DE19529981A1 - Vorrichtung für das Aufschweißen von elektrischen Kontaktstücken durch Widerstandsschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine solche Vorrichtung ist durch of­ fenkundige Benutzung bekannt.

Elektrische Kontaktprofilabschnitte werden üblicherweise mit Schweißzan­ gen auf Kontaktträger aufgeschweißt. Die Schweißzangen werden entweder hydraulisch oder mechanisch, z. B. über Kurvenscheiben, angetrieben, und zwar synchron mit dem Zuführen der Kontaktträger. Als Kontaktträger wird häufig ein Band verwendet und die Kontaktprofilabschnitte werden häufig erst in der Schweißzange von einem der Schweißzange zugeführten Profil­ strang abgeschnitten. Der Profilstrang kann im einfachsten Fall ein Draht sein, kann aber auch eine von der Kreisform abweichende Quer­ schnittsgestalt haben, z. B. eine Rechteckgestalt oder eine trapezförmige Gestalt.

Zum Erreichen einer guten Schweißverbindung ist es notwendig, die Kon­ taktstücke und die Kontaktprofilabschnitte auf ihrer Schweißseite so auszu­ bilden, daß die Wärme gezielt zwischen der Schweißseite und dem Kontaktträger entsteht. Bei drahtförmigen Kontaktstücken erreicht man das bereits dadurch, daß diese den Kontaktträger zunächst nur längs einer Mantellinie berühren, an welcher Stelle sich beim Schweißen der Stromfluß und mit ihm die Wärmeerzeugung konzentrieren. Bei Kontaktstücken und Kontaktprofilabschnitten mit ebener, insbesondere großflächiger Unterseite ist es üblich, eine Konzentration des Stromflusses und der Wärmeentwick­ lung dadurch zu erreichen, daß man die Unterseite mit Schweißwarzen ver­ sieht, die bis zu 0,3 mm hoch sind und den Strom anfänglich auf eine geringe Kontaktfläche verengen, die typisch zwischen 0,2 mm² und 0,5 mm² beträgt.

Der bandförmige Kontaktträger und der Profilstrang, von welchem die Kon­ taktstücke abgeschnitten werden, werden durch schrittweise arbeitende Fördereinrichtungen, insbesondere mit einer Zangenvorschubeinrichtung oder mit einer Walzenvorschubeinrichtung, in den Einwirkungsbereich der Schweißzange bewegt.

Sollen einzelne Kontaktstücke, z. B. Kontaktplättchen, aufgeschweißt wer­ den, dann ist es bekannt, sie mittels eines in der Fördertechnik bekannten Sortiertopfes einem auf das Zuführen solcher Einzelteile angepaßten Schweißkopf zuzuführen, wo sie mit einem Trägerband oder auch mit ein­ zeln zugeführten Kontaktträgern verschweißt werden können.

Kontaktträger und Kontaktstücke werden heute zumeist mit Hilfe von Stanzautomaten oder Biegeautomaten oder Stanz-Biegeautomaten her­ gestellt. Entsprechendes gilt, wenn für die Herstellung der Kontaktträger von einem Band ausgegangen wird, denn auch dieses wird vor und/oder nach dem Aufschweißen von Kontaktstücken üblicherweise beschnitten und/oder gebogen. Schweißmaschinen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art arbeiten deshalb im Regelfall in direkter Verbindung mit Stanz- und Biegewerkzeugen. Mit diesen Werkzeugen sind heute Fer­ tigungsgeschwindigkeiten von mehr als 600 Teile/min. möglich. So hohe Fertigungsgeschwindigkeiten erreichen die zugehörigen Wider­ standsschweißmaschinen bislang nicht. Werden dem Schweißwerkzeug einzelne Kontaktträger und einzelne Aufschweißkontaktstücke zugeführt, dann erreicht man mit einer Schweißmaschine heute das Aufschweißen von etwa 80 Teilen/min. Werden der Schweißmaschine ein Band als Vormaterial für die Kontaktträger und ein Draht oder ein Profilstrang als Vormaterial für die aufzuschweißenden Kontaktstücke zugeführt, dann erreicht man auf der Schweißmaschine heute das Aufschweißen von ungefähr 250 Teilen/min. In Verbindung mit einer Schweißmaschine müssen die Stanz- und Biegew­ erkzeuge also langsamer laufen als sie es können.

