DE3226362C2

DE3226362C2 - Verfahren zum Abbremsen von Reibschweißmaschinen beim Reibschweißen von Teilen mit genauer Winkelposition nach dem Schweißen

Info

Publication number: DE3226362C2
Application number: DE3226362A
Authority: DE
Inventors: Rudolf 8900 Augsburg Mitschele; Wilhelm 8904 Friedberg Steinhart
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1982-07-14
Filing date: 1982-07-14
Publication date: 1984-08-16
Also published as: DE3401078C1; DE3226362A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbremsen und Anhalten eines Maschinenteils in einer vorbestimmten Position unter der Wirkung eines neben dem vom Motor ausgeübten Bremsmoment zusätzlich wirkenden äußeren Bremsmoments, wobei die Geschwindigkeit oder Drehzahl des abzubremsenden Teils nach einer vorgeschriebenen Kennlinie heruntergeregelt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem elektronischen Positionsregelsystem die Reibschweißung von zu positionierenden Teilen an einer Universalreibschweißmaschine zu ermöglichen, derart, daß der Positioniervorgang trotz wechselnd großer zusätzlicher äußerer Reibmomente beim Bremsen, hoher Spindeldrehzahl und großen Schwungmassen in kürzester Zeit und mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß zunächst in einem Vorlauf eine Abbremsung unter Einwirkung des äußeren, zusätzlichen Momentes, also unter normalen Arbeitsbedingungen, vorgenommen wird, und daß der dann ab Beginn der Abbremsung bei verschiedenen Werten der für den Abbremsvorgang vorgeschriebenen Geschwindigkeit- bzw. Drehzahlkennlinie sich ergebende Weg aufgenommen und als Sollwertkurve des Bremswegs für die Abbremsung bei nachfolgenden Arbeitsläufen der Maschine gespeichert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbremsen von Reibschweißmaschinen beim Reibschweißen von Teilen mit genauer Winkelposition nach dem Schweißen, bei welchem die Maschine unter der Wirkung eines zusätzlich neben dem vom Antriebsmotor ausgeübten Bremsmoment wirkenden äußeren Bremsmomentes, nämlich des mechanischen Reibmomentes oder einer Bremskraft, nach einer vorgeschriebenen Drehzahlkennlinie bis zum Stillstand heruntergeregelt wird. Das lagegenaue Anhalten des Werkstückes oder sonstigen Teiles wird erreicht durch Verwendung eines elektronischen Positionsregelsystems, das beispielsweise einen drehzahl- und positionsgeregelten Gleichstromantrieb umfaßt, sowie ein Drehzahl- und Positionsregelgerät und Stromrichter, unterstützt durch Tachogenerator zur Drehzahlüberwachung und Inkremental-Positionsgeber zur Überwachung des Winkelweges.

Bei bestimmten Beanspruchungen, wo die zusätzliche äußere Bremskraft bzw. das zusätzliche äußere Bremsmoment beim Abbremsen sprungartig und/oder mit einem hohen Wert einsetzt, sind bekannte elektronische Positionsregelsysteme nicht mehr in der Lage, die Abbremsung in einer für bestimmte Anwendungsfälle vorgeschriebenen oder erwünschten kurzen Zeit durchzu führen. Dies gut beispielsweise für die Abbremsung von Reibschweißmaschinen beim Reibschweißen von Teilen mit genauer Winkelposition nach dem Schweißen.

Beim Schweißen mit solchen Reibschweißmaschinen wird das zusätzliche äußere Bremsmoment hervorgerufen durch das-Reibmoment, das beim Andrücken der beiden zu verschweißenden Werkstückteile zur Erzeugung der Schweißerwärmung entsteht und das von Fall zu Fall durch unterschiedliche Werkstückdurchmesser

ίο und Materialien verschiedene Größen annimmt. Die genaue Position ist bei bestimmten Reibschweißungen erforderlich, und zwar wenn zwei vorher getrennte Werkstückteile nach dem Schweißen eine genaue Winkelposition zueinander haben müssen. Hierbei steht der eine Werkstückteil, eingespannt in eine Spannvorrichtung, in Winkelposition und der andere, drehende Teil, eingespannt in das Spannfutter einer Spindel, muß beim Stillstand die genaue Winkelposition relativ zum stehenden Teil aufweisen. Von entscheidender Wichtigkeit für die Güte der Schweißung ist dabei, daß der Stauchschlag, der die SchweiSung in der Süiistandsposition abschließt, möglichst kurzzeitig nach Erreichen der Schweißhitze erfolgt, damit der Abkühlvorgang bis zum Stauchschlag, speziell bei kleinen Werkstücken, eng begrenzt bleibt.

