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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandsschweißen mittels einer Schweißvorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem einen zugehörigen Roboter-Arbeitsplatz und ein zugehöriges Computerprogrammprodukt.
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Die
EP 1 512 483 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Widerstandsschweißen mit einem Schweißsystem, bestehend aus zumindest einem Energieversorgungssystem, einem Schweißumrichter, einer Schweißprozesssteuerung, einer Servoschweißzange und einer Servozangensteuerung. Der Schweißumrichter, die Schweißprozesssteuerung, das Energieversorgungssystem und die Servozangensteuerung bilden eine bauliche Einheit. Ein Energieversorgungssystem des Schweißumrichters kann dabei auch zur Versorgung mit elektrischer Energie der mindestens einen Servozangensteuerung verwendet werden.
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DE 10 2009 007 339 A1 beschreibt eine Punktschweißzange, die ein Speichermittel zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, welches mit einem Elektromotor derart in elektrischer Verbindung steht, dass wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Punktschweißzange elektrische Energie von dem Elektromotor an das Speichermittel abgegeben wird. Die elektrische Energie wird gemäß der darin beschriebenen technischen Lehre aus einer Bremsenergie erhalten, wenn das bewegte Zangenelement verzögert wird oder die Schweißzange entspannt wird.
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EP 2 679 329 A2 beschreibt ein Punktschweißsystem, bei dem eine Robotersteuerung einen elektrischen Kondensator umfasst, in welcher regenerierte elektrische Energie der Antriebsmotoren des Roboters gespeichert wird, wobei der Kondensator von den mehreren Antriebsmotoren gemeinsam genutzt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Widerstandsschweißen mittels einer Widerstandsschweißvorrichtung zu schaffen, durch das die verwendete elektrische Energie besonders effektiv genutzt wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Widerstandsschweißen mittels einer Schweißvorrichtung, aufweisend die Schritte:
- - Verstellen der Gelenke eines Roboterarms eines Industrieroboters durch elektrisch angesteuertes Antreiben von elektrischen Motoren des Roboterarms mittels seiner Antriebssteuerung, welche wenigstens einen den elektrischen Motoren zugeordneten Umrichter mit einer Zwischenkreisschaltung umfasst, wobei jedem Gelenk des Roboterarms mindestens einer der Motoren zugeordnet ist, um durch ein Antreiben des jeweiligen Motors das jeweils zugeordnete Gelenke des Roboterarms zu verstellen, indem elektrische Energie mittels der Antriebssteuerung den elektrischen Motoren zugeführt wird,
- - Reduzieren der Drehgeschwindigkeit wenigstens eines sich drehenden Gelenks der Gelenke des Roboterarms durch generatorisches Ansteuern des Motors, der dem wenigstens einen sich drehenden Gelenk zugeordnet ist, durch entsprechendes Ansteuern dieses Motors mittels der Antriebssteuerung, wobei die generatorisch gewonnene elektrische Energie in einen Energiespeicher eingespeist wird, und
- - Entnehmen der im Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie und Zuführen dieser entnommenen elektrischen Energie einer Schweißsteuerung zur Nutzung dieser elektrischen Energie als Schweißstrom.
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Die Schweißvorrichtung wird von einer Schweißsteuerung angesteuert. Die Antriebssteuerung ist Teil des Industrieroboters und steuert die Motoren des Roboterarms des Industrieroboters gemäß einem auf der Robotersteuerung ablaufenden Roboterprogramm des Industrieroboters.
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Die Antriebssteuerung kann einen ersten Umrichter mit einer eigenen ersten Zwischenkreisschaltung aufweisen und die Schweißsteuerung kann dabei einen vom ersten Umrichter verschiedenen, zweiten Umrichter mit einer eigenen zweiten Zwischenkreisschaltung aufweisen, wobei die erste Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters der Antriebssteuerung elektrisch an die zweite Zwischenkreisschaltung des zweiten Umrichters der Schweißsteuerung angekoppelt ist.
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Der zweite Umrichter der Schweißsteuerung kann demgemäß eine Gleichrichterschaltung und eine Wechselrichterschaltung aufweisen. Die Wechselrichterschaltung kann dann beispielsweise einen Schweißtransformator speisen, an dessen Ausgangsseite die Schweißelektroden der Schweißvorrichtung angeschlossen sind. Bei der Schweißsteuerung kann es sich somit beispielsweise um eine Inverterstromquelle handeln.