Einer Beschleunigung der Arbeiten in der Schweißmaschine stehen ge­ wichtige mechanische Probleme entgegen: Bei Arbeitsgeschwindigkeiten (Hubzahlen) von 250/min. stehen für die reine Betätigung der Schweiß­ zange sowie für den eigentlichen Schweißvorgang nur ungefähr 120 ms zur Verfügung. In diesem kurzen Zeitabschnitt müssen das Trägerband und der Profilstrang vorgeschoben, das Profil abgeschnitten und die Schweißzange geschlossen werden; anschließend ist der Kontakt aufzuschweißen und die Zange wieder zu öffnen. Zum Erreichen einer einwandfreien Schweißver­ bindung ist es dabei notwendig, den Profilabschnitt während des Schweißvorgangs mit einer relativ hohen Kraft (ca. 500 N) auf das Träger­ band zu drücken. Das geschieht bei einer Schweißmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen mittels eines Hy­ draulikzylinders, welcher die Schweißzange schließt und während des Schweißvorganges zuhält. Will man die Arbeitsgeschwindigkeit einer hy­ draulisch betätigten Schweißzange erhöhen, dann muß man den Volumen­ strom bzw. Druck der in den Hydraulikzylinder eingespeisten Hydraulikflüssigkeit erhöhen; je schneller die Maschine läuft, desto wuchti­ ger schlägt die Schweißzange den aufzuschweißenden Kontaktprofilab­ schnitt gegen den Kontaktträger. Die dabei auftretenden Kräfte konzentrieren sich auf die Schweißwarzen, welche relativ weich sind und zerstört werden, wenn die Schweißzange zu schnell arbeitet und deshalb zu hohe Kräfte auftreten. Die Schweißwarzen können ihre Aufgabe dann nicht mehr oder nicht mehr in dem erforderlichen Ausmaß erfüllen und die Qualität der Verschweißung läßt nach.

Um diesem Nachteil zu begegnen, ist es bereits bekannt, die Schweißzange nicht hydraulisch, sondern mechanisch über Steuerkurven zu betätigen, welche so ausgebildet sind, daß sich die Schweißzange zunächst schnell schließt, die Schließgeschwindigkeit aber bis zum Aufsetzen des Kon­ taktprofilabschnitts auf den Kontaktträger wieder verringert wird. Für hohe Arbeitsgeschwindigkeiten ist es allerdings erforderlich, zwischen der Schweißzange und der Steuerkurve eine mechanische Zwangsführung vor­ zusehen. Bei einem solchen Antrieb über eine Steuerkurve benötigt man ferner eine mechanische Kopplung mit dem zugeordneten Stanz- und/oder Biegeautomaten; die Ankopplung ist in der Regel mit einem aufwendigen und sehr teuren Maschinenumbau verbunden.

Ein anderer Nachteil ist es, daß beim Umrüsten auf andere Profilabschnitt­ slängen die mechanische Ankopplung an die Schweißzange angepaßt wer­ den muß.

