In
der Schweißtechnik
ist das Widerstandsschweißen
von Metallen, bei denen die Werkstücke kurzzeitig zusammengepreßt werden
und eine eng begrenzte Materialzone durch den hindurch fließenden elektrischen
Strom sehr schnell erwärmt
wird; zur Verbindung der beiden Werkstücke weiterhin sehr beliebt.
Dieses Prinzip hat im Vergleich zu anderen, gängigen Schmelz-Schweiß-Verfahren,
wie z.B. dem Gasschweißen
oder Lichtbogenschweißen,
den Vorteil, daß keine
abschmelzenden Zusatzstoffe und keine Schutzgasatmosphäre benötigt wird
sowie keine Flamme entsteht. Die gängigsten Widerstandsschweißverfahren
sind das Punktschweißen
(RP), das Buckelschweißen
(RB), das Rollennahtschweißen
(RR), das Abbrennstumpfschweißen
(RA) und das Preßstumpfschweißen (RPS).
Beim
(Widerstands-)Punktschweißen
(RP) werden Einzelteile, z.B. Bleche und Stanzteile, zwischen zugespitzten
Elektroden geschweißt,
wobei die aus Kupfer bestehende Elektrode nicht nur den Strom leitet,
sondern auch zwei Werkstückteile
zusammenpreßt,
d.h. kraftschlüssig
verbindet. Die Größe der Schweißstelle,
also der Schweißlinse,
hängt neben
der Dicke der Einzelteile von der Größe der Elektrodenkontaktfläche ab.
Da diese Dicke der Einzelteile in der industriellen Serienfertigung
aufgrund gleicher Werkstücke
gleich ist, muß,
um eine Schweißstelle
mit konstanter Größe zu erhalten, auch
die Größe der Elektrodenkontaktfläche konstant
gehalten werden. Insbesondere metallische Verunreinigungen an den
Elektrodenkontaktflächen, die überwiegend
aus dem Schweißvorgang
herrühren,
beeinträchtigen
die Qualität.
Aus diesem Grund sind vorzugsweise den Elektroden so genannte Elektrodenkappen übergestülpt, die
zum konstant Halten der Elektrodenkontaktfläche entweder abgefräst werden
oder bei Bedarf, z.B. bei Materialermüdung oder zu geringer Restdicke
durch das Abfräsen,
ausgetauscht werden. Damit kann der häufige und teure Austausch der
gesamten Elektrode vermieden werden. Die Elektrodenform hängt vom
Bauteil ab, wobei zwischen geraden, gewinkelten und gekröpften Punktelektroden
unterschieden wird.
Das
Rollennahtschweißen
(RR) erfolgt nicht wie beim Punktschweißen (RP) mit zylinderförmigen Elektroden
mit angespitzten Enden, sondern mit rotierenden rollen- oder scheibenförmigen Elektroden, die
die Elektrodenkraft und den Schweißstrom auf die Werkstücke, z.B.
Bänder
und Litzen, übertragen.
Der Schweißstrom
wird entweder nicht unterbrochen oder in aufeinander folgenden Pulsen
getaktet. Ja nach Impulsdauer und Vorschubgeschwindigkeit entstehen
damit Punkt- oder Dichtnähte
sowie bei nicht unterbrochenem Schweißstrom lange Schweißnähte. Der
Vorschub kann über
eine Bewegung des Werkstückes
oder des Maschinenkopfes erfolgen. Die Größe der Schweißstelle
hängt auch
hier von der Dicke des Werkstückes
und der Elektrodenkontaktfläche
ab. Die Elektrodenkontaktflä che
muß deshalb auch
beim Rollennahtschweißen
konstant gehalten werden, z.B. durch Reinigen oder Austausch der
rollenförmigen
Elektroden. Die thermische Belastung der rollenförmigen Elektrode ist jedoch
beim unterbrochenen, getakteten Schweißstrom geringer, weil durch
das Drehen der Rollennahtelektroden immer andere Stellen der Elektrode
mit Strom belastet werden.
