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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken nach dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs.
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Das ca. 1990 entwickelte neue Verfahren des „Reibrührschweißens” ermöglicht die Verbindung zweier Bauteile ohne Zusatzwerkstoff. In dem Artikel „Reibrührschweißen: Erfindung, Innovationen und Industrialisierung, Stephan W. Kallee, E. Dave Nicholas and Wayne M. Thomas, TWI Ltd., Seminar 'Rührreibschweißen (FSW) – ein modernes Fügeverfahren, Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) Berlin-Brandenburg, 20. März 2002" wird ausgeführt, dass das Reibrührschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ein Fügeverfahren ist, mit welchem durch einen rotierenden Stempel Schweißungen unterhalb des Schmelzpunktes in der festen Phase ausgeführt werden. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden große Raketentanks aus hochfesten Aluminiumlegierungen reibrührgeschweißt. Die erste Boeing Delta II Rakete mit einer reibrührgeschweißten Zwischenstufe wurde im August 1999 erfolgreich gestartet, und eine mit drei reibrührgeschweißten druckbeaufschlagten Tanks wurde im April 2001 gestartet. Im Schiff- und Eisenbahnwaggonbau setzen mehrere Firmen das Verfahren ein, um z. B. große Aluminiumpaneele herzustellen, die aus Strangpressprofilen zusammengesetzt werden. Die Automobilzulieferindustrie verwendet das Verfahren für die Serienfertigung von Leichtmetallfelgen und Rücksitzlehnen.
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Eine der kritischsten Stellgrößen für erfolgreiche Reibrührschweißungen ist die Position der Werkzeugschulter relativ zur Werkstückoberfläche. Dabei geht der Trend zur prozessbegleitenden Kraft- und Drehmomentmessung für die Datenüberwachung und Parametersteuerung. Insbesondere an Knickarmrobotern, die nicht steif genug sind, um Verformungen zu widerstehen, werden oft Kraftsensoren oder komplizierte Systeme eingesetzt. In rigiden Maschinen kann die Eintauchtiefe des Werkzeuges entweder durch Positions- oder Kraftregelung erfolgen oder durch eine Kombination der beiden Methoden.
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Aus der Druckschrift
EP 1 483 078 A1 ist ein Schweißkopf, ein Schweißsystem und ein Verfahren zum Reibrührschweißen bekannt. Ein Schweißkopf zum Reibrührschweißen, bestehend aus einem Werkzeughalter, einer Krafterzeugungseinrichtung und einer Dreh-Antriebsvorrichtung, die im Betrieb an das angeschlossene Werkzeug eine zyklische Bewegung um die Mittelachse des Werkzeugs und relativ zu dem Objekt zum Schweißen in Verbindung mit dem Schweißkopf angeordnet verleihen können. Die Krafterzeugungseinrichtung ist steuerbar und kann während des Betriebs angepasst werden. Verfahrensgemäß wird die Kraft zwischen den Schultern des Werkzeugs in Abhängigkeit von dem aktuellen Drehmoment zum Drehantrieb gesteuert.
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Ein oszillierendes Reibungsschweißen wird in der Druckschrift
DE 695 02 716 T2 beschrieben. Dabei wird lediglich auf eine optimale Relation zwischen einem abwärts gerichteten Druck, der auf den Stempel ausgeübt wird, und dem Istwert der Schweißgeschwindigkeit bei verschiedenen Drehzahlen verwiesen.
