DE19902357A1

DE19902357A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Führen eines Reibschweißprozesses

Info

Publication number: DE19902357A1
Application number: DE19902357A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fluegel; Walter Groeger
Original assignee: KUKA Schweissanlagen GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2000-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibschweißmaschine (1) und ein Verfahren zum Führen eines Reibschweißprozesses an dieser Maschine. Der Reibschweißprozess wird während der Reibphase in eine Regelung (4) über das Reibmoment oder die Reibleistung geführt. Hierbei wird insbesondere der Vorschubantrieb (5) der Reibschweißmaschine (1) anhand der am Reibantrieb (9) ermittelten Reibleistung geregelt. Die Regelung besitzt dazu eine Leistungsaufnahme (11), einen Reibmomentenregler (13) und einen unterlagerten Vorschubregler (14), der mit dem Vorschubantrieb (15) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Führen eines Reibschweißprozesses an einer Reibschweißmaschine und eine solche Reibschweißmaschine mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der Praxis ist es bekannt, den Reibschweißprozeß im Wesentlichen über die Prozeßparameter Reibdrehzahl, Vorschubkraft beim Reiben und Vorschubkraft beim Stauchen zu steuern. Dabei werden für diese Parameter abschnittsweise konstante Sollwerte vorgegeben. Die Abschnitte selbst werden nach der Zeit oder dem Vorschubweg gesteuert. Alternativ ist es auch bekannt, statt mit der Vorschubkraft mit einer abschnittsweise konstanten Vorschubgeschwindigkeit zu reiben. Die Abschnittsgliederung der Parametervorgaben ermöglicht eine gewisse Programmierung der Parameter. Hierbei handelt es sich jedoch stets um eine Steuerung des Reibschweißprozesses über extern vorgegebene und festgelegte Parameter ohne Berücksichtigung von Rückwirkungen oder Auswirkungen des Reibschweißprozesses. Dies hat den Nachteil, daß es trotz einer guten Wiederholgenauigkeit der Prozeßparameter Reibdrehzahl, Vorschubkraft oder Vorschußgeschwindigkeit und der zeitlichen oder wegabhängigen Länge der Prozeßabschnitte zu Streuungen der Schweißqualität kommen kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Reibschweißmaschine aufzuzeigen, die den Anforderungen an die Prozeßgenauigkeit besser gerecht werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.

Die erfindungsgemäße Regelung des Reibschweißprozesses während der Reibphase über das Reibmoment oder die Reibleistung hat den Vorteil, daß der Reibschweißprozeß wesentlich besser und genauer beherrscht werden kann. Außerdem ist die Wiederholgenauigkeit deutlich besser als beim Stand der Technik. Im Endeffekt ergibt sich eine höhere Qualität der Schweißergebnisse und eine bessere Wirtschaftlichkeit wegen verringerten Ausschusses und engeren Toleranzmöglichkeiten.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß während des Reibvorganges das Verhalten der Werkstoffe in der Schweißzone großen Änderungen unterworfen ist, wenn mit abschnittsweise konstanter Vorschubkraft oder Vorschubgeschwindigkeit gearbeitet wird. Von diesem veränderten Werkstoffverhalten ist auch das Reibmoment betroffen, das dem Spindelantrieb entgegengesetzt wird. Dieses Reibmoment kann z. B. beim Anreiben sehr steil auf hohe Werte ansteigen, um später wieder auf verhältnismäßig geringe Werte abzusinken. Die Charakteristik des Reibverhaltens ist abhängig von den zu schweißenden Werkstoffen. Sie kann aber bei gleichen Werkstoffen sogar von Schweißung zu Schweißung variieren. Beispielsweise beobachtet man bei der Materialkombination Stahl/Messing starke Streuungen im Anreibverhalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung ist es nun möglich, während der Reibphase reproduzierbar immer die gleiche thermische Energie in der gleichen Zeit in die Fügezone einzubringen. Dadurch läßt sich der Reibschweißprozeß optimal und unter Berücksichtigung der Werkstoffveränderungen in der Fügezone führen. Dies wirkt sich auch vorteilhaft auf die Leistungsfähigkeit der Reibschweißmaschine aus. Starke Schwankungen des von den zu verschweißenden Bauteilen erzeugten Reibmomentes werden vermieden. Dadurch wird die Reibschweißmaschine entlastet. Im Gegensatz zum Stand der Technik gibt es bei der Erfindung kein Abwürgen des Spindelantriebs und kein Rutschen der Bauteile in den Spannern mehr, die auf zu hohen Reibmomenten beruhten.

Das Reibmoment oder die Reibleistung können auf unterschiedliche Weise direkt oder indirekt abgegriffen werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, an einem elektromotorischen Reibantrieb Strom und Spannung und gegebenenfalls auch die Drehzahl abzugreifen und aus diesen Werten das Reibmoment oder die Reibleistung zu berechnen. Dies ist bei hinreichender Genauigkeit wenig bauaufwendig und besonders kostengünstig.