Ein weiterer Nachteil dieser rein mechanischen Lösung ist es, daß die Schweißzange bedingt durch die Platzverhältnisse bei üblichen Stanzauto­ maten nur von oben betätigt werden kann, so daß Produkte, bei denen die Kontaktabschnitte auf die Unterseite des Trägerbandes zu schweißen sind, nicht gefertigt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzu­ zeigen, wie auf möglichst einfache Weise die Arbeitsgeschwindigkeit einer Schweißmaschine der eingangs genannten Art erhöht werden kann, ohne daß die Schweißwarzen zu stark belastet werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird der bei hohen Hubzahlen die Schweißwarzen ge­ fährdende Schlag des Hydraulikzylinders beim Schließen der Schweiß­ zange auf ein unkritisches Maß gemildert durch den Einsatz eines elektro­ hydraulischen Servoventils in Kombination mit einem elektronischen Steuergerät, welches das Servoventil nach einem vorgegebenen Programm bzw. nach einer vorgegebenen Steuerkurve, welche im Steuergerät abge­ legt ist, steuert. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß es auf diese verblüffend einfache und kostengünstige Weise möglich ist, die Wucht des Hydraulikzylinders in einer Spanne von einigen Millisekunden so weit zu re­ duzieren, daß Verformungen der Schweißwarzen in einem für die Qualität der Schweißverbindung beeinträchtigenden Ausmaß nicht mehr auftreten.

Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:

• - Die Arbeitsgeschwindigkeit der Widerstandsschweißmaschine kann auf über 300/min. gesteigert werden.
• - Es kann eine rein hydraulische Betätigung der Schweißzange erhalten bleiben; eine Steuerkurve wird nicht benötigt.
• - In der Nutzung der erfindungsgemäßen Maschine ist man außerordentlich flexibel. Die Umstellung auf andere Werkstückpaarungen erfordert beim Antrieb der Schweißzange praktisch keine Umrüstzeit.
• - Der Bewegungsablauf der Schweißzange und ihre Haltekraft können leicht, insbesondere nach Erfahrungswerten, optimiert werden, denn dazu müssen keine Mechaniken angepaßt, sondern nur der im elektronischen Steuergerät abgespeicherte Programmablauf für das elektrohydraulische Servoventil bzw. die im Steuergerät abgelegte Kennlinie geändert werden, was über eine Eingabetastatur in der bei NC- und CNC-Maschinen bekannten Weise leicht möglich ist.
• - Zur Optimierung des Programmablaufs bzw. der im Steuergerät abge­ legten Kennlinie für die Steuerung des Servoventils ist ein Teach-in- Verfahren möglich.
• - Der Antrieb der Schweißzange unterliegt praktisch keinem mechanischen Verschleiß.
• - Die Synchronisierung mit dem Bewegungsablauf im angeschlossenen Stanz- und/oder Biegeautomat kann einfach auf elektrische Weise bewirkt werden.
• - Gegenüber bisherigen Schweißmaschinen der eingangs genannten Art ist ungefähr eine Verdoppelung der Hubzahl möglich.
• - Der Antrieb kann auch von unten erfolgen, so daß Kontakte nicht nur auf die Oberseite, sondern auch auf die Unterseite eines Kontaktträgers geschweißt werden können.
• - Die erfindungsgemäße Lösung ist außerordentlich preiswert.

Als Speicher könnte das Steuergerät einen programmierbaren Nur-Lese- Speicher enthalten. Vorzugsweise enthält das Steuergerät einen Schreib- Lese-Speicher, insbesondere in Kombination mit einem Nur-Lese-Speicher. In dieser Kombination gibt es für die Steuerung der Vorrichtung die vielfältigsten Möglichkeiten.

