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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißzange in C-Form mit einem Schweißzangenkörper an dem ein erster Schweißarm befestigt ist, der an seinem freien Ende mit einer ersten Elektrode bestückt ist, und einem demgegenüber motorisch verlagerbaren zweiten Schweißarm, der an dem Schweißzangenkörper angeordnet ist, und dem ein mit einer zweiten Elektrode bestückter Elektrodenhalter zugeordnet ist.
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Schweißzangen kommen häufig an Schweißrobotern in automatisierten Fertigungsstraßen, insbesondere im Automobilbau zum Einsatz und werden beispielsweise zum Punkschweißen oder Buckelschweißen verwendet. Es werden zwei Haupt-Typen von Schweißzangen unterschieden, nämlich zum einen X-Zangen und zum anderen C-Zangen. Bei C-Zangen ist einer der Elektrodenhalter linear beweglich und bei X-Zangen zumindest einer der Elektrodenhalter schwenkbeweglich geführt.
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Mit Elektroden bestückte Elektrodenhalter oder Zangenarme der Schweißzangen werden zum Punktschweißen mit einer relativ großen Kraft von beispielsweise 5000 bis 8000 Newton gegen das zu schweißende Werkstück gepresst. Die erforderliche Kraft wird in der Regel mittels druckbeaufschlagter Kolben-Zylinder-Einheiten erzeugt. Derartige Schweißzangen weisen darüber hinaus einen mit einem Stromanschluss gekoppelten Transformator auf, wobei der Transformator an der Schweißzange angeordnet sein kann. Aufgrund der hohen Taktzahlen der Fertigungsstraßen sowie der zunehmen geforderten Reduzierung der Antriebsenergie ist eine gewichtsoptimierte Konstruktion der Schweißzange gemeinsam mit einem dynamischen Antrieb ihrer verstellbaren Elektrode erforderlich.
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Die
DE 10 2007 054 980 A1 offenbart eine Schweißzange für einen Schweißroboter mit mindestens einem Zangenarm, der als Rahmen-/Stabtragwerk ausgebildet ist. Der Zangenarm ist mittels einer Spannzange an einem Grundkörper der Schweißzange angeordnet.
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Im Weiteren ist aus der
DE 20 2011 102 682 U1 eine Roboter- oder Maschinenschweißzange mit mindestens einem Zangenarm bekannt, wobei dem Zangenarm eine Schweißelektrode zugeordnet ist. Mindestens ein Kolben-/Zylindereinheiten umfassender motorischer Antrieb ist zur Bewegung des zugeordneten Zangenarms vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißzange der eingangs genannten Art zu schaffen, die für einen Einsatz an einem Schweißroboter optimiert ist und eine kurze Reaktionszeit aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass dem zweiten Schweißarm zur linearen Verschiebung der zweiten Elektrode relativ zur ersten Elektrode ein Torquemotor zugeordnet ist.
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Das große Antriebsmoment des in seinem Aufbau kompakten Torquemotors ermöglicht bei einem relativ geringen Gewicht eine große Beschleunigung des zweiten Schweißarms, so dass die zweite Elektrode innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeit aus ihrer Bereitschaftsposition in ihre Schweißposition verfahrbar ist. Im Weiteren ist aufgrund der hohen Dynamik des Systems eine kurze Ansprechzeit gegeben. Da der eine geringe Anzahl mechanische Elemente umfassende und daher wartungsarme Torquemotor eine hohe Antriebssteifigkeit und kein Verdrehspiel aufweist, sind gegenüber einer aus dem Stand der Technik allgemein bekannten Motor-Getriebeeinheit verbesserte Regeleigenschaften durch eine verringerte Anzahl möglicher Störgrößen und eine erhöhte Wiederholgenauigkeit gegeben.
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In Ausgestaltung umfasst der zweite Schweißarm eine mit einem Antriebszahnrad zusammenwirkende Zahnstange, wobei das Antriebszahnrad mit einem Rotor des Torquemotors gekoppelt ist. Die Zahnstange kann eine beliebige Geometrie, insbesondere einen runden, oder mehreckigen Querschnitt, aufweisen und das Antriebszahnrad ist koaxial zu dem Rotor des angeordnet. Die Lagerung der Zahnstange in dem Schweißzangenkörper erfolgt mittels zwei zueinander beabstandeter Lager, die insbesondere Wälzkörper umfassen und einen geringen Reibungswiderstand aufweisen, damit ein schnelles und dynamisches Ansprechverhalten des zweiten Schweißarms ermöglicht ist.
