DE10256229B4

DE10256229B4 - Schweißvorrichtung für Werkstücke mit mehreren Schweißpunkten und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE10256229B4
Application number: DE2002156229
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kaesdorf; Martin Ehrlich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2022-12-03
Also published as: DE10256229A1

Abstract

Schweißvorrichtung für Werkstücke (7) mit mehreren Schweißpunkten (P₁ bis P_n) zur Durchführung von Schweißungen, insbesondere Widerstandsschweißungen, umfassend eine Versorgungseinheit (1) mit Schweißtransformator (3) und zumindest zwei Schweißelektrodeneinheiten (6, 6') mit jeweils einem zugeordneten Umschalter (5) und eine Steuerelektronik (10), dadurch gekennzeichnet, dass den Schweißelektrodeneinheiten (6, 6') jeweils ein Paar von umschaltbaren Umschaltern (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) zugeordnet sind, wobei jeweils ein Umschalter (5) in der Zuleitung (8) und ein Umschalter (5') in der Ableitung (9) der Schweißelektrodeneinheiten (6, 6' – S_1.1 mit S_1.2 bis S_n.1 mit S_n.2) eingebracht sind, welche den Schweißpunkten (P₁ bis P_n) eines Werkstückes (7) zugeordnet sind und über die Steuerelektronik (10) ansteuerbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißvorrichtung für Werkstücke mit mehreren Schweißpunkten zur Durchführung von Schweißungen, insbesondere Widerstandsschweißungen, umfassend eine Versorgungseinheitmit Schweißtransformator und zumindest zwei Schweißelektrodeneinheiten mit jeweils einem zugeordneten Umschalter und eine Steuerelektronik, sowie auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schweißvorrichtung.

Aus der DE 196 44 279 A1 ist eine Starkstrom-Schweißvorrichtung mit mindestens einer Schweißelektrodeneinheit pro Werkstück bekannt. Hierbei wurde der Schweißstrom über Umschalter bewirkt. Jeder dieser Umschalter besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Umschaltern, im vorliegenden Fall Mosfet's, in einer Parallelschaltung, um den hohen Schweißstrom zu schalten.

Hierbei ist es jedoch nur mit sehr hohem Material- und Kostenaufwand möglich, die Funktion der einzelnen Mosfet's in einer Parallelschaltung zu überwachen. Sollte einer der Mosfet's defekt sein, müssen die anderen parallel geschalteten Mosfet's diese Leistung mit übertragen. Hierdurch kann eine Kettenreaktion stattfinden, welche die komplette Baugruppe zerstören kann.

Außerdem ist ein Umschalten nur in der Zuleitung zu den Schweißelektrodeneinheiten vorgesehen.

Durch diese Anordnung ist ein Schweißen mit mehreren Schweißelektrodenpaaren auf einem Werkstück nicht prozesssicher möglich, da durch die anderen, nicht geschalteten Schweißelektroden der Strom undefiniert abfließen kann. Sollte hier die gleiche Parallelschaltung wie in der Zuleitung angewendet werden, würde sich der Aufwand wesentlich erhöhen.

Weiterhin ist aus der DE 101 43 788 A1 eine Schweißanordnung zur Durchführung von Schweißungen, insbesondere Widerstandschweißungen, umfassend zumindest eine mit einer Versorgungseinheit verbundenen Schweißeinheit zur Durchführung der Schweißungen an Schweißpunkten eines Werkstückes bekannt. Zumindest einigen der Schweißpunkte ist jeweils eine Schweißeinheit zugeordnet. Die Schweißeinheiten sind mit der einen Versorgungseinheit verbunden und jede Schweißeinheit ist über einen steuerbaren Leistungsschalter ansteuerbar. Des Weiteren wird offenbart, dass im Verlauf zumindest einer Zuleitung der steuerbare Leistungsschalter angeordnet ist. Werden nun mehrere Schweißeinheiten über die Elektroden das zu schweißende Werkstück berühren, die wiederum elektrisch miteinander verbunden sind, wird es vorkommen, dass der Schweißstrom undefiniert über eine andere „Rückleitungs"-Elektrode von anderen Schweißeinheiten fließen kann, da diese auch mit dem zu schweißenden Werkstück verbunden sind. Denn es ist ja nur je ein Leistungsschalter in die Zuleitung integriert. Hierdurch wird die Qualität der Schweißungen und die Prozesssicherheit stark beeinflusst.