Die Praxis verlangt in der Regel Positionierzeiten um 300 ms mit einer Genauigkeit von <0,5°.

Bisher war das Reibschweißen von Teilen mit genauer Winkelposition nach dem Schweißen nur mit Hilfe von aufwendigen Doppelmaschinen mit Synchronwel lenantrieben und nur für spezielle Teile möglich, nicht aber mit Universalreibmaschinen für alle Größen.

Durch die DE-OS 24 36 128 sind Reibschweißungen von zu positionierenden Teilen mit rein mechanischen Mitteln, aber mit relativ großem Aufwand an Sonder maschinen bekannt Ferner sind noch mechanische und auch elektronische Positioniereinrichtungen zur Positionierung von Spindeln an Werkzeugmaschinen, z. B. zum Werkzeugwechsel, bekannt Aus der DE-AS 15 88 782 (1} ist be·, tits eine Einrich tung zum selbsttätigen Stillsetzen eines elektrisch ange triebenen drehzahlregelbaren Motors (Walzmotors) bekannt, dessen Schaltung Impulsgeber, Vorwärts-Rückwärts-Zähler, Digital-Analog-Wandler zur Drehzahlsteuerung enthält, womit eine vorgeschriebene Dreh- zahlkurve selbsttätig eingehalten werden kann.

Aus der DE-OS 22 28 735 ist weiterhin eine Einrichtung zum gesteuerten Abbremsen eines Elektromotors, wobei durch vorgegebene Sollwerte u. a. dynamisches Bremsen erzeugbar ist (vgl. Ansprüche 1 —6) bekannt geworden.

Bei Anwendung von bekannten elektronischen Positiohsregelsystemen in Reibschweißmaschinen wird die geforderte Positioniergenauigkeit (<0^°) in der zul. Positionierzeit (ca. 300 ms) nicht erreicht da diese Posi tionierregelsysteme nicht in der Lage sind, das beim Schweißen auftretende Zusatzmoment auszuregeln.

Bei einem bekannten elektronischen Positionierregelsystem wird eine beim Hochfahren gespeicherte »Hochfahrrampe«, also der Verlauf des Drehzahlanstiegs, als »Abfahrramps« benützt und als Sollwertvorgabe der inkrementale Winkelweg des gesamten Fahrvorganges abgearbeitet Der Bremsvorgang wird um die Differenz des inkrementalen Winkelwegs früher eingeleitet, den die gespeicherte »Hochfahrrampe« zum Hochfahren benötigt, -um mit geringstem Regelaufwand und verschwindend geringer Regelverlustzeit in Position zu steuern.

Beim Positionieren mit einem zusätzlichen äußeren

Bremsmoment wie es beim Reibschweißen unvermeidlich ist ergibt sich eine unerwünscht lange Positionierzeit von ca. 600 bis 700 ms, die auch nur durch stetiges aufwendiges Optimieren der Positioniersteuerung erreicht wird, weil der Drehzahlregelkreis im unteren Drehzahlbereich den Lageregelkreis überholt und dadurch Zeit zum Ausregeln in Position verliert, d. h. die Positionierkennlinie unteneüt sich in eine zeitliche Phase zu schneller Abbremsung (gegenüber den gespeicherten Werten aus der Hochfahrrampe, wegen dem zusätzlichen äußeren Bremsmoment) und in eine Phase der Regelung mit Zeitverlust (weil das Regelgerät das Drehzahl-Lage-Verhalten bzw. die Werte der gespeicherten Hochfahrrampe anstrebt und dadurch wechselnd Bremslüftungs- und Antriebsphasen aussteuern muß und damit den Brems-Positionier-Vorgang verlangsamt).

Die Aafgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, durch das die Anwendung elektronischer Positionsregelsysteme für die Reibschweißung von zu positionierenden Teilen bei einer Universalreibschweißmaschine ermöglicht, derart, d?ß der Positioniervorgang trotz der erschwerenden Umstände wechselnd großer zusätzlicher äußerer Bremsmcmente, hoher Spindeldrehzahl und großen Schwungmassen in kürzester Zeit (ca. 300 ms) und ausreichender Genauigkeit (< 0,5") durchgeführt werden kann.