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Damit ein zum Schweißen von Bauteilen benötigter gleichmäßiger Anpressdruck gewährleistet ist, umfasst vorzugsweise der Elektrodenhalter einen mit der zweiten Elektrode bestückten Kopf, der gegenüber dem zweiten Schweißarm mittels eines Betätigers verschiebbar gelagert ist, wobei der Kopf über mindestens eine flexible Strombrücke oder Kontaktlamellen sowie mindestens ein Lagerelement beweglich mit einem mit der Zahnstange verbundenen Klemmelement des Elektrodenhalters gekoppelt ist. Der Torquemotor bewirkt über den ersten Schweißarm ein lineares Verfahren des Elektrodenhalters in eine vorgegebene Position, in der auch ein zum Schweißen benötigter Anpressdruck vorhanden ist, der während des Schweißvorgangs im Wesentlichen konstant zu halten ist. Beim Buckelschweißen ist eine Nachstellbewegung des Kopfes erforderlich, um den Anpressdruck der ersten Elektrode gegenüber der zweiten Elektrode aufrecht zu erhalten, wobei die erste Elektrode auf der der zweiten Elektroden gegenüberliegenden Seite der zu verschweißenden Bauteile und gegebenenfalls dem Schweißbolzen angeordnet ist. Der Kopf ist linear verschiebbar auf einem endseitigen Ansatz der Zahnstange gelagert. Dadurch, dass der Elektrodenhalter einen separaten Kopf aufweist, sind nur relativ kleine Massen zur Aufrechterhaltung des Anpressdruckes zu bewegen.
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Zweckmäßigerweise ist der Betätiger kraftbeaufschlagt verschiebbar in der Zahnstange gelagert. Bei dem Betätiger handelt sich im einfachsten Fall im Wesentlichen um eine, insbesondere im Querschnitt zylindrische Stange, die in einer entsprechenden Bohrung der Zahnstange geführt ist.
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Nach einer Weiterbildung ist der Betätiger mit einer Membran einer pneumatischen Feder verbunden, die an dem der zweiten Elektrode gegenüberliegenden Ende der Zahnstange befestigt ist, wobei die Membran auf der dem Betätiger gegenüberliegenden Seite mit Druckgas beaufschlagt ist. Auf der dem Betätiger gegenüberliegenden Seite der Membran befindet sich das insbesondere als Druckluft ausgebildete Druckgas, das unter einem vorgegebenen Druck steht. Diese pneumatische Feder ist bei einem relativ geringen Gewicht verhältnismäßig reaktionsschnell. Dem Betätiger ist ein lineares Messsystem zugeordnet, um dessen Verstellweg zu erfassen.
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Vorteilhafterweise ist die zweite Elektrode als ein Halter für einen Schweißbolzen ausgebildet. Demnach ist mit der Schweißzange nicht nur ein Punktschweißen, sondern auch ein Bolzenschweißen möglich, wobei unter einem Schweißbolzen sowohl ein einfacher Bolzen als auch ein Gewindebolzen als auch eine Mutter zu verstehen ist ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Entsprechend gestaltete Teile sind dem Fachmann aus der Praxis geläufig. Zur automatisierten Verwendung, insbesondere im Zusammenhang mit einem Schweißroboter, ist an dem Schweißzangenkörper eine Zuführeinheit mit einem Bestückungsarm für Schweißbolzen angeordnet, wobei der Bestückungsarm derart mit dem zweiten Schweißarm verbunden ist, dass der Bestückungsarm aus einer Bolzenübernahmeposition, in der der Bestückungsarm mit dem Schweißbolzen bestückbar ist, in eine Bolzenübergabeposition, in der der Bestückungsarm den Schweißbolzen an die zweite Elektrode übergibt, verlagerbar ist. Selbstverständlich befindet sich der Bestückungsarm in der Bolzenübernahmeposition, wenn der zweite Schweißarm zum Schweißen in Richtung des ersten Schweißarms bzw. dessen zugeordneter Elektrode verfahren ist, und wird in die Bolzenübergabeposition verlagert, wenn der zweite Schweißarm, dessen zugeordnete Elektrode, eine maximal zu dem ersten Schweißarm, bzw. dessen zugeordneter Elektrode, beabstandete Position eingenommen hat.