Der Hydraulikzylinder, welcher beim Stand der Technik ein lediglich einfach wirkender Zylinder ist, welcher zum Schließen der Zange betätigt wird und dessen Rückstellung mechanisch bewirkt wird, wird erfindungsgemäß vor­ zugsweise ersetzt durch einen doppelt wirkenden Zylinder, denn das ermöglicht es, nicht nur das Schließen, sondern auch das Öffnen der Schweißzange sanft enden zu lassen. Beim Schließen geht man vorzug­ sweise so vor, daß man das Servoventil so schnell wie möglich öffnet und weit offen läßt bis kurz vor dem Auftreffen des von einer der Schweißelek­ troden angesaugten Kontaktprofilabschnitts auf dem Kontaktträger; rechtzeitig vor dem Auftreffen wird das Servoventil möglichst rasch ge­ drosselt, aber nicht vollständig geschlossen; es soll gerade so weit offen bleiben, daß ein für die Schweißfeder ausreichender Anpreßdruck von dem Hydraulikzylinder auf die Schweißzange ausgeübt wird; dieser Anpreßdruck wird während des Schweißvorganges beibehalten; dann wird der Hy­ draulikzylinder umgesteuert und dazu das Servoventil möglichst rasch und weit geöffnet, damit das Trägerband möglichst rasch freigegeben wird und zur Vorbereitung des nächsten Schweißvorganges einen weiteren Schritt vorgeschoben werden kann. Da es hierfür nur auf einen raschen Beginn des Öffnens ankommt, muß beim Öffnen der Schweißzange das Servoventil nicht maximal offengehalten werden, sondern es genügt ein impulsartiges, sehr kurzzeitiges weites Öffnen, auf welches vorzugsweise sogleich ein allmähliches, stetiges Drosseln des Servoventils bis zum völligen Schließen folgt.

Wenn beim Schließen der Schweißzange das Servoventil gedrosselt wird, verlangsamt sich die Schließbewegung der Schweißzange. Der Zeitpunkt, zu welchem die Drosselung beginnt, kann im abgespeicherten Programmab­ lauf bzw. in der abgelegten Kennlinie fest vorgegeben sein. Vorzugsweise wird dieser Zeitpunkt aber mittels eines Lagesensors bestimmt, welcher die Schließbewegung der Schweißzange überwacht und ein die Drosselung auslösendes Signal liefert, kurz bevor der Kontaktprofilabschnitt auf den Kontaktträger auftrifft. Mit Hilfe eines solchen Lagesensors kommt man zu besonders kurzen Taktzeiten. Der Lagesensor kann bereits in den Hy­ draulikzylinder integriert sein.

Der weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt einen elektrisch-hydraulischen Schaltplan eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 zeigt als Detail ein im Zusammenhang mit dem elektro­ hydraulischen Servoventil eingesetztes 2/3-Wegeventil, und

Fig. 3 zeigt eine Kennlinie, die einen typischen Verlauf des Steuer­ signals für das elektro-hydraulische Servoventil wiedergibt.

Fig. 1 zeigt zwei Backen 1 und 2 einer Schweißzange, welche jeweils eine Schweißelektrode 3 bzw. 4 tragen, die einander gegenüberliegen. Die Schweißelektroden stehen über ein synchronisiertes Schaltgerät 5 mit einer Stromquelle 6 in Verbindung, welche den Schweißstrom liefert. Ein Kon­ taktprofilstrang 7 wird den Schweißelektroden mittels einer nicht weiter dargestellten Zangenvorschubeinrichtung in Richtung des Pfeils 8 zuge­ führt. Von dem Kontaktprofilstrang 7 können die erforderlichen Abschnitte unmittelbar vor den Schweißelektroden 3 und 4 mittels eines Schneidwerkzeugs abgetrennt und bei geöffneter Schweißzange an die Schweißelektrode 3 übergeben werden, welche zu diesem Zweck durchbohrt ist und den Kontaktprofilabschnitt ansaugen kann.

Ein Kontaktträgerband 9 wird quer zur Zeichenebene in den Bereich zwischen den Schweißelektroden 3 und 4 geführt.

Einer der Backen, der Backen 1, ist mittels eines Hydraulikzylinders 10 ver­ schiebbar. An der Kolbenstange 11 des Hydraulikzylinders ist ein Vorsprung 12 vorgesehen, der durch einen Lagesensor 13 überwacht wird.