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Die Antriebssteuerung kann einen ersten Umrichter mit einer eigenen ersten Zwischenkreisschaltung aufweisen und die Schweißsteuerung kann dabei eine Schweißstrom-Regelschaltung aufweisen, wobei die erste Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters der Antriebssteuerung elektrisch an die Schweißstrom-Regelschaltung der Schweißsteuerung angekoppelt ist.
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Die Schweißsteuerung kann in einer solchen Ausführungsform also ohne eine Wechselrichterschaltung ausgebildet sein. Insofern kann die Schweißstrom-Regelschaltung ohne eine Wechselrichterschaltung ausgebildet sein. Die Schweißstrom-Regelschaltung kann beispielsweise lediglich einen Transformator, eine Gleichrichterschaltung und wenigstens einen Leistungshalbleiterschalter aufweisen. Der Leistungshalbleiterschalter kann beispielsweise ein Leistungstransistor oder ein Leistungsthyristor sein. Bei der Schweißsteuerung bzw. bei der Schweißstrom-Regelschaltung kann es sich somit beispielsweise um eine Transistorstromquelle oder eine Stromquellen für das Kondensator-Impulsschweißen (KIS) oder das Kondensator-Entladungsschweißen (KES) handeln.
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Die erste Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters der Antriebssteuerung kann direkt elektrisch an die zweite Zwischenkreisschaltung des zweiten Umrichters der Schweißsteuerung oder an die Schweißstrom-Regelschaltung der Schweißsteuerung angekoppelt sein. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn die Spannung der ersten Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters mit der Spannung an der zweiten Zwischenkreisschaltung des zweiten Umrichters der Schweißsteuerung zumindest weitgehend korrelieren. Gegebenenfalls können auch andere Schaltungsmittel als ein Gleichspanungswandler zur Anwendung kommen, um die Spannung der ersten Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters an die Spannung an der zweiten Zwischenkreisschaltung des zweiten Umrichters der Schweißsteuerung anzupassen.
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Alternativ kann die erste Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters der Antriebssteuerung über einen Gleichspanungswandler elektrisch an die zweite Zwischenkreisschaltung des zweiten Umrichters der Schweißsteuerung oder an die Schweißstrom-Regelschaltung der Schweißsteuerung angekoppelt sein.
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Der Energiespeicher kann ein elektrischer Kondensator sein, der innerhalb der Schweißsteuerung angeordnet ist. Der elektrische Kondensator kann auch eine Kondensatorbatterie sein.
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Der Energiespeicher kann ein elektrischer Kondensator sein, der innerhalb der ersten Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters der Antriebssteuerung angeordnet ist. Der elektrische Kondensator kann auch eine Kondensatorbatterie sein.
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Die aus der ersten Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters der Antriebssteuerung an die Schweißsteuerung überführte elektrische Energie kann hinsichtlich ihrer Menge über einen zeitlichen Verlauf erfasst werden.
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Bei dem Verfahren können generell Signale, welche Informationen über den zeitlichen Verlauf der erfassten Energiemenge enthalten, von der Schweißsteuerung an die Robotersteuerung und/oder von der Robotersteuerung an die Schweißsteuerung übermittelt werden, um die Antriebssteuerung, die erste Zwischenkreisschaltung des ersten Umrichters der Antriebssteuerung, eine Brems-Chopperschaltung der ersten Zwischenkreisschaltung und/oder einen die Antriebssteuerung mit der Schweißsteuerung elektrisch koppelnden Gleichspanungswandler anzusteuern, insbesondere auch in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs eines auf der Robotersteuerung ausgeführten Roboterprogramms, das insbesondere einen Schweißprozess ansteuert.
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Die beschriebenen Ausführungsformen können je nach Ausgestaltung bereits vorhandenen Speicherkapazitäten von Systemen zum Widerstandsschweißen, beispielsweise Systemen zum Kondensatorentladunsschweißen (KES), nutzen, um die anfallende Verzögerungsenergie eines Roboters nutzbar zu machen. Dabei können die Systeme von Roboter und Schweißzange möglichst entkoppelt bleiben, um einen hohen Integrationsaufwand zu vermeiden.