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Um eine zeitlich schnelle und störungsunanfällige Steuerung für den Bestückungsarm bereitzustellen, ist bevorzugt der Bestückungsarm mit einem Hub-Schwenk-Zylinder verbunden und weist eine mit einem stationären Führungsstift zusammenwirkende Kurvenbahn auf seinem Umfang auf. Der Hub-Schwenkzylinder kann mit der Zahnstange bzw. deren Antrieb mechanisch gekoppelt sein, so dass keine separate elektronische Ansteuerung und kein separater Antrieb notwendig sind.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Zuführeinheit einen Zuführ-Tubus, dem einerseits eine Übergabeeinheit für den Schweißbolzen und andererseits eine mit einer Vereinzelungsvorrichtung gekoppelte Übernahme zugeordnet ist. Bei dem Zuführ-Tubus kann es sich um einen im Durchmesser an die Schweißbolzen angepassten Schlauch handeln und die Vereinzelungsvorrichtung kann als eine aus dem Stand der Technik bekannte Vibrationseinrichtung oder ein Stufenförderer ausgebildet sein, die bzw. der einen Vorrat von Schweißbolzen aufnimmt, diese ausrichtet und zu dem Zuführ-Tubus befördert.
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Vorteilhafterweise sind an dem Schweißzangenkörper ein Transformator für den Schweißstrom und mindestens ein Sensor zur Erfassung von Daten, die die Position der zweiten Elektrode beschreiben, angeordnet. Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen dem Rotor des Torquemotors zugeordneten Drehgeber oder Drehwinkelgeber handeln, der mit einer elektronischen Steuerung verbindbar ist.
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Zur Wartung der Elektrode ist vorzugsweise der erste Schweißarm von dem Schweißzangenkörper entnehmbar, wobei mit Herstellung der mechanischen Verbindung eine elektrische Kopplung einhergeht. Zweckmäßigerweise weist der erste Schweißarm an seinem dem Schweißzangenkörper zugeordneten Ende eine Form auf, die mit einer Gegenform des Schweißzangenkörpers derart zusammenwirkt, dass mindestens eine einachsige Ausrichtung der Höhen- oder Seitenlage des Schweißarms relativ zu dem Schweißkörper sichergestellt ist. Die Form kann beispielsweise selbstzentrierend ausgeführt sein, insbesondere einen prismenförmigen Verlauf aufweisen und die Gegenform des Schweißzangenkörpers ist kongruierend dazu ausgeführt.
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Zur Reduzierung des Bauraums und des Gewichts ist bevorzugt ein Stator des Torquemotors in den Schweißzangenkörper integriert.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schweißzange,
- 2 eine weitere perspektivische Darstellung der Schweißzange nach 1,
- 3 eine Vorderansicht der Schweißzange nach 1 mit Elektroden in einer Schweißstellung,
- 4 eine Vorderansicht der Schweißzange nach 1 mit einem Bestückungsarm in einer Bolzenübergabeposition.
- 5 eine Schnittdarstellung der Schweißzange nach 4 gemäß Linie V-V,
- 6 eine Schnittdarstellung der Schweißzange nach 3 gemäß Linie VI-VI,
- 7 eine Schnittdarstellung eines Antriebs der Schweißzange nach 1 und
- 8 eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit VIII nach 5.
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Die Schweißzange weist eine C-Form auf und umfasst einen Schweißzangenkörper 1, an dem ein erster Schweißarm 2 befestigt ist, der an seinem freien Ende mit einer ersten Elektrode 3 bestückt ist. Um den gebogenen ersten Schweißarm 2 abnehmbar an dem Schweißzangenkörper 1 in einer definierten Ausrichtung festzulegen, weist der erste Schweißarm 2 dreieckförmig abgeschrägte Flächen 4 auf, die in ein entsprechendes Aufnahmeprisma 5 des Schweißzangenkörpers 1 zentrierend einsetzbar sind, wobei zwischen dem Aufnahmeprisma 5 und dem Schweißzangenkörper 1 eine Kontaktplatte 7 angeordnet ist. Im Weiteren ist in das freie Ende des ersten Schweißarms 2 ein Ende eines Zentrierbolzens 6 eingeschraubt, dessen anderes Ende mittels einer Mutter 8 an dem ersten Schweißarm 2 befestigt ist. Sonach ist der erste Schweißarm 2 mit seiner im Wesentlichen starr angeordneten ersten Elektrode 3 zu dem Schweißzangenkörper 1 zentriert.