Das
oben hinsichtlich der Abnutzung der Elektroden aufgeführte gilt
analog auch für
die anderen Widerstandsschweißverfahren,
wobei hier jedoch im allgemeinen aufgrund der großen Elektrodenkontaktfläche, z.B.
beim Buckelschweißen
(RB), die Abnutzung der Elektrode deutlich geringer ist.
Für das Widerstandsschweißen werden
die beiden Stromarten Gleichstrom und Wechselstrom eingesetzt, wobei
unter Stromarten im Zusammenhang mit Widerstandsschweißen im wesentlichen
die an die jeweilige Schweißaufgabe
angepaßte
bzw. entsprechend geformten Ströme
verstanden werden. Der Stromfluß über die
Schweißstelle
gehört
zu den wichtigsten und am besten beeinflußbaren Parametern, der nach
dem Ohmschen Gesetz I = U/R vom Widerstand, d.h. dem gesamten Widerstand
im Schweißstromkreis
abhängt.
Die gebräuchlichsten Schweißstromarten
sind der Wechselstrom mit einer Nennfrequenz von 50 Hz, der Gleichstrom
als transformierte Kondensatorentladung oder mit Transistorregelung
sowie der dreiphasige-sechspulsige Gleichstrom mit Sekundärgleichrichtung
und der Gleichstrom mit einer Mittelfrequenz von 1 kHz bis 25 kHz.
Der
Schweißstrom
an der Schweißstelle hängt vom
Gesamtwiderstand im Sekundär-
oder Schweißstromkreis
ab, der von den Komponenten der Widerstandsschweißmaschine
im Schweißstromkreis
abhängt.
Der Schweißkopf
als zentraler Funktionsbestandteil der Widerstandsschweißanlage
besteht aus einem Ma schinenkörper
und dem bewegten Elektrodensystem mit den Elektroden, vorzugsweise
Elektrodenkappen und Zangen, die vorzugsweise mechanisch mit Federn
oder pneumatisch bewegt werden. Zur Stromleitung sind noch Sekundärkabel zur
Stromleitung aus der Sekundärspule vorhanden.
Der Gesamtwiderstand (Stoff-, Übergangs-
und induktiver Widerstand) im Schweißstromkreis setzt sich zusammen
aus den Stoff- und induktiven Widerständen der Elektrode, der Elektrodenkappe,
den beiden Werkstücken
und dem Sekundärkabel
sowie dem Übergangswiderstand
zwischen den Kontaktstellen der Werkstücke und den Kontaktstellen
zwischen Elektrode und Werkstück.
Außerdem
ist im Gesamtwiderstand noch der induktive Widerstand insbesondere
aus der Sekundärspule
im Schweißtransformator
enthalten. Die Addition von Stoff- und Übergangswiderstand als Wirkwiderstand und
induktiven Widerstand wird als Scheinwiderstand oder Impedanz bezeichnet
und entspricht somit dem Gesamtwiderstand.
Mit
Hilfe der Schweißsteuerung
können
die beiden Hauptparameter beim Widerstandsschweißen, der Schweißstrom und
die Schweißzeit,
sowie auch die Elektrodenkraft gesteuert werden. Beim Punktschweißen (RP),
insbesondere im Automobilbau, wird der Schweißkopf überwiegend von einem Industrieroboter
zur Schweißstelle
am Werkstück
geführt.
Im Schweißkopf
sind fest angekoppelte Wechsel- sowie stationäre Schweißzangen im Einsatz. Dabei wird
im allgemeinen mit Stromkonstantregelung geschweißt, wobei
als Regelarten die Primär-
und Sekundärregelung
verwendet werden. Die Strommeßspule
befindet sich beim Einsatz der Sekundärregelung im Sekundärstromkreis
und bei der Primärregelung
im Primärstromkreis
bzw. im Inverter. Die Regelgröße, der
Iststromwert, wird durch die Steuereinheit mit dem Sollwert oder
einem bestimmten Sollwertbereich verglichen, wobei als Stellgröße beim Wechselstrom
mit Netzfrequenz als Schweißstromart die
Phasenanschnittswerte ver wendet werden. Beim Mittelfrequenzschweißen wird
der Impulsbreitenmodus angewandt. Störgrößen, z.B. Widerstandsänderungen,
beispielsweise bedingt durch die Änderung des Kontaktflächendurchmessers
und die Oberfläche der
Elektrodenkappen sowie ein Kurzschluß im Sekundärkreis der Schweißzange werden
erkannt und ausgeregelt. Nachteilig ist jedoch, daß Schwankungen
dieser Faktoren trotz der Regelung einen großen Einfluß auf die Schweißqualität haben,
d.h. daß offene
Schweißpunkte
oder extrem verbrannte Schweißpunkte
die Folge sein können.