Üblich ist es auch, den Primärstrom vor dem Schweißtransformator umzuschalten, was den Vorteil hat, dass nur ein geringer Strom geschaltet werden muss. Nachteilig bei dieser Anwendung ist jedoch, dass nach jedem Umschalter ein Schweißtransformator nachgeschaltet werden muss, was enorme Kosten- und Platzprobleme mit sich bringt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schweißvorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schweißvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der ein Werkstück mit mehreren Schweißpunkten bei verkürzter Schweißzeit kostengünstig bearbeitet, der Umschaltprozess und der Stromfluss überwacht und die Versorgungseinheit zusammen mit den Leistungsumschaltern gesteuert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zunächst dadurch gelöst, dass den Schweißelektrodeneinheiten jeweils ein Paar von umschaltbaren Umschaltern zugeordnet sind, wobei jeweils ein Umschalter in der Zuleitung und ein Umschalter in der Ableitung der Schweißelektrodeneinheiten eingebracht sind, welche den Schweißpunkten eines Werkstückes zugeordnet sind und über die Steuerelektronik ansteuerbar sind.

Diese Vorrichtung umfasst somit mindestens zwei Schweißelektrodenpaare, die mit einer Versorgungseinheit verbunden sind, welche aus einem Schweißstromgenerator und einem Schweißtransformator besteht. Die Vorrichtung dient zur Durchführung von mehreren Schweißungen von Schweißpunkten an einem Werkstück, wobei die Ansteuerung der Schweißpunkte mittels einer Steuerelektronik überwacht wird.

Dem entsprechend sind zumindest einigen der Schweißpunkte jeweils eine Schweißelektrodeneinheit zugeordnet, wobei die Schweißeinheiten mit der Versorgungseinheit verbunden sind. Jede Schweißelektrodeneinheit wird über ein steuerbares Leistungsumschalterpaar angesteuert.

Durch die Anordnung von jeweils einem Umschalterpaar in der Zu- und Ableitung vom Schweißelektrodenpaar, nämlich ein Umschalter in der Zuleitung und ein Umschalter in der Ableitung, kann gewährleistet werden, dass bei einem Eingriff mehrerer Schweißelektroden auf einem Werkstück kein Schweißstrom undefiniert über ein anderes Schweißelektrodenpaar abfließen kann und dass jeder dieser Umschalter mit der Überwachungs- und Steuerelektronik verbunden ist, welche dabei sicherstellt, dass keine Fehlfunktionen stattfinden. Zusätzlich wird der Stromfluss und die Temperatur von jedem einzelnen Umschalter überwacht, ausgewertet und die notwendigen Prozessdaten an den Steuerrechner der Steuerelektronik weitergeleitet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Umschalterpaare im Sekundärstromkreis nach dem Schweißtransformator und gegebenenfalls auch im Primärstromkreis angeordnet.

Weiterhin ist immer jeweils ein Umschalterpaar pro Schweißelektrodenpaar zusammen geschaltet.

Zweckmäßigerweise ist jeder steuerbare Umschalter ein Thyristor, ein Triac, ein IGBT oder dergleichen elektronisches bzw. mechanisches Schaltelement.

Darüber hinaus können die Umschalter mit einem Kühlelement, vorzugsweise mit einem Wasserkühlelement, versehen sein, um eine Überhitzung und damit möglichen Zerstörung der Umschalter zu verhindern.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass durch das Umschalten der Umschalterpaare in der Zu- und Ableitung der Schweißelektrodeneinheiten im Sekundärstromkreis nach dem Schweißtransformator ein Parallelstrom zu den jeweils anderen nicht angesteuerten Umschaltern und somit nicht aktiven Schweißelektrodeneinheiten auf einem Werkstück verhindert wird, wobei durch die Steuerelektronik

– alle Umschalter individuell gesteuert werden,
– die Weiterschaltung der Umschalter individuell programmgesteuert synchron zur Versorgungseinheit erfolgt und die Steuerelektronik die Versorgungseinheit startet, wodurch keine festen Weiter schaltzeiten vorgegeben sind,
– an allen Umschaltern der Stromfluss geprüft, gemessen und überwacht wird, und
– alle Umschalter und die Versorgungseinheit mit den Schweißprogrammen synchronisiert werden.