Über die vom Reibmoment oder der Reibleistung abhängige Regelung wird vorzugsweise der Vorschubantrieb beaufschlagt. Dies kann sich auf Vorschubweg und Vorschubgeschwindigkeit auswirken. Die Beaufschlagung des Vorschubs ist mit wenig Bauaufwand realisierbar und besonders praktisch. Sie ist auch dann besonders günstig, wenn für schwierige Schweißungen und problematische Werkstoffkombinationen sehr geringe Drehwinkel in der Reibphase benötigt werden. Ansonsten ist es auch möglich, die Reibdrehzahl beziehungsweise den Reibdrehweg über die Regelung zu beaufschlagen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung haben den Vorteil, daß genau diejenigen Schweißparameter gesteuert beziehungsweise geregelt werden, die unmittelbar für die Einbringung der Wärmeenergie an der Fügezone maßgebend sind. Streuungen im Reibverhalten der zu verschweißenden Materialien werden weitgehend eliminiert. Durch die Regelung wird immer der gleiche zeitliche Verlauf des Reibmomentes beziehungsweise der Reibleistung durch den Reibmomentenregler beziehungsweise den Reibleistungsregler erzwungen. Streuungen der Reibzeit oder des Reibweges werden minimiert. Im Endeffekt wird die Reproduzierbarkeit des Schweißprozesses erheblich verbessert. Außerdem werden unerwünschte Schwankungen der Prozeßparameter verhindert. Über eine geeignete Steuerung des Reibmomentes beziehungsweise der Reibleistung kann der Spindelantrieb optimal ausgenutzt werden. Letztendlich läßt sich die Prozeßzeit und damit die Taktzeit der Reibschweißmaschine minimieren. Dies führt auf der anderen Seite zu einer Maximierung der Ausbringung der Reibschweißmaschine.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch dargestellt. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 ein Maschinen- und Schaltschema der Reibschweißmaschine.

In der Zeichnung ist eine Reibschweißmaschine (1) schematisch dargestellt, mit der zwei Werkstücke (2, 3) in einem Reibschweißverfahren miteinander verbunden werden. Die Reibschweißmaschine (1) hat ein geeignetes Maschinenbett, an dem auf der einen Seite ein Vorschubantrieb (5) gelagert ist, der vorzugsweise als ein Hydraulikzylinder ausgebildet ist. Er kann ansonsten aber auch in beliebig anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. Der Vorschubantrieb (5) beaufschlagt das eine nicht rotierende Werkstück (3) und schiebt dieses mit einer einstellbaren Vorschubkraft F und einer einstellbaren Vorschubgeschwindigkeit vor. Das Werkstück (3) wird hierbei von einer geeigneten Werkstückaufnahme (7), z. B. einem Schlittenspanner, gehalten.

Auf der anderen Seite des Maschinenbettes ist der Reibantrieb (9) angeordnet, der über eine geeignete Werkstückaufnahme (8), z. B. einen Spindelspanner, das andere rotierend angetriebene Werkstück (2) hält. Der Spindelantrieb (9) kann ebenfalls in beliebig geeigneter Weise ausgebildet sein. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen elektrischen Spindelmotor, der über ein Getriebe (10) die Spindel mit dem Spindelspanner (8) antreibt. Der Reibantrieb (9) kann einen geeigneten Drehzahlaufnehmer (16), z. B. einen Tachometer aufweisen.

Im Reibschweißprozeß werden die beiden Bauteile (2, 3) einander angenähert und in Reibkontakt miteinander gebracht, wobei das eine Werkstück (2) gegenüber dem anderen Werkstück (3) rotiert. Während dieser Reibphase werden die Werkstücke (2, 3) an der Kontaktfläche in der Fügezone erwärmt und plastifiziert. Nach Beendigung des Reibvorganges und Stillsetzen der Spindel kann ein Stauchhub durch den Vorschubantrieb (5) erfolgen, der die Werkstücke (2, 3) unter Ausformung der Reibschweißverbindung miteinander verbindet. Der Abbremsvorgang der Drehbewegung der Spindel kann dabei in geeigneter Weise auf das Stauchverhalten abgestimmt sein.

Bei der Reibschweißmaschine (1) wird der Reibschweißprozeß während der genannten Reibphase in einer nachfolgend näher beschriebenen Regelung (4) über das Reibmoment oder die Reibleistung an der Fügezone zwischen den zwei Werkstücken (2, 3) geführt. Hierbei gibt es unterschiedliche Möglichkeiten für die Aufnahme des Reibmomentes oder der Reibleistung und für die Beaufschlagung der Reibschweißmaschine (1).