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In der Druckschrift
DE 60 2004 000 458 T2 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drehenden Reibschweißen mit einem nicht drehenden Einsetzen des Werkzeuges beschrieben. Das Schweißwerkzeug wird erst bei dem Zustand in Drehung versetzt, bei dem es in einen Hohlraum eingesetzt ist, so dass es die zu verschweißenden Elemente bei der Soll-Schweißposition verschweißen kann, ohne dass es gegenüber der Soll-Schweißposition verschoben ist. Vorzugsweise beurteilt die Steuereinrichtung, dass das Schweißwerkzeug mit dem Gegenstand in Kontakt kommt, wenn ein durch das Schweißwerkzeug auf den Gegenstand aufgebrachter Druck größer als ein vorbestimmter Druck wird und/oder wenn eine Position des Schweißwerkzeugs eine vorbestimmte Position erreicht, die mit einer Oberfläche des Gegenstandes übereinstimmt. Die Schweißvorrichtung weist eine Werkzeugpositions-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Position des Schweißwerkzeugs und eine Druckerfassungseinrichtung zum Erfassen des Werkzeugdrucks auf, der dem Gegenstand durch das Schweißwerkzeug vermittelt wird. Die Werkzeugpositions-Erfassungseinrichtung und die Druckerfassungseinrichtung fungieren als Kontaktzustands-Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Kontaktes des Schweißwerkzeugs mit dem Gegenstand. Die Werkzeugpositions-Erfassungseinrichtung ist durch einen Encoder realisiert, der in den Servomotor für den Vorschub des Werkzeugs eingebaut ist. Die Druckerfassungseinrichtung erfasst einen Strom, der zum Werkzeugdruck des Servomotors für den Vorschub des Werkzeugs proportional ist. Auf Basis dieses Stroms wird der Werkzeugdruck hergeleitet.
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Diese Lösung wird mittels einer Schweißzange realisiert.
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Bei der Anwendung einer Positionsregelung werden Unebenheiten und Abweichungen von der Sollkontur nicht berücksichtigt. Ein weiterer Nachteil besteht in dem unterschiedlichen Wärmeeintrag auf Grund unterschiedlicher Kraft/Reibkraft zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werkstück. Negativ wirkt sich auch die unterschiedliche Eindringtiefe des Werkzeugs in das Werkstück aus, da dadurch eine ungleichmäßige Ausprägung der Wurzel zu verzeichnen ist. Die sich einstellende Druckkraft ist abhängig von den weiteren Prozessparametern wie Vorschub und Spindeldrehzahl.
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Eine Kraftregelung findet in speziell entwickelten Rührreibschweißmaschinen Anwendung. Vorteile des Kraftregelkreises im Vergleich zur Positionsregelung bestehen darin, dass sowohl Unebenheiten als auch Abweichungen von der Sollkontur ausgeglichen werden, ein gleichmäßiger Wärmeeintrag auf Grund nahezu konstanter Kraft/Reibkraft zwischen Werkzeug und Werkstück zu verzeichnen ist und eine gleichbleibende Eindringtiefe des Werkzeugs in das Werkstück die gleichmäßige Ausprägung der Wurzel begünstigt. Nachteilig jedoch ist, dass bei falsch eingestellten Prozessparametern bzw. Änderungen der Prozessbedingungen es zur Zerstörung des Werkstückes kommen kann.
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Lösungen zum Einsatz des Reibrührschweißens in einem Bearbeitungszentrum, welches auch zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken dient, sind bisher nicht bekannt.
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In Bearbeitungszentren und entsprechenden Werkzeugmaschinen ist es bekannt, den Fertigungsprozess zu überwachen. In der Druckschrift
DE 10 2009 025 167 B3 wird dabei das Moment einer Hauptspindel überwacht und in der Druckschrift
DE 10 2009 025 040 A1 erfolgt die Messung von Kräften an Drehwerkzeugen.
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In der Druckschrift
DE 10 2007 048 961 A1 wird zum Einstellen des Bearbeitungskopfes zum Werkstück als Werkzeugseitige Zustandsgrößen am Bearbeitungskopf mindestens einer Kraft, ein Drehmoment und eine Schwingung des Bearbeitungskopfes erfasst. Geregelt wird dabei die Vorschubgeschwindigkeit bzw. Beschleunigung, nicht die Position des Werkzeuges.
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Die bisher verwendeten Lösungen zur Steuerung des Reibrührschweißens stellen auf speziell dazu ausgelegte Maschine ab und eignen sich nicht für den Einsatz in Bearbeitungszentren. Bekannte Steuerungen von Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungszentren genügen auf der anderen Seite den Anforderungen beim Reibrührschweißen nicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Werkzeugmaschine zu entwickeln, mit welcher die technologischen Möglichkeiten eines Bearbeitungszentrums verwendend das Reibrührschweißen metallischer Werkstücke qualitativ verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst.