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Ein zweiter Schweißarm 9 ist gegenüber dem ersten Schweißarm 2 motorisch verlagerbar an dem Schweißzangenkörper 1 angeordnet und weist an seinem freien, dem ersten Schweißarm 2 zugeordneten Ende einen mit einer zweiten Elektrode 10 bestückten Elektrodenhalter 11 auf. Der zweite Schweißarm 9 umfasst im Wesentlichen eine Zahnstange 12, die über zwei zueinander beabstandete Lagerelemente 13 mit Wälzkörpern in dem Schweißzangenkörper 1 verschiebbar angeordnet ist. Zur dynamischen Verstellung des zweiten Schweißarms 9 ist ein Torquemotor 14 vorgesehen, dessen Stator 15 in dem Schweißzangengehäuse 1 integriert ist und dessen Rotor 16 ein mit der Zahnstange 12 zusammenwirkendes Antriebsrad 17 trägt und endseitig mit einem als Drehgeber 18 ausgebildeten Sensor 19 zur Erfassung von die Zahnstange 12 betreffenden Positionsdaten bestückt ist. Selbstverständlich sind freiliegende Bereiche der Zahnstange 12 mit Faltenbälgen 20 überdeckt.
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Zur Erzeugung eines konstanten Anpressdrucks der zweiten Elektrode 10, der unabhängig von der Verstellung der Zahnstange 12 des zweiten Schweißarms 9 erzeugbar bzw. aufrechterhaltbar ist, ist der der Elektrodenhalter 11 mehrteilig aufgebaut und umfasst einen mit der zweiten Elektrode 10 bestückten Kopf 21, der gegenüber dem zweiten Schweißarm 9 bzw. der Zahnstange 12 mittels eines Betätigers 22 verschiebbar gelagert ist, wobei sich der bolzenartige Betätiger 22 durch eine entsprechende Öffnung 23 der Zahnstange 12 erstreckt und an seinem der zweiten Elektrode 10 gegenüberliegenden freien Ende mit einer pneumatischen Feder 24 gekoppelt ist. Die pneumatische Feder 24 umfasst eine in einem endseitig an der Zahnstange 12 festgelegten Gehäuse 25 angeordnete Membran 26, von deren einer Seite der Betätiger 22 abgeht und auf deren anderer Seite sich ein unter Druck stehendes Druckgas, das insbesondere als Druckluft ausgebildet ist, befindet, das über einen entsprechenden Anschluss 27 in das Gehäuse geleitet wird. Im Weiteren ist ein lineares Messsystem 41 angeordnet, um eine Verlagerung des Betätigers 22 zu erfassen. Das Messsystem 41 wirkt mit der Membran 26 zusammen, um einen Nachsetzweg des Betätigers 22 zur Prozessüberwachung zu erfassen.
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Der Kopf 21 des Elektrodenhalters 11 ist über ein Lagerelement 28 beweglich mit einem mit der Zahnstange 12 verbundenen Klemmelement 29 gekoppelt, das mit einer Stromschiene 30 verbunden ist, wobei zwischen dem Klemmelement 29 und dem Kopf 21 zwei flexible Strombrücken 31 angeordnet sind. Die Strombrücken 31 können auch durch Kontaktlamellen bzw. Schleifkontakte realisiert sein.
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Zum Verarbeiten von Schweißbolzen, die selbstverständlich auch als Gewindebolzen oder Muttern, also Schweißmuttern, ausgebildet sein können, ist die zweite Elektrode 10 als ein Halter 32 für einen Schweißbolzen ausgebildet, dem ein Bestückungsarm 33 einer Zuführeinheit 34 zugeordnet ist, die im Weiteren einen mit einer nicht dargestellten Vereinzelungsvorrichtung verbundenen Zuführ-Tubus 35 zur Zuleitung der zu verarbeitenden Schweißbolzen umfasst. Um den Bestückungsarm 33 aus einer Bolzenübernahmeposition gemäß 3 in eine Bolzenübergabeposition gemäß 4 zu verfahren, ist der Bestückungsarm 33 mit einem Hub-Schwenk-Zylinder 36 verbunden, der auf seinem Umfang eine mit einem stationären Führungsstift 37 zusammenwirkende Kurvenbahn 38 aufweist.