Wie aus Anspruch 1 ersichtlich, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst, bei einem Probelauf oder Vorlauf eine Abbremsung unter Einwirkung des zusätzlichen äußeren Bremsmomep.ies, also unter normalen Arbeitsbedingungen, vorgenommen wird, und daß der ab Beginn der Abbremsung bei verschiedenen Werten der für den Abbremsvorgang vorgeschriebenen Drehzahlkennlinie zu bestimmten Zeitpunkten, denen die verschiedenen Kennlinienwerte zugeordnet sind, sich ergebende Winkelweg aufgenommen und als Sollwertkurve des Bremsweges für die Abbremsung bei nachfolgenden Arbeitsläufen der Maschine, die unter gleichen Bedingungen (gleiche Werkstückart, gleiche Charge) erfolgen, gespeichert wird. Je mehr Punkte bzw. Werte hierbei aufgenommen werden, vom Beginn des Bremsvorgangs bis zum Stillstand, desto genauer wird die Regelung.

Bei der Erfindung läuft also der Bremsvorgang, d. h. der Positioniervorgang, beginnend ink dem ersten vom Inkrementalgeber signalisierten Nulldurchgang nach dem externen Haltesignal als ein für sich abgeschlossener Vorgang, isoliert vom gesamten Fahrvorgang, ab. Dabei wird statt aus der Hochfahrrampe mit dem Motorbremsmoment allein durch die inkremental Erfassung des bei der Abbremsung entstehenden Winkelweges zeitlich einem bestimmten Drehzahlverlauf zugeordnet Hierbei wird eine effektive, zeitoptimale Abfahrrampe aus dem Motorbremsmoment verstärkt durch das von Fall zu Fall verschiedene zusätzliche äußere Bremsmoment erzeugt und abrufbar gespeichert die dann bei der Positionierung in den späteren, nachfolgenden Arbeitsläufen der gleichen Charge zur zeitoptimalen Regelung in die genaue Winkelposition verwendet wird.

Um zu erreichen, daß das abzubremsende Maschinenteil bzw. eine bestimmte Stelle oder ein bestimmter Punkt desselben eine ganz bestimmte Winkellage im Stillstand einnimmt, wird im Rahmen der Erfindung einfach die Abbremsung des anzuhaltenden Maschinenteils in einem Zeitpunkt begoßen, wo die zu positionierende Stelle dieses Werkstückes oder dgl. sich gerade in einem der Länge des gespeicherten Bremsweges entsprechenden Abstand von der gewünschten Endposition befindet. Es wird also bei Anwendung der Erfindung bei einer Reibschweißmaschine beim eigentlichen Positionier-Vorgang der Zeitpunkt bzw. der inkrementale Winkelweg vom 0-Durchgang des Inkrementaigebers bis zum Abruf der gespeicherten »Effektiv-Abfahrrampe« gesteuert daß die vorgegebene Winkelposition beim Stillstand erreicht wird.

ίο Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Abbremsverfahrens besteht bei einem möglichen Ausführungsbeispiel aus einer Einrichtung zur Drehzahl-, Geschwindigkeits- und Positionsregelung eines Motors oder eines von diesem angetriebenen Maschinenteils. Erfindungsgemäß sind hierbei noch ein Speicher zur Aufnahme der Sollwertkurve des separat vom sonstigen Fahrvorgang zu erfassenden Bremsweges sowie Schaltmittel vorgesehen, durch die in einem ersten Schaltzustand lediglich der ab Beginn der Abbremsung des Motors bzw. Maschinenteils bei bestimmten Drehzahlwerten einer vorgeschriebenen Kennlinie sich ergebende Winkelweg speicherbar und in einem zweiten Schaltzustand als Sollwertkurve des Bremsweges bei nachfolgenden Abbremsvorgängsn abrufbar ist

Die iiffindung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. 1 einen Drehzahlverlauf bei einem bekannten Regelsystem,

F i g. 2 und 3 den zeitlichen Verlauf der Drehzahl und des Winkelwegs bei einem Vorlauf,
⁵ Fig.4 den unterschiedlichen Verlauf von Soll- und Istwert des Bremswegs,
F i g. 5 den Drehzahlverlauf gemäß der Erfindung mit und ohne zusätzlichem äußeren Bremsmoment

Fig.6 ein zu verschweißendes Werkstück in verschiedener Winkelposition und

F i g. 7 und 8 ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Schaltungsanordnung zur erfindungsgemäßen Regelung des Bremsvorgangs.