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Eine Werkzeugmaschine, aufweisend ein Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken regelt überlagert die Rührreibschweißkraft und die in die Werkstücke eingebrachte Energie. Als Regelgröße für die Rührreibschweißkraft wird die Kraft in Richtung der Werkzeugachse und als Stellgröße die direkte Position des Werkzeugs zu den Bauteilen verarbeitet. Regelgröße des Energieeintrags ist die Werkzeugtemperatur, die Leistung des Spindelantriebs, das Drehmoment der Spindel oder die Geschwindigkeit/Beschleunigung des Sollweges der Kraftregelung. Als Stellgröße des Energieeintrages wird die Vorschubgeschwindigkeit, die Spindeldrehzahl oder die Axialkraft der Spindel verarbeitet.
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Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Rührreibschweißkraft bestimmt wird, indem die Stromaufnahme des Antriebsmotors der Vorschubachsen gemessen wird.
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In einer Variante der Erfindung wird die Rührreibschweißkraft gemessen, indem im Werkzeug ein Kraftsensor angeordnet ist.
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Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens ist es, wenn ein Ausgleich der Reibkraft im Rührreibschweißprozess durch Messung der Stromaufnahme der Vorschubachse des Bearbeitungszentrums erfolgt, wobei aus diesen Daten eine Korrektur der Prozesskraft in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit berechnet wird.
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Das Verfahren gestattet in vorteilhafter Weise, die Kraft in Richtung der Werkzeugachse auf einen Maximalwert zu begrenzen.
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Zweckmäßigerweise wird die Stellgröße bei Regelung der Kraft in Richtung der Werkzeugachse in einem frei programmierbaren Fenster überwacht, so dass bei dessen Verlassen ein Fehler generiert wird.
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In einer Variante der Erfindung erfolgt die Regelung des Energieeintrags des Rührreibschweißprozesses als eine Kombination mehrerer Stellgrößen.
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Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass das Verfahren sich gut zur Verfahrensintegration in ein Bearbeitungszentrum eignet. Wesentliche Mittel zur Implementierung des Verfahrens sind Bestandteil einer programmierbaren Steuerung eines Bearbeitungszentrums, so dass der Rührreibschweißprozess qualitativ verbessert werden kann durch Nutzung der Hardware und den Programmiermöglichkeiten eines Bearbeitungszentrums. Die hierzu benötigte Hardware ist in Bearbeitungszentren bereits vorhanden und kann durch Programmierung für die Anwendung des Verfahrens benutzt werden.
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Darüber hinaus erweitert das Verfahren den Einsatz von Bearbeitungszentren, was dem Hersteller eines solchen den Kundenkreis erweitert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schema einer Kraftregelung beim Reibrührschweißen in einem Bearbeitungszentrum in Gantry-Bauweise
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2 ein allgemeines Blockschaltbild zur Kraftregelung beim Reibrührschweißen
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3 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines steuerungsinternen Kraftreglers
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4 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines steuerungsinternen Leistungsreglers
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Die zugehörige 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Bearbeitungszentrums in Gantry-Bauweise. Dabei besitzt die z-Achse 1 zwei Führungen 1.1 und 1.2 mit jeweils einem hier nicht dargestelltem Antrieb. Die Antriebe sind elektronisch geregelt und wirken im Bearbeitungszentrum als eine Achse, entlang welcher ein z-Schlitten 2 mit einem Werkstück 3 bewegt wird. Auf das Werkstück 3 wirkt eine Spindel 4, welche ein Werkzeug 5 trägt.
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Für den Prozess des Reibrührschweißens und seiner Integration in ein Bearbeitungszentrum sind dabei die Motorströme IM1 und IM2 der Antriebe der z-Achse 1 reglungstechnisch relevante Parameter. Diese sind ein Maß für die Achsvorschubkraft der z-Achse 1. In Summe erzeugt ein erster Antrieb der z-Achse 1 die Achsvorschubkraft F1 und die Reibkraft FR1 der z-Achse 1 an der Führung 1.1. Analog dazu erzeugt ein zweiter Antrieb der z-Achse 1 in Summe die Achsvorschubkraft F2 und die Reibkraft FR2 an der Führung 1.2. Den Kräften F1 + FR1 und F2 + FR2 steht die axiale Werkzeugbearbeitungskraft FGes als Prozesskraft gegenüber. 2 beschreibt eine überlagerte kraftgeregelte Achsregelung. Die schematische Darstellung zeigt einen allgemeinen Positionsregler, erweitert um eine kaskadierte integrierte Drehzahl- und Stromregelung einer Vorschubachse um eine Kraftreglung K. Eine Sollwertvorgabe vom Programm wird von einem Regler 6 lagegeregelt. Über einen Regler 7 erfolgt eine Drehzahlreglung des Achs-Vorschubmotors 8 wobei zwischen Vorschubmotor 8 und Regler 7 ein Stromregler 9 geschaltet ist. Bei Aktivierung der Kraftregelung K wird der Kraftsollwert mit Hilfe des Motorstromes bzw. der Motorströme ausgeregelt und dem Lageregler 6 der Vorschubachse ein zusätzliches Positions-Offset vorgegeben. Des Weiteren sind Motorgeber 10 und/oder Lineargeber 11 vorgesehen.