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Anfallende überschüssige Energie kann beispielsweise aus einem DC-Zwischenkreis des Antriebssystems des Roboters, insbesondere über eine Brems-Chopper-Schaltung zur Verfügung gestellt werden. Das Widerstandsschweißsystem kann über einen Eingang zur Aufnahme der Energie aus dem DC-Zwischenkreises verfügen. Die ankommende Gleichspannung kann entsprechend der Spannung im Kondensatorspeicher gewandelt werden. Bei entsprechender Auslegung der Eingangsschaltung ist es möglich, Bremsenergie aus Systemen mit unterschiedlicher Zwischenkreisspannung zu nutzen. Die am Eingang ankommende Energie kann über entsprechende Sensorik zeitlich erfasst werden. Über eine Datenschnittstelle zum Robotersystem kann der erfasste Energieverlauf einem Prozessabschnitt zugeordnet werden, beispielsweise anhand einer Identifikation der Schweißpunkte im Roboterprogramm. Da die Prozess-Schritte in dem Roboterprogramm meist zyklisch auftreten, kann aus historischen Daten des Energieverlaufs pro Prozessabschnitt die zu erwartende Energiemenge bestimmt werden und entsprechend der Ladevorgang der Kondensatoren für den Schweißprozess angepasst werden.
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Die Erfassung des Energieverlaufs und die historische Auswertung können auch durch die Robotersteuerung erfolgen. Die voraussichtliche Energiemenge kann dann über eine Datenschnittstelle an das Widerstandsschweißsystem zur Anpassung der Ladungsregelung übertragen werden. Außerdem könnten mehrere Robotersysteme genutzt werden, beispielsweise auch die Bremsenergien von Robotern, welche andere Handhabungsaufgaben erledigen und die beispielsweise den betreffenden Schweißroboter versorgen, der die Schweißzange handhabt.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Roboter-Arbeitsplatz, aufweisend einen Roboterarm mit mehreren Gelenken und mehreren Gliedern, die durch die Bewegungen der Gelenke des Roboterarms gegeneinander verstellbar sind, wobei jedem angetriebenen Gelenk wenigstens ein Motor zugeordnet ist, wobei der jeweilige Motor ausgebildet ist, das ihm zugeordnete Gelenk zu verstellen und zwar durch automatisches Ansteuern des Motors, und aufweisend eine Robotersteuerung, die ausgebildet ist zum automatischen Ansteuern der Motoren, um die Glieder des Roboterarms durch angetriebenes Bewegen der Gelenke automatisch und individuell gegeneinander zu verstellen, sowie aufweisend eine Schweißvorrichtung, welche von einer Schweißsteuerung angesteuert ist, wobei die Robotersteuerung und/oder die Schweißsteuerung ausgebildet und eingerichtet ist, zum Durchführen eines Verfahrens nach einem oder mehreren der beschriebenen Ausführungen.
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In einer ersten Ausführungsvariante eines RoboterArbeitsplatzes kann die Schweißvorrichtung an einem Werkzeugflansch des Roboterarms befestigt sein und die Schweißvorrichtung von dem Roboterarm geführt und positioniert werden, um den Schweißvorgang durchzuführen.
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Der Industrieroboter umfasst in dieser ersten Ausführungsvariante den Roboterarm und die Robotersteuerung. Der Roboterarm des Industrieroboters weist dabei einen Werkzeugflansch auf, an dem eine Schweißvorrichtung befestigt ist, so dass die Schweißvorrichtung durch Verstellen der Gelenke des Roboterarms im Raum automatisch bewegt werden kann. Die Schweißvorrichtung ist dabei steuerungstechnisch und energietechnisch an eine Schweißsteuerung angeschlossen. Die Schweißsteuerung dient der Ansteuerung der Bewegungen der Schwei-ßelektroden der Schweißvorrichtung und der Versorgung der Schweißelektroden mit der Schweißenergie d.h. mit dem Schweißstrom. Die Schweißsteuerung kann insbesondere als eine von der Robotersteuerung verschiedene Prozesssteuerung ausgebildet sein. Die Schweißvorrichtung kann eine Schweißzange, insbesondere eine Punktschweißzange umfassen.
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In einer zweiten Ausführungsvariante eines RoboterArbeitsplatzes kann die Schweißvorrichtung von dem Roboterarm getrennt angeordnet sein und die Schweißvorrichtung unabhängig von den Bewegungen des Roboterarms und der momentanen Gelenkkonfiguration des Roboterarms den Schweißvorgang durchführen.