F i g. 1 zeigt den Verlauf der Drehzahl π in Abhängigkeit von der Zeit / beim Betrieb einer Reibschweißmaschine mit einem herkömmlichen elektronischen Positionsregelsystem. Beim Hochfahren der Reibschweißmaschine während des Zeitraums AtA vwrd der Verlauf des Drehzahlanstiegs, die Hochfahrrampe H, mit an sich bekannten Mitteln aufgenommen und gespeichert, um dann beim Bremsen als Abfahrrampe A zur Drehzahlregelung zu dienen. Durch das mit Beginn des Bremsvorganges plötzlich einsetzende hohe zusätzliche äußere Bremsmoment das besonders durch das Stauchen sehr hoch wird, wird, wie bereits oben erwähnt, zuerst z;u stark abgebremst, so daß die Drehzahl rascher abnimmt ais die Abfahrerrampe A, worauf dann zum Ausregeln der starken Drehzahlabweichung die Regeleinrichtung entsprechend viel Zeit braucht. Es ergibt sich dadurch gegenüber der vorgesehenen Abbremszeit^i£eine Verlängerung um das Zeitintervall /β minus t_A.

Bei der Durchff hrung der Erfindung wird in einem Vorlauf unter normalen Arbeitsbedingungen die Schweißung zweier Werkstücke durchgeführt und dann, wenn das Bauteil die erforderliche Schv/eißtemperatur erreicht hat, einschließlich des normalen, im Betrieb auftretenden äußeren Bremsmoment der Bremsvorgang ausgehend von max. Prehzsml no eingeleitet. Ab Beginn der Bremsung im Zeitpunkt to wird in bestimmten Zeitintervallen zu den Zeiten ίι. /j usw., wenn die Drehzahl jeweils einen entsprechenden Wert n,, n₂ usw. erreicht

hat der Winkelweg χ in Abhängigkeit von der Zeit / in Form von Teilwegstrecken A<Xk von λ< > bis zum Stillstand bei xi aufgenommen und gespeichert (Fig.2 und 3). Hierbei wird dem Drehzahlregler des Positionsregelsy stems als Sollwert 0 Volt vorgegeben und das max. Motormoment um einen bestimmten Wert (Regelreserve bei den folgenden Arbeitsläufen) verringert.

Bei dem dann folgenden und den weiteren Arbeitsläufen der Maschine werden die gespeicherten Teilwinkelwegstrecken zu den einzelnen Zeiten abgerufen und jeweils mit dem entsprechenden Istwert des von einem Inkrementalgeber gemessenen Winkelwegs verglichen. Aus der sich ergebenden Regelabweichung Δχ wird dann in bekannter Weise eine Größe zur Korrektur des Winkelwegs abgeleitet. Fig.4 zeigt eine mögliche Abweichungsform zwischen der Sollwertkurve 5 und der Istwegkurve /des Winkelwegs ac. Durch diese Maßnahmen erhält man bei Bremsung einen raschen Drehzahl- ^bfeü ^ϊτϊεΒ einer nshezu deckungsgleich mit ύζ7 ZC' speicherten Abfahrrampe A'verlaufenden Abfahrrampe und einer genauen Winkelendposition oce(F i g. 5).

Soll bei einem zu verschweißenden Werkstück, beispielsweise einem Wellenstumpf 1 der Punkt 2 sich am Ende der Schweißung (Stillstand) in der Winkellage E' (F i g. 6) befinden, so wird beispielsweise bei dem Vorlauf die Bremsung begonnen (to) wenn dieser Punkt 2 den Nullpunkt eines Inkrementalgebers passiert Beträgt dann der sich ergebende Bremsweg einen Winkel β bei dem der Punkt 2 in die Winkellage E gekommen ist, die von f'den Abstand Δβ\αΧ, so wird bei den dann folgenden Arbeitsläufen die Bremsung entsprechend später begonnen, wenn der Punkt 2 nach dem Passieren des Punktes 0 (Nullpunkt des Inkrementalgebers) einen dem Winkel Δβ entsprechenden Winkelweg zurückgelegt hat.