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In der 3 wird der Kraftregler aus 2 näher beschrieben. Dabei wird über die Differenzbildung einer Sollkraft Fsoll mit einer geglätteten Istkraft Fist eine Regeldifferenz ΔF auf einen digitalen softwarebasierenden Regler 12 ausgegeben. Der Regler gibt im Anschluss, auf Grundlage der parametrierbaren Regelung, ein Positionsoffset ΔZKraft aus. Anschließend wird dieses Offset auf Verletzung eines Toleranzfensters geprüft 13 und gegebenenfalls beschränkt, bzw. es wird der Vorgang abgebrochen. Das geprüfte Positionsoffset ΔZKraft wird dem Lageregler-Sollwert 14 der Maschinensteuerung überlagert. Auf Grundlage des Sollweges ergibt sich der Lagerregelung nachgelagert eine Reaktion des Systems Maschine 15 in Form der Motorströme IM1 und IM2. Die Ströme werden erfasst und mit Hilfe einer Umrechnungsformel in die sich ergebende Istkraft Fist umgerechnet. Diese Istkraft Fist wird im Anschluss mit einem Zeit-Glied geglättet und daraufhin auf Verletzung der maximalen Kraftgrenze geprüft. Gegebenenfalls wird der Regler abgeschaltet. Die geprüfte geglättete Istkraft Fist wird nun mit dem Sollwert der Kraftregelung K verglichen und erneut eine Regeldifferenz festgestellt.
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4 beschreibt ein Beispiel für die Regelung des Energieeintrages. Wie bei der Kraftregelung wird der Energieeintrag über einen Sollwert vorgegeben und ausgeregelt. Dabei ist in der 4 dies für eine Leistungsregelung beschrieben. Zunächst wird aus einem Sollwert Psoll und einem geglätteten IST-Wert Pist eine Regeldifferenz DP ermittelt und mit einem Reglerein Override OVR der Vorschubbewegung beeinflusst. Dabei erfolgt ebenfalls eine Begrenzung des Overrides. Der OVR wird mit Hilfe der Steuerungsschnittstelle NC-OVR 16 ausgegeben. Die Ist-Leistung Pist stellt sich auf Grund des Systemverhaltens bzw. dem Kontakt Werkstück-Werkzeug ein. Im Anschluss wird die Ist-Leistung geglättet und erneut mit dem Sollwert Psoll eine Regeldifferenz gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- z-Achse
- 1.1
- erste Führung
- 1.2
- zweite Führung
- 3
- Werkstück
- 4
- Spindel
- 5
- Werkzeug
- 6
- Proportionalregler
- 7
- Proportional-Integralregler
- 8
- Vorschubmotor
- 9
- Stromregler
- 10
- Motorgeber
- 11
- Lineargeber
- 12
- proportional-integral-derivativen Regler
- 13
- Prüfung auf Verletzung des Toleranzfensters
- 14
- Lagerregler
- 15
- System Maschine
- 16
- Steuerungsschnittstelle NC-OVR
- K
- Kraftregelung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1483078 A1 [0004]
- DE 69502716 T2 [0005]
- DE 602004000458 T2 [0006]
- DE 102009025167 B3 [0011]
- DE 102009025040 A1 [0011]
- DE 102007048961 A1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Artikel „Reibrührschweißen: Erfindung, Innovationen und Industrialisierung, Stephan W. Kallee, E. Dave Nicholas and Wayne M. Thomas, TWI Ltd., Seminar 'Rührreibschweißen (FSW) – ein modernes Fügeverfahren, Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) Berlin-Brandenburg, 20. März 2002” [0002]