Insbesondere
im Automobilbau werden beim Punktschweißen (RP) Elektrodenkappen verwendet, weil
z.B. durch neue Werkstoffe oder Beschichtungen die Elektroden verschmutzen
oder Rückstände vom
Werkstück
hängen
bleiben. Aus diesem Grund ist eine Säuberung der Elektrodenkappen
erforderlich, was durch Nachfräsen
der Form der Elektrode erfolgt, wobei die Form der Elektrode erhalten
bleibt. Durch das Nachfräsen
unterliegt auch die Elektrodenkappe einem gewissen geringfügigen Verschleiß und Materialabtrag,
weshalb ein Austausch der gebrauchten durch neue Elektrodenkappe
erforderlich ist. Vor dem Schweißen eines Werkstückes mit
neuen Elektrodenkappen wird eine Erstfräsung durchgeführt. Darauf
folgend werden mit dieser Elektrodenkappe eine programmierte Anzahl
von Schweißpunkten,
z.B. 150 bis 500, ausgeführt
mit dem daran anschließenden
Folgefräsen
bzw. Nachfräsen.
Mit einer neuen Elektrodenkappe können im allgemeinen 20 bis
60 Nachfräsungen
durchgeführt
werden, danach wird die Elektrodenkappe ausgetauscht.
Wie
bereits beschrieben, ist für
die Schweißqualität der Gesamtwiderstand
oder die Impedanz im Sekundärkreis
von entscheidender Bedeutung. Störgrößen, z.B.
verschiedene Kontaktflächen
oder Durchmesser der Schweißelektrode,
Verschmutzungen der Kontaktfläche
der Schweißelektrode,
unterschiedliche Elektrodenkraft, ein Parallelschluß im Sekundärkreis der
Schweißzange
und Veränderungen der
in Reihe geschalteten Widerstände,
z.B. Sekundärkabel
und Übergangswiderstände sind
deshalb zu vermeiden. Aus diesem Grund werden Sensoren zur Überwachung
eingesetzt, insbesondere werden optische Sensoren zur Überwachung
des Fräsergebnisses
und zusätzliche
Meßspulen
an den Schweißelektroden
zur Überwachung
des Schweißstromes
in den Schweißelektroden
eingesetzt.
Nachteilig
ist hierbei, daß diese
Sensoren aufwendig und störungsanfällig sind,
was zu weiteren Unsicherheiten der Schweißqualität führt sowie mit hohen Investitionskosten
verbunden ist. Die optischen Sensoren können nur innerhalb bestimmter Fremdlichtgrenzen
arbeiten, so daß an
die Umgebungsbedingungen erhöhte
Anforderungen zu stellen sind.
Aus
der WO 00/32346 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften
einer Elektrode zum Punktschweißen
bekannt. Hierzu wird an zwei gegenüberliegenden Punkten der zylindrischen
Elektrode im geringen Abstand von der Spitze der Elektrode eine
Hochfrequenzspannung, vorzugsweise zwischen 20 MHz und 400 MHz,
angelegt. Anhand der gemessenen Amplitudenhöhen können beispielsweise Zinkverunreinigungen
der Elektrodenoberfläche
bestimmt werden. Dabei ist nachteilig, daß das Verfahren aufgrund des
hohen apparativen Aufwandes, z.B. wegen des notwendigen zusätzlichen Meßstromkreises
und der Hochfrequenzquelle, teuer und störungsanfällig ist.