F i g. 7 zeigt eine einfache Blockschaltung eines Positionsregelsystems zur Durchführung der Erfindung. Es besteht im wesentlichen aus zwei Schalteinheiten, einer Einheit 3, die einen Positionsregler mit Speicher- und Steuerlogik enthält, sowie eine Einheit 4 mit Drehzahlregler, Stromregler und Thyristorsteller, aus der ein Motor 5 gespeist wird. Die an sich bekannte Reglerschaltung gemäß der Einheit 4 ist beispielsweise nach dem Kaskadenprinzip aufgebaut, d. h. dem eigentlichen Drehzahlregelkreis ist ein Stromregelkreis unterlagert, der über das Thyristorstellglied den Motorstrom und damit das vom Motor abgegebene Moment steuert Wichtig ist das Vorhandensein einer Möglichkeit, den Motorstrom über eine Beeinflussung des Drehzahlbzw. Stromreglers von der übergeordneten Einheit 3 her zu begrenzen, s-:.· daß während des Vorlaufs der Motor beim Bremsen ein konstantes Moment abgibt und damit die Drehzahl des Antriebs bei ungefähr konstantem äußerer. Bremsmoment linear, in Form einer Rampe, abnimmt Mittels eines Stromwandlers 6 wird der Motorstrom und mittels eines auf der Motorwelle sitzenden Tachogenerators 7 die Drehzahl erfaßt und an die Regeleinheit 4 zurückgeführt Durch einen ebenfalls noch auf der Motorwelle sitzenden Inkrementalpositionsgeber 8 wird der zurückgelegte Winkelweg überwacht und über die Leitung 9 der Einheit 3 zugeführt

Die Schaltungseinheit 3 (F i g. 8) umfaßt einen Positionsregler, bestehend aus Addierer iO und Zähler 11, dem der beim Vorlauf abgespeicherte Winkelweg-Zeit-Verlauf als Sollwert vorgegeben wird, sowie einen Spei- eher 12, der diese Winkelweg-Sollwertkurve aufnimmt und sie beim Arbeitslauf dem Positionsregler als Sollwert zuführt Mit 13 ist eine Logik-Funktionseinheit be zeichnet, die die Einschaltung der beiden Phasen »Vorlauf« und »Arbeitslauf« übernimmt und das Zusammenwirken der Speichereinheit 12 mit dem Positionsregler 10,11 koordiniert.

Die technische Realisierung dieser Funktionseinheiten kann entweder in Form von Hardware oder in Form von Software erfolgen.

Mit der Anordnung gemäß F i g. 8 wird während des Vorlaufs der Winkelweg-Zeitverlauf in Form der Teilwinkelwegstrecken pro Zeiteinheit vom Zähler 11 festgehalten und in den Speicher übergeben. Beim Arbeitslauf werden die Teilwinkelwegstrecken in ihrer festgelegten zeitlichen Reihenfolge vom Speicher abgerufen und im Addierer 10 zur Regelabweichung vom vorhergehenden Zeitpunkt addiert. Der Fehler vom vorhergehenden Zeitpunkt entspricht dem aktuellen Zählerstand. Das Ergebnis des Addierers wird anschließend in den Zähler geschrieben. Der Stand des Zählers wird fortlaufend über c;ncPi DigitslsnaiogVrsriuier 14 als Soliwcfi für den Drehzahlregler ausgegeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abbremsen von Reibschweißmaschinen beim Reibschweißen von Teilen mit genauer Winkelposrüon nach dem Schweißen, bei welchem die Maschine unter der Wirkung eines zusätzlich neben dem vom Antriebsmotor ausgeübten Bremsmoment wirkenden äußeren Bremsmomentes nach einer vorgeschriebenen Drehzahlkennlinie bis zum Stillstand heruntergeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst als Vorlauf eine Abbremsung unter Einwirkung des zusätzlichen äußeren Bremsmomentes vorgenommen wird und daß dabei der ab Beginn der Abbremsung bei verschiedenen Werten der für den Abbremsvorgang vorgeschriebenen Drehzahlkennlinie sich ergebende Winkelweg in seinem zeitlichen Verlauf aufgenommen und als Sollwert-Kurve des Bremswegs für die Abbremstfng bei nachfolgenden Arbeitsläufen gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremsung in einem der Länge des aufgenommenen Bremsweges entsprechenden Abstand von einer gewünschten Endposition begonnen wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch J oder 2, bestehend aus einer Einrichtung zur Drehzahl- bzw. Geschwindigkeits- und Positionsregelung eines Motors oder eines von dieser-; angetriebenen Maschinenteiles, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (12) sowie Schaltmittet (13) vorgesehen sind, durch die in einem ersten Schaltzustand der ab Beginn der Abbremsung des Motors bzw. Maschinenteils bei bestimmten Geschwindigkeits- oder Drehzahlwerten einer vorgeschriebenen Kennlinie sich ergebende Weg speicherbar und in einem zweiten Schaltzustand als Sollwertkurve des Bremswegs bei nachfolgenden Abbremsvorgängen abrufbar ist