Der Hydraulikzylinder 10 ist ein doppelt wirkender Zylinder; eine erste Zulei­ tung 14 führt in eine Zylinderkammer auf der Vorderseite des Kolbens 16, eine zweite Zuleitung 15 führt in eine Zylinderkammer auf der Rückseite des Kolbens 16. Die beiden Zuleitungen 14 und 15 kommen von einem um­ steuerbaren, elektrohydraulischen Servoventil 17, welches - wie in Fig. 2 dargestellt - ein 2/3-Wegeventil enthält, welches in seiner einen Endstellung eine Hydraulikpumpe 18 über ein Filter 19 mit der Zylinderkammer 20 auf der Vorderseite des Kolbens 16 verbindet, in seiner anderen Endstellung die Pumpe 18 mit der Zylinderkammer 21 auf der Rückseite des Kolbens verbindet und in der Mittelstellung die Leitungen sperrt. Der Rücklauf der Hydraulikflüssigkeit erfolgt jeweils in einen Vorratsbehälter 22. Die von der Pumpe 18 kommende Speiseleitung 23 ist durch einen Ausgleichsbehälter 24 und eine Überdrucksicherung 25 abgesichert.

Zur Steuerung des Servoventils 17 ist ein elektronisches Steuergerät 26 vorgesehen; es steuert das Servoventil nach einer Kennlinie, wie sie in Fig. 3 idealisiert dargestellt ist am Beispiel einer Hubzahl von 300/min. In diesem Fall steht eine Zykluszeit von 200 ms zur Verfügung.

Zum Zeitpunkt t1 ist das Positionieren des Kontaktträgerbandes in der Schweißzange beendet und es wird an das Servoventil eine Steuerspan­ nung mit maximaler Amplitude übermittelt, welche das Servoventil in kürzest möglicher Zeit vollständig öffnet. Das Servoventil bleibt weit offen, bis zum Zeitpunkt t2 der Lagesensor 13, z. B. ein induktiver Näherungssensor, auf den Vorsprung 12 an der Kolbenstange anspricht und daraufhin ein Steuer­ signal an das Steuergerät 26 übermittelt, welches daraufhin die Steuerspan­ nung für das Servoventil rasch absinken läßt, bis zum Zeitpunkt t3 nur noch eine vergleichsweise geringe Steuerspannung verbleibt, welche bis zum Zeitpunkt t5, an welchem die Schweißzange geöffnet wird, gehalten wird.

Zum Zeitpunkt t2 ist die Schweißzange fast, aber noch nicht ganz geschlossen; der geeignete Zeitpunkt kann durch Verschieben des Vor­ sprungs 12 oder des Lagesensors 13 längs der Kolbenstange 11 justiert werden.

Bei optimal eingestelltem Bewegungsablauf ist die Schweißzange zum Zeit­ punkt t3 oder kurz danach geschlossen; das Aufsetzen der Schweißwarzen an der Rückseite des Kontaktprofilabschnitts erfolgt dann entsprechend der minimalen Amplitude der Steuerspannung weich, aber der Anpreßdruck ist ausreichend bemessen, um eine einwandfreie Verschweißung zu erbringen. Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 fließt der Schweißstrom. Zum Zeitpunkt t5 wird der Hydraulikzylinder umgesteuert, das Servoventil erhält vom Steuergerät 26 eine maximale Steuerspannung, so daß es so rasch wie möglich öffnet und die Schweißzange das Schweißgut sofort freigibt. Die Steuerspannung kann nach dem Öffnungsimpuls sofort stetig, am besten linear auf Null absinken, was im Zeitpunkt t6 der Fall ist. Die Zeitspanne von t5 bis t6 ist so bemessen, daß sie ausreicht, die Schweißzange vollständig, bis zu einem vorgesehenen Anschlag, zu öffnen.

