-Achse z-axis
1.1 1.1: erste Führung first guide
1.2 1.2: zweite Führung second leadership
3 3: Werkstück workpiece
4 4: Spindel spindle
5 5: Werkzeug Tool
6 6: Proportionalregler proportional controller
7 7: Proportional-Integralregler Proportional integral control
8 8th: Vorschubmotor feed motor
9 9: Stromregler current regulator
10 10: Motorgeber motor encoder
11 11: Lineargeber linear encoder
12 12: proportional-integral-derivativen Regler proportional-integral-derivative regulator
13 13: Prüfung auf Verletzung des Toleranzfensters Check for violation of the tolerance window
14 14: Lagerregler storage controller
15 15: System Maschine System machine
16 16: Steuerungsschnittstelle NC-OVR Control interface NC-OVR
K K: Kraftregelung force control

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1483078 A1 [0004]
DE 69502716 T2 [0006]
DE 602004000458 T2 [0007]
DE 102009025167 B3 [0012]
DE 102009025040 A1 [0012]
DE 102007048961 A1 [0013]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Article "Friction Stir Welding: Invention, Innovation and Industrialization, Stephan W. Kallee, E. Dave Nicholas and Wayne M. Thomas, TWI Ltd., Seminar 'Friction Stir Welding (FSW) - A Modern Joining Technique, Welding Technique and Testing Institute (SLV) Berlin- Brandenburg, March 20, 2002 " [0002]

Claims

Method for friction stir welding of metallic workpieces, in particular for process integration into a machining center, characterized in that the introduced into the workpieces energy is controlled such that the controlled variable for the energy input, the tool temperature, the power of the spindle drive, the torque of the spindle, the speed or Acceleration of the desired path on the tool and as a manipulated variable of the energy input, the feed rate, the spindle speed or the axial force of the spindle is processed.

Method for friction stir welding according to claim 1, characterized in that the control of the introduced energy is superimposed with a control of Rührreibschweißkraft such that the controlled variable of the friction stir welding force in the direction of the tool axis and as a manipulated variable, the direct position of the tool is processed to the components.

A method according to claim 1, characterized in that the friction stir welding force is determined by the current consumption of the drive motor of the spindle is measured.

A method according to claim 1, characterized in that the friction stir welding force is measured by a force sensor is arranged in the tool.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a compensation of the frictional force in the friction stir welding process by measuring the current consumption of the feed axes of the machining center, wherein from these data, a correction of the process force is calculated in dependence on the feed rate.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the force is limited in the direction of the tool axis to a maximum value.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the manipulated variable is monitored in controlling the force in the direction of the tool axis in a freely programmable window, when leaving an error is generated.

A method according to claim 1, characterized in that the regulation of the energy input of the friction stir welding process takes place as a combination of several manipulated variables.

Machine tool for friction stir welding of metallic workpieces, in particular in the form of a machining center, characterized in that the introduced into the workpieces energy is controllable such that the controlled variable for the energy input tool temperature, the power of the spindle drive, the torque of the spindle speed or acceleration the Sollweges on the tool and the manipulated variable of the energy input, the feed rate, the spindle speed or the axial force of the spindle is processed.