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So kann der Roboter-Arbeitsplatz beispielsweise eine stationäre Schweißvorrichtung aufweisen und der Roboterarm ausgebildet sein, das Werkstück zu halten und an die stationäre Schweißvorrichtung zu bewegen. Der Roboter-Arbeitsplatz kann jedoch auch einen Roboterarm umfassen, der ausgebildet ist, eine von der Schweißaufgabe verschiedene Automatisierungsaufgabe auszuführen, wie beispielsweise eine Montageaufgabe, bei welcher der Roboterarm ein Bauteil handhabt, um den Montagevorgang auszuführen. Ein solcher Roboter-Arbeitsplatz kann daneben einen nebengeordneten Schweißarbeitsplatz umfassen, an dem eine von dem Roboterarm separate Schweißvorrichtung eine von der Automatisierungsaufgabe des Roboterarms getrennte Schweißaufgabe ausführt. Dabei kann jedoch allein aufgrund der räumlichen Nähe der Schweißvorrichtung zum Roboterarm das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, d.h. die generatorisch an dem Roboterarm zurückgewonnene elektrische Energie der Schweißvorrichtung als Schweißstrom zugeführt werden, auch wenn der von der Schweißvorrichtung ausgeführte Schweißprozess unabhängig von der Automatisierungsaufgabe des Roboterarms ist.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, aufweisend einen maschinenlesbaren Träger, auf dem Programmcode gespeichert ist, der von einer Steuerung, insbesondere einer Schweißsteuerung oder einer Robotersteuerung eines Industrieroboters des Roboterarbeitsplatzes, wie beschrieben, auslesbar ist und der die Robotersteuerung ausbildet und/oder einrichtet, ein Verfahren, gemäß einer Ausführung oder mehreren Ausführungen, wie beschrieben, durchzuführen, wenn der Programmcode von der Robotersteuerung ausgeführt wird.
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Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise eine CD, eine DVD oder ein USB-Stick sein. Das Computerprogrammprodukt kann aber auch eine Steuerungskarte sein, auf der Mikroprozessoren eingebunden sind. Das Computerprogrammprodukt kann jedoch auch in Form eines Downloads realisiert sein, der über das Internet oder ein anderes Netzwerk angeboten und verkauft werden kann.
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Der maschinenlesbare Träger kann somit eine CD, eine DVD oder ein Mikroprozessor sein, auf dem der Programmcode gespeichert ist. Der maschinenlesbare Träger kann aber auch eine Festplatte oder ein SSD-Laufwerk sein, auf das der Programmcode heruntergeladen wurde, beispielsweise mittels eines Downloads, insbesondere in Form von Datenpaketen.
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Der Programmcode kann durch ein editiertes Programm und/oder Daten repräsentiert sein, die auf dem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind. Durch ein Auslesen des editierten Programms und/oder der Daten wird die auslesende Robotersteuerung ausgebildet und/oder eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren ausführen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren wird durchgeführt, wenn die Robotersteuerung den Programmcode d.h. das editierte Programm tatsächlich entsprechend ausführt und/oder die Daten tatsächlich entsprechend verarbeitet.
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Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in weiteren Kombinationen betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
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Es zeigen:
- 1 einen beispielhaften Roboter-Arbeitsplatz, umfassend einen Roboterarm mit mehreren Gliedern und mehreren Gelenken, wobei jedem Gelenk ein eigener Motor und eine eigene Bremse zugeordnet ist, und umfassend eine Robotersteuerung zum Ansteuern des Roboterarms, insbesondere der Motoren und Bremsen der Gelenke,
- 2 ein beispielhaftes elektrisches Schaltbild einer Robotersteuerung und einer Schweißsteuerung,
- 3 ein Diagramm eines beispielhaften Verlaufs der Bremsenergie, die an dem Umrichters der Robotersteuerung bereitgestellt wird, und
- 4 ein Diagramm eines beispielhaften Verlaufs einer Kondensatorladung an einem Speicherkondensator der Schweißsteuerung.
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Die 1 zeigt einen Industrieroboter 18, der einen Roboterarm 19 und eine Robotersteuerung 20 aufweist. Der Roboterarm 19 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete, und mittels Gelenke L1 bis L6 drehbar miteinander verbundene Glieder G1 bis G7.
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Der Industrieroboter 18 weist die Robotersteuerung 20 auf, die ausgebildet ist, ein Roboterprogramm auszuführen und die Glieder G1-G7 und Gelenke L1-L6 des Roboterarms 19 automatisch zu bewegen. Eines der mehreren Glieder G1-G7 bildet ein Endglied (G7) des Roboterarms 19, das einen Werkzeugflansch 21 aufweist. An dem Werkzeugflansch 21 ist eine Schweißvorrichtung 13 befestigt.