Sobald durch den bei t5 ausgelösten Öffnungsimpuls das Schweißgut frei­ gegeben ist, also nicht erst zum Zeitpunkt t6, können das Kontaktträgerband und der Kontaktprofilstrang um den nächsten Schritt vorgeschoben und in der Schweißzange positioniert werden, wofür die Zeitspanne bis zum Zeit­ punkt t1 des nächsten Zyklus zur Verfügung steht.

Kurz vor dem Zeitpunkt t6 wird der nächste Profilabschnitt in die Schweißelektrode eingeführt und durch den Unterdruck in der Saugbohrung gehalten. Da zu diesem Zeitpunkt die Steuerspannung nur noch eine ger­ inge Höhe aufweist, erfolgt das Einschieben des Profilabschnittes in die Elektrode stark verlangsamt. Dies hat den entscheidenen Vorteil, daß bei hohen Taktzeiten der Profilabschnitt nicht über die Elektrode hinausschießt, sondern definiert von dem Unterdruck erfaßt und gehalten wird.

Claims (8)

1. Vorrichtung für das Aufschweißen von elektrischen Kontaktstücken oder Kontaktprofilabschnitten auf insbesondere bandförmige Kon­ taktträger durch elektrisches Widerstandsschweißen

• - mit einer Quelle (6) für den Schweißstrom
• - mit einer Schweißzange (1, 2), welche zwei gegeneinander gerichtete Schweißelektroden (3, 4) hat,
• - mit einem steuerbaren Schaltgerät (5), welches die Schweißzange (1, 2) mit der Quelle (6) verbindet,
• - mit einem die Schweißzange (1, 2) öffnenden und schließenden Hydraulikzylinder (10),
• - mit einem Hydraulikschaltkreis (Fig. 1) zum Betätigen des Hydraulikzylinders (10),
• - mit ersten, schrittweise arbeitenden Fördermitteln zum Zuführen der Kontaktträger (9) in den Einwirkungsbereich der Schweißzange (1, 2),
• - mit zweiten, schrittweise arbeitenden Fördermitteln zum Zuführen der Kontaktstücke bzw. Kontaktprofilabschnitte (7) in den Ein­ wirkungsbereich der Schweißzange (1, 2),

wobei die Fördermittel, der Hydraulikeinhaltkreis (Fig. 1) und das Schaltgerät (5) miteinander synchronisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikzylinder (10) doppelt wirkend ausgebildet ist, daß der Hydraulikschaltkreis (Fig. 1) ein den Hydraulikzylinder (10) steuerndes elektrohydraulisches Servoventil (17) enthält, und daß ein mit den Fördermitteln synchronisiertes elek­ tronisches Steuergerät (26) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einem Steuereingang des Servoventils (17) verbunden ist und dessen Stel­ lung durch Stellsignale steuert, welche im Steuergerät (26) nach einem vorgegebenen Programmablauf oder gemäß einer vorgegebenen zeitlichen Kennlinie (Fig. 3) erzeugt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (26) einen Speicher enthält, insbesondere einen Schreib-Lese-Speicher.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikzylinder (10) doppelt wirkend ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem vorgegebenen Programmablauf das Servoventil (17) zum Schließen der Schweißzange (1, 2) zunächst für eine Zeitspanne (t1-t2) maximal geöffnet und dann (t2-t3) soweit ge­ drosselt wird, daß die Schweißzange (1, 2) noch einen für den Schweißvorgang hinreichenden Anpreßdruck des Kontaktstücks bzw. Kontaktprofilabschnitts gegen den Kontaktträger ausübt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die Stellung der Schweißzange (1, 2) ansprechender Lagesensor (13) vorgesehen ist, welcher die Drosselung des Servoventils (17) auslöst.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem vorgegebenen Programmablauf das Servoventil (17) zum Öffnen der Schweißzange (1, 2) maximal geöffnet (t5) und dann (t5-t6) stetig bis zum vollständigen Schließen gedrosselt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerkennlinie für das Servoventil (17) mit dem in Fig. 3 dargestellten Verlauf.