Dem Verfahren liegt der Gedanke zu Grunde, jedem Schweißpunkt des Werkstückes eine Schweißelektrodeneinheit zuzuordnen, die von ein- und derselben Versorgungseinheit mit Schweißspannung bzw. Schweißstrom versorgt wird. Dabei werden die Schweißelektrodeneinheiten über die steuerbaren Umschalterpaare programmabhängig angesteuert und mit der Schweißspannung bzw. Schweißstrom zum Schweißen des Werkstückes verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet den Vorteil, dass alle Schweißelektrodeneinheiten zusammen auf das Werkstück verfahren und die Umschalterpaare von der Überwachungs- und Steuerelektronik individuell angesteuert und überwacht werden. Hierdurch wird ein ständiges Wechseln durch mechanisches Auf- und Zufahren der Schweißelektrodeneinheiten auf dem Werkstück nicht mehr notwendig, wodurch die mechanischen Bewegungen nur am Anfang und am Ende eines kompletten Prozesses, der aus mehreren Schweißpunkten besteht, stattfinden. Dadurch wird einerseits der komplette Zyklus mit mehreren Schweißpunkten erheblich verkürzt und andererseits können Kosten in Form von Versorgungseinheiten und Trafos eingespart werden. Die Überwachungs- und Steuerelektronik sorgt in dieser Zeit für einen sicheren Ablauf und koordiniert und überwacht die einzelnen Umschaltungen der Umschalterpaare und der Schweißsteuerung.

Um eine Überhitzung der Umschalterpaare zu verhindern, werden durch die Steuerelektronik alle Umschalter auf Übertemperatur geprüft und können zusätzlich mit einer Wasserkühlung ausgestattet werden.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch die Steuerelektronik alle Umschalter paarweise in der Reihenfolge individuell und fortlaufend gesteuert werden.

Des Weiteren kann jedes Widerstandsschweißverfahren genutzt werden. Hierdurch ist der Umbau einer bestehenden Anlage oder Vorrichtung kostengünstig möglich.

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 oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung und
2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit Z gemäß 1.
Die in 1 gezeigte Schweißvorrichtung umfasst eine Versorgungseinheit 1, die als Inverter, Gleichrichter oder dergleichen ausgebildet ist. Dieser Versorgungseinheit 1 ist im Primärstromkreis 2 ein Schweißtransformator 3 nachgeschaltet. In einem dem Schweißtransformator 3 nachgeordneten Sekundärstromkreis 4 sind eine Anzahl von Paaren von Umschaltern 5, 5', nämlich U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2 vorgesehen, die einer entsprechenden Anzahl von Schweißelektrodeneinheiten 6, 6', nämlich S_1.1 mit S_1.2 bis S_n.1 mit S_n.2, für eine Anzahl von Schweißpunkten P₁ bis P_n zugeordnet sind, um Schweißungen, insbesondere Widerstandsschweißungen an den Schweißpunkten P₁ bis P_n eines Werkstückes 7 durchführen zu können.
Die Umschalterpaare 5, 5', nämlich U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2, wobei ein Umschalter in der Zuleitung 8 und ein Umschalter in der Ableitung 9 des Sekundärstromkreises 4 zu einer Schweißelektrodeneinheit angeordnet sind, sind direkt mit einer vorgeschalteten Steuerelektronik 10 verbunden und werden im Schweißzyklus angesteuert und überwacht. Ein Umschalter 5 wird beispielsweise durch einen Thyristor gebildet.
Ein Steuerrechner 11 bestimmt die Schweißprogramme und sendet die Ablaufreihenfolge der Schweißpunkte an die Steuerelektronik 10 und die Versorgungseinheit 1 und gibt das Startsignal „Schweißen-Start" an die Steuerelektronik 10. Die Steuerelektronik 10 schaltet die gewünschten Umschalterpaare 5, 5' ein, prüft die Freischaltung und gibt das Signal „Schweißen-Start" für eine Schweißung an die Versorgungseinheit 1 weiter. Erhält die Steuerelektronik 10 von der Versorgungseinheit 1 das Signal „Schweißen-Ende" oder „Schweißen-Fehler" zurück, schaltet die Steuerelektronik 10 das Umschalterpaar 5, 5' wieder ab und gibt das Signal „Schweißen-Ende" oder „Schweißen-Fehler" an den Steuerrechner 11 zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft bis alle Schweißpunkte laut Steuerrechner 11 beendet sind.
Die Statussignale „Fehler" und „Bereit" der Steuerelektronik 10 zeigen dem Steuerrechner 11 an, ob die letzte Schweißung erfolgreich war oder nicht. Trat ein Fehler auf muss mit dem Signal „Fehler-Reset" die Steuerelektronik 10 freigeschaltet werden.
Da die Steuerelektronik 10 diese Abläufe koordiniert, überwacht und die Umschalterpaare 5, 5' mit der Versorgungseinheit 1 synchronisiert und sich individuell an die Schweißprogramme anpasst, wird sichergestellt, dass die erforderlichen Schweißprogramme den richtigen Schweißpunkten P₁ bis P_n zugeordnet werden, es zu keinen unnötigen Zeitverzögerungen kommt und Fehlschaltungen verhindert werden.
Die Steuerelektronik 10 und die Umschalterpaare 5, 5' können je nach Anforderung im Verhältnis kostengünstig erweitert werden, was für den Anwender einen großen wirtschaftlichen Vorteil bringt. Außerdem können bestehende Anlagen mit einem geringen Kostenaufwand mit hohem Nutzen umgebaut werden, was einen großen zeitlichen Vorteil bringt.