Aufgabe
der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und einer
Vorrichtung, die auf einfache, kostengünstige und zuverlässige Weise
die Eigenschaften von Komponenten bzw. Teilen im Sekundärstromkreis
beim Widerstandsschweißen
erfassen und überwachen,
insbesondere das Fräsergebnis
einer Elektrodenkappe beim Punktschweißen.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 14. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird durch
die Erfassung und Überwachung
der Eigenschaften von vorzugsweise auswechselbaren Teilen im Sekundärstromkreis
von Widerstandsschweißanlagen,
insbesondere der Schweißzange,
den Elektrodenkappen und abgefrästen
Elektrodenkappen, durch Referenzmessungen, ein einfaches, kostengünstiges
und zuverlässiges
Verfahren und eine dazugehörige
Vorrichtung zur Verfügung
gestellt, um Sollabweichungen der Eigenschaften dieser Teile zu
erfassen.
Die
Bestimmung des Referenzwertes für
ein vorzugsweise auswechselbares Teil erfolgt insbesondere durch
Schweißung
im ungeregelten Modus (PHA-Modus), d.h. daß der Strom im Sekundärstromkreis
nicht konstant geregelt wird, im Kurzschluß ohne Werkstück, wobei
vorzugsweise Elektrodenkappe auf Elektrodenkappe aufeinander liegen.
Die Stromsteuerung im Primärstromkreis
am Inverter wird auf einen bestimmten Wert konstant gehalten, z.B.
durch konstante Phasenanschnittswerte. Als weiterer Parameter wird,
falls veränderbar,
auch die Elektrodenpreßkraft
konstant gehalten. Aufgrund der konstanten Parameter hängt die
Größe des Schweiß- oder
Sekundärstromes
vom vorzugsweise auswechselbaren Teil ab. Die Größe dieses Referenzstromes wird
gespeichert und mit einer gespeicherten Referenzbandbreite verglichen,
wobei Abweichungen der Größe des Referenzstromes
von einem bestimmten vorgegebenen Toleranzbereich erkannt werden.
Die gespeicherten Referenzbandbreiten als Vergleichskriterien werden
entweder empirisch oder numerisch-theoretisch ermittelt. Damit können Widerstandsveränderungen,
die insbesondere z.B, aus Materialermü dung, Verunreinigungen, geänderten
Kontaktflächen
oder lokalen Kurzschlüssen als
Eigenschaften resultieren, erkannt werden. Neben dem Strom als Referenzwert
können
auch andere Parameter, z.B. der elektrische Widerstand, verwendet
werden. Außerdem
ist es auch möglich,
die Referenzmessung mit dem Teil außerhalb des Schweißstromkreises
in einem gesonderten Stromkreis durchzuführen. Hierzu ist das Bauteil
unter Umständen
aus dem Schweißstromkreis
bzw. der Schweißvorrichtung
zu entfernen.
Beim
Einsatz einer neuen Schweißzange muß ein Referenzwert
durch Schweißung
im ungeregelten Modus im Kurzschluß vorzugsweise mit aufeinander
liegenden Elektrodenkappen ermittelt werden. Dieser Referenzwert
wird mit aus vorhergehenden Referenzmessungen abgeleiteten empirischen Werten
oder numerischtheoretischen Werten verglichen, wobei hier auch Toleranzbereiche
mit umfaßt sind.
Dadurch können
z.B. zu hohe induktive Widerstände
in der Schweißzange
durch Materialfehler oder Kontaktfehler bei der Montage ermittelt
werden.