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Der Schweißzangenkörper 1 ist mit einem Transformator 39 für den Schweißstrom bestückt und weist eine Flanschplatte 40 zur Befestigung an einem Schweißrobotor auf.
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Ausgehend von einer in 4 dargestellten Ausgangsposition, in der die zweite Elektrode 10 zu der ersten Elektrode 3 beabstandet ist und sich der Bestückungsarm 33 in der eine Bolzenübergabeposition unterhalb des Halters 32 der zweiten Elektrode 10 zur Übergabe des Schweißbolzens an den Halter 32 befindet, wird der Torquemotor 14 zum Verlagern des mit der Zahnstange 12 verbundenen Elektrodenhalters 11 in Drehbewegung versetzt. Aufgrund der mit dem Führungsstift 37 zusammenwirkenden Kurvenbahn 38 auf dem Umfang des Hub-Schwenk-Zylinders 36 wir der Bestückungsarm 33 aus der Bolzenübergabeposition in eine Bolzenübernahmeposition gemäß 3 verlagert, in der er sich unterhalb des Zuführ-Tubus 35 zur Bestückung mit einem Schweißbolzen befindet. Gleichzeitig wird der Elektrodenhalter 11 weiter in Richtung der ersten Elektrode 3 verfahren, bis er seine von dem Drehgeber 18 erfasste Endlage erreicht, in der der Schweißbolzen unter einem vorgegebenen Anpressdruck bei vorgespannter pneumatischer Feder 24 an dem mit dem Schweißbolzen zu bestückenden Werkstück anliegt, an dessen gegenüberliegender Seite sich die erste Elektrode 3 befindet. In dieser Lage ist der Kopf 21 des Elektrodenhalters 11 in Richtung des Klemmelementes 29 verschoben. Beim Zünden des Schweißstroms schmilzt das Material des Schweißbolzens gezielt, um sich mit dem ebenfalls erwärmten Werkstück zu verbinden. Hierbei erfolgt eine durch die pneumatische Feder 24 bewirkte Zustellbewegung des Kopfes 21 in eine gegenüber dem Klemmelement 29 entfernte Lage zur Aufrechterhaltung des Anpressdrucks, solange bis der Schweißvorgang beendet ist und die Zahnstange 12 mittels des Torquemotors 14 bewegt wird, um den Elektrodenhalter 11 in eine Endlage zu verfahren, in der die zweite Elektrode 10 zur ersten Elektrode 3 maximal beabstandet ist, wobei auch diese Endlage von dem Drehgeber 18 erfassbar ist, der über eine entsprechende Steuerung mit dem Torquemotor 14 gekoppelt ist. Anschließend erfolgt die Bestückung des Halters 32 der zweiten Elektrode 10 mit einem Schweißbolzen, indem der Bestückungsarm 33 in seine Bolzenübergabeposition verfahren wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Schweißzangenkörper
- 2.
- erster Schweißarm
- 3.
- erste Elektrode
- 4.
- Fläche
- 5.
- Aufnahmeprisma
- 6.
- Zentrierbolzen
- 7.
- Kontaktplatte
- 8.
- Mutter
- 9.
- zweiter Schweißarm
- 10.
- zweite Elektrode
- 11.
- Elektrodenhalter
- 12.
- Zahnstange
- 13.
- Lagerelement
- 14.
- Torquemotor
- 15.
- Stator
- 16.
- Rotor
- 17.
- Antriebszahnrad
- 18.
- Drehgeber
- 19.
- Sensor
- 20.
- Faltenbalg
- 21.
- Kopf
- 22.
- Betätiger
- 23.
- Öffnung in 12
- 24.
- Feder
- 25.
- Gehäuse
- 26.
- Membran
- 27.
- Anschluss
- 28.
- Lagerelement von 21
- 29.
- Klemmelement
- 30.
- Stromschiene
- 31.
- Strombrücke
- 32.
- Halter
- 33.
- Bestückungsarm
- 34.
- Zuführeinheit
- 35.
- Zuführ-Tubus
- 36.
- Hub-Schwenk-Zylinder
- 37.
- Führungsstift
- 38.
- Kurvenbahn
- 39.
- Transformator
- 40.
- Flanschplatte
- 41.
- Messsystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007054980 A1 [0004]
- DE 202011102682 U1 [0005]