1: Versorgungseinheit
2: Primärstromkreis
3: Schweißtransformator
4: Sekundärstromkreis
5, 5': Umschalter
6, 6': Schweißelektrodeneinheiten
7: Werkstück
8: Zuleitung
9: Ableitung
10: Steuerelektronik
11: Steuerrechner

Claims

Schweißvorrichtung für Werkstücke (7) mit mehreren Schweißpunkten (P₁ bis P_n) zur Durchführung von Schweißungen, insbesondere Widerstandsschweißungen, umfassend eine Versorgungseinheit (1) mit Schweißtransformator (3) und zumindest zwei Schweißelektrodeneinheiten (6, 6') mit jeweils einem zugeordneten Umschalter (5) und eine Steuerelektronik (10), dadurch gekennzeichnet, dass den Schweißelektrodeneinheiten (6, 6') jeweils ein Paar von umschaltbaren Umschaltern (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) zugeordnet sind, wobei jeweils ein Umschalter (5) in der Zuleitung (8) und ein Umschalter (5') in der Ableitung (9) der Schweißelektrodeneinheiten (6, 6' – S_1.1 mit S_1.2 bis S_n.1 mit S_n.2) eingebracht sind, welche den Schweißpunkten (P₁ bis P_n) eines Werkstückes (7) zugeordnet sind und über die Steuerelektronik (10) ansteuerbar sind.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalterpaare (5, 5' – U_1. ₁ mit U₁ _.2 bis U_n.1 mit U_n.2) im Sekundärstromkreis (4) nach dem Schweißtransformator (3) als auch im Primärstromkreis angeordnet sind.
Schweißvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass immer jeweils ein Umschalterpaar (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) pro Schweißelektrodenpaar (6, 6' – S_1.1 mit S_1.2 bis S_n.1 mit S_n.2) zusammen geschaltet ist.
Schweißvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Umschalter (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) ein Thyristor ist.
Schweißvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Umschalter (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) ein Triac ist.
Schweißvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Umschalter (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) ein IGBT ist.
Schweißvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Umschalter (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) ein anderer elektrischer oder mechanische Umschalter ist.
Schweißvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalter (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) mit einem Kühlelement, vorzugsweise mit einem Wasserkühlelement, versehen sind.
Verfahren zum Betreiben einer Schweißvorrichtung für Werkstücke (7) mit mehreren Schweißpunkten (P₁ bis P_n) zur Durchführung von Schweißungen, insbesondere Widerstandsschweißungen, umfassend eine Versorgungseinheit (1) mit Schweißtransformator (3) und zumindest zwei Schweißelektrodeneinheiten (6, 6') mit jeweils einem zugeordneten Umschalter (5) und eine Steuerelektronik (10), dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umschalten in der Zu- und Ableitung (8, 9) der Schweißelektroden einheiten (6, 6' – S_1.1 mit S_1.2 bis S_n.1 mit S_n.2) im Sekundärstromkreis (4) nach dem Schweißtransformator (3) ein Parallelstrom zu den jeweils anderen nicht angesteuerten Umschalterpaaren (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) und somit nicht aktiven Schweißelektrodeneinheiten (6, 6' – S_1.1 mit S_1.2 bis S_n.1 mit S_n.2) auf einem Werkstück (7) verhindert wird, wobei durch die Steuerelektronik (10), – alle Umschalterpaare individuell (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) gesteuert werden, – die Weiterschaltung der Umschalter (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) individuell programmgesteuert synchron zur Versorgungseinheit (1) erfolgt und die Steuerelektronik (10) die Versorgungseinheit (1) startet, wodurch keine festen Weiterschaltzeiten vorgegeben sind, – an allen Umschaltern (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) der Stromfluss gemessen und überwacht wird, und – alle Umschalter (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) mit der Versorgungseinheit (1) und den Schweißprogrammen synchronisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerelektronik (10) alle Umschalter (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) auf Übertemperatur geprüft werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerelektronik (10) alle Umschalterpaare (5, 5' – U_1.1 mit U_1.2 bis U_n.1 mit U_n.2) in der Reihenfolge individuell oder fortlaufend gesteuert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißspannung oder Schweißstrom alle vorhandenen Versorgungseinheiten für das Widerstandsschweißen verwendet werden können.