Zur
Erfassung und Überwachung
des Fräsergebnisses
der Elektrodenkappen wird vorzugsweise die nachfolgend aufgeführte Vorgehensweise
gewählt:
Nach
dem Erstfräsen
einer neuen, ausgewechselten Elektrodenkappe wird ein erster Referenzwert (Schweißstrom)
durch Schweißung
im Kurzschluß ohne
Werkstück
mit konstanter Elektrodenkraft vorzugsweise mit aufeinander liegenden
Elektrodenkappen im ungeregelten Modus durchgeführt. Dieser Referenzwert wird
automatisch in der Steuerung gespeichert. Mit dieser Elektrodenkappe
wird eine vorgegebenen Anzahl von Schweißungen, z.B. 150 bis 500, durchgeführt. Um
Fehler innerhalb dieser üblichen
Zahl von Schweißungen
zu erkennen, ist es auch möglich
vorher, bspw. alle 20 Schweißungen, er gänzende Kontrollreferenzwerte
zu ermitteln. Vor der Folgefräsung
wird erneut ein Referenzwert mittels Schweißung im Kurzschluß unter
den eben genannten konstanten Parametern durchgeführt. Dadurch
erhält
man einen zweiten Referenzwert (Schweißstrom), der den Verschleiß der Elektrodenkappe
widerspiegelt. Der zweite Referenzwert der gebrauchten Elektrodenkappe
vor der Folgefräsung ist
gegenüber
dem ersten Referenzwert der neuen Elektrodenkappe geringer, weil
durch Verunreinigung der Elektrodenkappe der Widerstand, insbesondere der Übergangswiderstand,
ansteigt. Nach der Folgefräsung
der Elektrodenkappe wird ein dritter Referenzwert (Schweißstrom)
mittels Schweißung
im Kurzschluß unter
den oben aufgeführten
Bedingungen ermittelt. Dabei werden mit einer Elektrodenkappe im
sllgemeinen 20 bis 60 Folgefräsungen
durchgeführt,
so daß auch
diese Anzahl an dritten Referenzwerten für eine Elektrodenkappe zur
Verfügung steht.
Dieser
dritte Referenzwert ist normalerweise größer als der erste Referenzwert
der neuen Elektrodenkappe nach der Erstfräsung. Das ist dadurch bedingt,
daß z.B.
durch die thermische und elektrische Belastung der Elektrodenkappe
im Material der Elektrodenkappe Änderungen
eintreten, welche die Leitfähigkeit
der Elektrodenkappe erhöhen.
Ist der dritte Referenzwert größer als
der zugehörige
erste Referenzwert dieser Elektrodenkappe ist die Fräsung im allgemeinen
in Ordnung. Sollte der dritte Referenzwert kleiner sein als der
erste Referenzwert dieser Elektrodenkappe ist die Fräsung im
allgemeinen nicht in Ordnung. In der Praxis wird kein bloßer größer/kleiner-Vergleich
durchgeführt,
sondern der erste und dritte Referenzwert anhand vorgegebener Toleranzwerte
von der Steuerung miteinander verglichen. Dabei wird von der Steuerung
auch der zweite Referenzwert der gebrauchten Elektrodenkappe zur
Ermittlung einer in Ordnung Fräsung
oder nicht in Ordnung Fräsung
mitberücksichtigt,
wobei z.B. die Höhe der Differenz
des ersten Referenzwertes der neuen Elektrodenkappe zum vorhergehenden
zweiten Referenzwert der gebrauchten Elektrodenkappe in ein Rechenprogramm
der Steuereinheit mit einfließt.
Dadurch kann das Fräsergebnis
der Elektrodenkappe auf einfache und genaue Weise bestimmt werden.
Ein
wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es sehr
flexibel auf sämtliche
Bauteile im Sekundärstromkreis
in Widerstandsstromschweißanlagen
angewendet werden kann, weil für jedes
einzelne Bauteil durch das einfache Ermitteln der Referenzwerte
ohne konstruktive Änderungen eine
Kontrollmöglichkeit
besteht. Aufwendige und störungsanfällige optische
Sensoren und zusätzliche Meßspulen
an den Schweißelektroden
sind dadurch nicht mehr notwendig. Es ist auch nicht auf das Punktschweißen (RP)
beschränkt,
sondern kann auch z.B. beim Rollennahtschweißen (RR) eingesetzt werden,
indem z.B. die in Betrieb befindliche Rollennahtelektrode durch
eine neue Rollennahtelektrode ausgetauscht wird und durch entsprechende Referenzwerte
der Verschleiß bestimmt
wird. Das gleiche gilt auch für
das Abbrennstrumpfschweißen (RA)
durch einen analogen Austausch der Spannbacken bzw. Spannelektroden.