In der bevorzugten Ausführungsform ist eine mittelbare Leistungsaufnahme beziehungsweise Momentenaufnahme (11) vorgesehen, die über den Reibantrieb (9) erfolgt. Ferner wird über die Regelung (4) der Vorschubantrieb (5) der Reibschweißmaschine (1) gesteuert beziehungsweise geregelt. Über den Vorschubantrieb (5) kann das Reibmoment und die Reibleistung in der Fügezone in der gewünschten Weise beeinflußt werden. Dabei ist es nicht nur möglich, diese Werte konstant zu halten. Sie können alternativ auch einem bestimmten vorgegebenen Verlauf folgen.

Die Regelung (4) beinhaltet mehrere Komponenten. Dies sind zum einen die Momenten- beziehungsweise Leistungsaufnahme (11), ein Drehmomentenrechner oder Leistungsrechner (12), ein Reibmomentenregler (13), ein Vorschubregler oder Druckregler (14) und ein Vorschubaufnehmer oder Druckaufnehmer (15). Von der Regelung (4) wird die Vorschubsteuerung (6) beaufschlagt. Bei Einsatz eines Hydraulikzylinders (5) ist diese beispielsweise als Servoventil (6) ausgebildet.

Mit der Momenten- beziehungsweise Leistungsaufnahme (11) werden Strom und Spannung am elektrischen Spindelmotor (9) abgegriffen und dem Drehmomenten- beziehungsweise Leistungsrechner (12) zugeführt. Über den Drehzahlaufnehmer (16) kann zusätzlich die Drehzahl des Reibantriebs (9) aufgenommen und ebenfalls dem Drehmomentenrechner beziehungsweise Leistungsrechner (12) zugeleitet werden.

Beim Reibschweißen ist es sinnvoll, innerhalb einer bestimmten Zeit eine bestimmte thermische Energie in die Fügezone zwischen den Werkstücken (2, 3) einzubringen. Die während der Reibphase eingebrachte thermische Energie ist gleich dem Integral aus dem Produkt von Reibmoment und Reibdrehzahl über der Reibzeit. Das Produkt von Reibmoment und Reibdrehzahl ist dabei gleich der vom Reibantrieb (9) aufzubringenden Reibleistung. Im Drehmoment beziehungsweise Leistungsrechner (12) wird der Ist-Wert R_ist aus den Werten von Strom und Spannung in bekannter Weise errechnet. Mit dem Reibmoment kann anhand der ermittelten Antriebsdrehzahl zusätzlich oder alternativ die Reibleistung beziehungsweise die Wirkleistung berechnet werden. Das Reibmoment und/oder die Reibleistung werden als Istwert R_ist als Regelgröße an den Reibmomentenregler (13) weitergeleitet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird nur einer der Istwerte weitergegeben. In einer nicht dargestellten Abwandlung können auch beide Werte weitergeleitet werden.

Vor dem Reibmomentenregler (13) wird ein Soll-/Istwertvergleich zwischen der Führungsgröße des Reibmomenten-Soll-Werts (beziehungsweise des Reibleistungs-Soll-Werts) R_soll und des Reibmomenten-Ist-Werts (beziehungsweise des Reibleistungs-Ist-Werts) R_ist durchgeführt. Als Stellgröße gibt der Reibmomentenregler (13), der alternativ auch als Reibleistungsregler ausgebildet sein kann, einen Kraft- oder Drucksollwert D_soll an einen unterlagerten Vorschubregler (14) weiter. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem Hydraulikzylinder (5) wird ein Drucksollwert an einen Druckregler (14) weitergegeben.

Über einen geeigneten Vorschubaufnehmer (15) am Vorschubantrieb (5), der im bevorzugten Ausführungsbeispiel als Druckaufnehmer (15) ausgebildet ist, wird der Istwert der Kraft beziehungsweise des Drucks im Vorschubantrieb (5) ermittelt und als Istwert D_ist ein Soll-/Istwertvergleich mit dem vom Reibmomentenregler (13) kommenden Sollwert D_soll zugeführt. Mit dem Differenzsignal wird der Druckregler (14) beaufschlagt, der dann das Servoventil (6) ansteuert.

Der Sollwert R_soll für das Reibmoment und/oder die Reibleistung kann konstant sein. Er kann sich aber auch als eine beliebig geeignete Funktion über der Reibzeit, dem Reibweg, beziehungsweise Reibwinkel, oder dem Vorschubweg oder anderen beliebig geeigneten Parametern darstellen. Dementsprechend wird der Vorschubantrieb (5) von der Regelung (4) zur Einstellung des gewünschten Reibmomentes und/oder der gewünschten Reibleistung gesteuert.

Vor und nach Beendigung des Reibvorganges kann der Vorschubantrieb (5) auf andere und konventionelle Weise gesteuert und gegebenenfalls auch geregelt werden. Desgleichen wird auch der Reibantrieb (9) während des Reibschweißprozesses in bekannter Weise gesteuert und gegebenenfalls auch geregelt.

Abwandlungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen kann die Aufnahme des Reibmomentes und/oder der Reibleistung auch auf andere Weise erfolgen. Dies ist z. B. durch eine direkte Aufnahme mittels einer Drehmomenten-Meßvorrichtung möglich, die z. B. in den Schlittenspanner (7) integriert ist. Desgleichen kann auch bei einem anders ausgebildeten Reibantrieb (9) die Reibwerterfassung in geeigneter anderer Weise erfolgen.

Ferner kann der Vorschubantrieb (5) in beliebig geeigneter anderer Weise ausgebildet sein. Dementsprechend ändern sich dann gegebenenfalls auch die Ausbildung des Vorschubaufnehmers (15) und des Vorschubreglers (14) sowie der Vorschubsteuerung (6). Beispielsweise kann der Vorschubantrieb (5) als elektromotorischer Antrieb ausgebildet sein.

Veränderbar sind auch die anderen Komponenten der Reibschweißmaschine (1) und der Regelung (4). In der gezeigten Ausführungsform erfolgt die Führung des Reibschweißprozesses über das Reibmoment. Alternativ oder zusätzlich ist eine Führung über die Reibleistung möglich. Bei einer Führung nur über das Reibmoment kann auf die Ermittlung und Berücksichtigung der Drehzahl des Reibantriebs (9) verzichtet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Reibschweißmaschine

2

Werkstück, rotierend

3

Werkstück, nicht rotierend

4

Regelung

5

Vorschubantrieb, Hydraulikzylinder

6

Vorschubsteuerung, Servoventil

7

Werkstückaufnahme, Schlittenspanner

8

Werkstückaufnahme, Spindelspanner

9

Reibantrieb, Spindelmotor

10

Getriebe

11

Leistungsaufnahme, Momentenaufnahme

12

Drehmomentrechner, Leistungsrechner

13

Reibmomentregler

14

Vorschubregler, Druckregler

15

Vorschubaufnehmer, Druckaufnehmer

16

Drehzahlaufnehmer, Tachometer
R_soll

Sollwert Reibmoment bzw. Reibleistung
R_ist

Istwert Reibmoment bzw. Reibleistung
D_soll

Sollwert Druck
D_ist

Istwert Druck

Claims

1. Verfahren zum Führen eines Reibschweißprozesses an einer Reibschweißmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibschweißprozeß während der Reibphase in einer Regelung (4) über das Reibmoment oder die Reibleistung geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Regelung (4) der Vorschubantrieb (5) der Reibschweißmaschine (1) geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibmoment oder die Reibleistung am Reibantrieb (9) ermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem elektromotorischen Reibantrieb (9) Spannung und Strom abgegriffen werden, wobei aus diesen Werten das Reibmoment oder die Reibleistung berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Reibantrieb (9) zusätzlich die Drehzahl abgegriffen und zur Ermittlung von Reibmoment oder Reibleistung herangezogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regelung (4) ein Reibmomentenregler (13) einen aus einem Soll/Istwertvergleich R_soll/R_ist von Reibmoment oder Reibleistung ermittelten Kraft- oder Drucksollwert D_soll als Stellgröße an einen unterlagerten Vorschubregler (14) ausgibt, der über einen Soll/Istwertvergleich D_soll/D_ist von Vorschubkraft oder -druck den Vorschubantrieb (5) regelt.

7. Reibschweißmaschine mit einem Vorschubantrieb, einem Reibantrieb und Werkstückaufnahmen für mindestens zwei Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibschweißmaschine (1) eine Regelung (4) aufweist, die den Reibschweißprozeß während der Reibphase über das Reibmoment oder die Reibleistung führt.

8. Reibschweißmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (4) den Vorschubantrieb (5) beaufschlagt.

9. Reibschweißmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (4) eine Leistungsaufnahme (11), einen Reibmomentenregler (13) und einen unterlagerten Vorschubregler (14) aufweist, der mit dem Vorschubantrieb (5) verbunden ist.

10. Reibschweißmaschine nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsaufnahme (11) Strom und Spannung eines elektromotorischen Reibantriebs (9) aufnimmt und mit einem Drehmomenten- oder Leistungsrechner (12) verbunden ist, der aus den Werten den Istwert R_ist des Reibmoments oder der Reibleistung ermittelt.

11. Reibschweißmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (4) einen Drehzahlaufnehmer (16) am Reibantrieb (9) aufweist, der mit dem Drehmomenten-, oder Leistungsrechner (12) verbunden ist.

12. Reibschweißmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschubantrieb (5) als Hydraulikzylinder ausgebildet ist und ein mit dem Druckregler (14) verbundenes Servoventil (6) aufweist.