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Die Robotersteuerung 20 des Industrieroboters 18 ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke L1 bis L6 des Roboterarms 19 gemäß des Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch verstellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Robotersteuerung 20 mit ansteuerbaren elektrischen Antrieben, den Motoren M1 bis M6 verbunden, die ausgebildet sind, die jeweiligen Gelenke L1 bis L6 des Roboterarms 19 zu verstellen.
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Bei den Gliedern G1 bis G7 handelt es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels um ein Robotergrundgestell 23 und ein relativ zum Robotergrundgestell 23 um eine vertikal verlaufende Achse A1 drehbar gelagertes Karussell 24. Weitere Glieder des Roboterarms 19 sind eine Schwinge 25, ein Armausleger 26 und eine vorzugsweise mehrachsige Roboterhand 27 mit einer als Werkzeugflansch 21 ausgeführten Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines Werkzeugs. Die Schwinge 25 ist am unteren Ende, d.h. an dem Gelenk L2 der Schwinge 25, das auch als Schwingenlagerkopf bezeichnet werden kann, auf dem Karussell 24 um eine vorzugsweise horizontale Drehachse A2 schwenkbar gelagert.
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Am oberen Ende der Schwinge 25 ist an dem einen Gelenk L3 der Schwinge 25 wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Achse A3 der Armausleger 26 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 27 mit ihren vorzugsweise drei Drehachsen A4, A5, A6. Die Gelenke L1 bis L6 sind durch jeweils einen der elektrischen Motoren M1 bis M6 über die Robotersteuerung 20 programmgesteuert antreibbar und abbremsbar.
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Die 2 veranschaulicht das Verfahren. Dargestellt ist ein Spannungswandler 1 zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung in einer Antriebssteuerung 28 für die elektrischen Motoren M1 bis M6 des Roboterarms 19. Die Schaltung umfasst im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels außerdem eine Brems-Chopperschaltung 2 mit einem Bremswiderstand und eine Speicherschaltung 3 mit einer ersten Schnittstelle 4, welche ausgebildet ist, die generatorisch gewonnene elektrische Energie aus der Schaltung der Antriebssteuerung 28, welche im Regelbetrieb über einen Wechselrichter 5 die Antriebsenergie an die Motoren M1 bis M6 des Roboterarms 19 leitet, abzuführen. Die erste Schnittstelle 4 ist mit einer zweiten Schnittstelle 8 der Schweißsteuerung 17 elektrisch verbunden. Über die zweite Schnittstelle 8 wird die generatorisch gewonnene elektrische Energie im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels zunächst einer Sensorik 9 zur Leistungserfassung zugeführt. Anschließend wird die generatorisch gewonnene elektrische Energie über einen Spannungswandler 10 zur Anpassung der Kondensatorspannung an den als Kondensator 15 ausgebildeten Energiespeicher zugeführt. Von dort wird die elektrische Energie als elektrische Schweißenergie d.h. als Schweißstrom entnommen und über eine Leistungselektronik 14 zur Regelung des Schweißvorgangs an die Schweißvorrichtung 13 geleitet. Dies erfolgt automatisch gesteuert über eine Steuereinheit 11 der Schweißsteuerung 17, im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels abgestimmt auf eine allgemeine Energieversorgung über eine Leistungselektronik 16 zur Wandlung einer Netzspannung und zur Regelung der Kondensatorladung. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Signale, welche Informationen über den zeitlichen Verlauf der erfassten Energiemenge enthalten, von der Schweißsteuerung 17 über eine Ausgangsdatenschnittstelle 12 an eine Eingangsdatenschnittstelle 7 der Antriebsteuerung und/oder der Robotersteuerung 6 übermittelt werden. Die Informationen können entsprechend auch umgekehrt zur Schweißsteuerung 17 übertragen werden.
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Die 3 zeigt einen exemplarischen Verlauf der Bremsenergie über die Zeit, welche beispielsweise über die erste Schnittstelle 4 bereitgestellt wird.
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Die 4 zeigt einen exemplarischen Verlauf der Kondensatorladung über die Zeit an dem Kondensator 15 als Energiespeicher.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1512483 A1 [0002]
- DE 102009007339 A1 [0003]
- EP 2679329 A2 [0004]