Da Probleme rechtzeitig erkannt werden, ist eine vorbeugende Instandhaltung möglich, was
zu einer Reduzierung der Anlagenausfallzeiten führt.
Die
Steuerung dieses Verfahrens und der Vorrichtung erfolgt im allgemeinen
mit einer Robotersteuerung oder mit einer modifizierten Schweißsteuerung.
Bei
der Überwachung
mittels Robotersteuerung, die im allgemeinen frei programmierbar
ist, kann durch die entsprechende Software eine Steuerung erfolgen.
Hierzu sind mittels eines Bus-Systems die Referenzwerte und die
Stellgröße für den Primärstromkreis,
bspw. die Phasenanschnittswerte oder auch un ter Umständen die
Stellgröße für die Elektrodenkraft,
an die Robotersteuerung zu übertragen.
In der Robotersteuerung erfolgt die Auswertung und Speicherung der
Daten, wobei diese auch an einem Bildschirm graphisch sichtbar gemacht
werden können.
Es kann damit z.B. ein Fräsergebnis
als in Ordnung oder nicht in Ordnung angezeigt sowie bei Fehlern
der Schweißvorgang
automatisch abgebrochen werden. Durch die Möglichkeit eines Datentransfers mit
einem HOST-Rechner (Leitrechner) kann auch eine Einbindung in eine
Computer Integrated Manufacturing (CIM) gegeben sein.
Für die Überwachung
mittels Schweißsteuerung
muß diese
dahingehend angepaßt
oder modifiziert werden, daß sie
wie eine freie programmierbare Robotersteuerung die Daten entsprechend
aufnehmen, speichern und wie vorgesehen auswerten kann.
Die
Ermittlung des Fräsergebnisses,
d.h. ob die Fräsung
in Ordnung oder nicht in Ordnung ist, erfolgt mit Hilfe von wenigstens
zwei Referenzwerten. Der erste Referenzwert wird nach dem Erstfräsen einer
Elektrodenkappe ermittelt, dieser beträgt z.B. 10.000 A. Dieser Wert
wird automatisch in der Steuereinheit 1 gespeichert. Anschließend werden
mit dieser Elektrodenkappe eine bestimmte Anzahl von Schweißungen durchgeführt, beispielsweise
400. Mit dieser Elektrodenkappe wird vor dem Nachfräsen ein zweiter
Referenzwert und nach dem Nachfräsen
ein dritter Referenzwert gemessen, wobei mit einer Elektrodenkappe
normalerweise 20 bis 60 Folgefräsungen
durchgeführt
werden, beispielsweise 40. Der dritte Referenzwert ist bei einem
Fräsergebnis
in Ordnung größer als
der erste Referenzwert und liegt z.B. im Bereich von 10.050 bis
10.200 A. Dies ist dadurch bedingt, daß durch die thermische Belastung der
Elektrodenkappe deren Leitfähigkeit
durch Materialveränderungen
erhöht
wird. Ist das Fräsergebnis nicht
in Ordnung, erhält
man dritte Referenzwerte, die kleiner sind als der erste Referenzwert.
Der zweite Referenzwert der gebrauchten Elektrodenkappe liegt im
allgemeinen im Bereich von 8.500 bis 9.500 A. Der gerade beschriebene
größer/kleiner-Vergleich dient
zur Beschreibung des Prinzips und entspricht nicht den tatsächlichen
Verhältnissen
oder Vorgängen,
die in der Steuereinheit 1 durchgeführt werden. Es erfolgt hier
kein einfacher größer/kleiner-Vergleich,
sondern ein Vergleich des ersten und dritten Referenzwertes dahingehend,
ob der dritte Referenzwert innerhalb eines empirisch oder numerischtheoretisch
ermittelten Toleranzbereiches liegt, wobei hierzu auch der zweite
Referenzwert dieser Elektrodenkappe mit berücksichtigt wird. Auf diese
Weise wird das Fräsergebnis
der Elektrodenkappe bestimmt.