DE3922560A1 - Verfahren und vorrichtung zur gesteuerten zufuhr von drahtfoermigem material an eine loet- oder schweissstelle - Google Patents

Description

Zur automatischen Durchführung von Lötungen oder Schweißun­ gen ist eine gesteuerte Zufuhr von drahtförmigem Material in Form des Lötzinndrahtes bzw. der Schweißelektrode an die Löt- bzw. Schweißstelle erforderlich.

Bei einer herkömmlichen Zuführungsvorrichtung ist ein Schlitten vorgesehen, der durch Federn in Richtung auf die Löt- bzw. Schweißstelle gedrückt wird. Auf dem Schlitten befindet sich ein mit Federn beaufschlagtes Sperrklinken­ paar, das das drahtförmige Material bei der Vorwärtsbewe­ gung hält und mitnimmt, dieses jedoch bei einem Leerhub in Rückwärtsrichtung zur Nachförderung des Materials freigibt. Der Schlitten wird zunächst über einen Bowdenzug zurückge­ zogen und die Federn dadurch gespannt. Wird der Löt- bzw. Schweißvorgang gestartet, so wird die Drahtklemmung über eine Kurvenscheibe freigegeben und somit der Schlitten durch die Federn nach vorne geschoben.

Bei dieser Zuführungsvorrichtung wird jedoch nicht über­ prüft, ob das zur Löt- bzw. Schweißstelle transportierte Material auch tatsächlich abschmilzt. Dadurch kann es etwa im Fall von Lötungen bei einer konstanten Vorschubgeschwin­ digkeit vorkommen, daß das Lötzinn nicht abschmilzt, son­ dern an der Lötstelle vorbeigedrückt wird und die Lötstelle somit unbrauchbar wird. Im ungünstigsten Fall muß der Löt- bzw. Schweißvorgang zum Entfernen von nicht abgeschmolzenem Lötzinn bzw. Schweißelektroden unterbrochen werden. Diese Problematik besteht unabhängig vom verwendeten Löt- bzw. Schweißverfahren, also z.B. vom Einsatz eines Lötkolbens oder einer Laserlötanlage.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zur Vermeidung der obigen Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit des zugeführten Materials in Ab­ hängigkeit vom Abschmelzen an der Löt- bzw. Schweißstelle geregelt wird.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ähnlich dem bisherigen Verfahren kann auch bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren das drahtförmige Material, im Falle von Lötungen das Lötzinn, mit Sperrklinken gehalten, durch einen Schlitten zur Lötstelle transportiert werden.

Der Schlitten kann über eine Spindel mit einem Gleichstrom­ motor angetrieben werden. Die Kraft, mit der das Lötzinn auf die Lötstelle gedrückt wird, wird über einen Kraftsen­ sor erfaßt.

Das Lötzinn wird vorzugsweise durch ein Führungsröhrchen oder auch einen Schlauch bis kurz vor die Lötstelle ge­ führt.

Da das Führungsröhrchen für das Lötzinn im Bereich der Lötstelle mit der Zeit stark durch Flußmittelrückstände verharzt, ist die Kraft die benötigt wird, um den Lötzinn­ draht durch dieses Röhrchen zu schieben, nicht konstant. Diese Kraft wird zusätzlich zu der eigentlichen Lötkraft benötigt. Deshalb wird zu Beginn eines jeden Lötvorganges automatisch ein neuer Sollwert für eine übergeordnete elektronische Regelung generiert. Der Antrieb wird dann so geregelt, daß der Lötzinndraht immer mit der gleichen Kraft auf die Lötstelle gedrückt wird. Diese Kraft wird in Abhän­ gigkeit von dem Abschmelzverhalten an der Löt- bzw. Schweißstelle als Sollwert vorgegeben.

Schmilzt jetzt zum Beispiel das Zinn an der Lötstelle nicht so gut ab, so steigt die Kraft an und der Motor verringert seine Drehzahl. Durch die kleinere Vorschubgeschwindigkeit sinkt dann auch die Lötkraft wieder auf einen eingestellten Wert. Lötkraft und vorgeschobene Lötzinndrahtlänge sind einstellbar. Die Vorwahl der Lötzinndrahtlänge kann manuell durch einen Stufenschalter oder durch einen eventuell angeschlossenen Rechner erfolgen. Ebenfalls manuell oder rechnergesteuert kann ein Lötvorgang gestartet werden.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Löt­ zinnzufuhr,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Gesamtansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Piezo-Kraftsensors,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer elektronischen Steue­ rung für die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2, und

Fig. 5 ein Blockschaltbild der elektronischen Steue­ rung in alternativer Ausführung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Zuführungsvorrichtung am Beispiel einer Lötzinnzufuhr. Zwischen dem Kupplungsgehäuse 2 und einer Endplatte 3 kann ein Schlitten 1 auf zwei Führungsstangen 4 hin- und hergeschoben werden. In dem Schlitten sind als Linearlager zwei Kugelbüchsen eingebaut. Der Schlitten läßt sich dadurch sehr leichtgängig verschie­ ben. Eine Gewindespindel 5 ist im Kupplungsgehäuse 2 und in der Endplatte 3 durch je ein Rillenkugellager gelagert, wobei das Lager im Kupplungsgehäuse 2 als Loslager und das Lager in der Endplatte 3 als Festlager ausgeführt ist.

Im Schlitten befindet sich, durch einen Stift fixiert, eine Spindelmutter. Motor 39, Getriebe 40 und Winkelschrittgeber 41 bilden eine kompakte Einheit. Die Gewindespindel ist über eine Kupplung mit dieser Einheit verbunden. Die Stei­ gung der Gewindespindel beträgt 1 mm, wodurch eine Umdre­ hung der Getriebeausgangswelle eine Verschiebung des Schlittens von ebenfalls einem mm verursacht.

Der Lötzinndraht wird durch Bohrungen im Kupplungsgehäuse, im Schlitten und in der Endplatte geführt.

Zur Führung des Lötzinndrahtes bis zur Lötstelle ist an der Endplatte 3 ein Stahlröhrchen 46 angebracht. Auf dem Kupp­ lungsgehäuse und dem Schlitten befinden sich jeweils zwei Sperrklinken. Die Sperrklinken auf dem Kupplungsgehäuse sind relativ zu diesem fest angeordnet, nur jeweils um einen Stift 6 drehbar. Die beiden Schenkelfedern 23 drücken die Sperrklinken 22 entweder auf den Lötzinndraht oder auf die Begrenzungsstifte. Auf dem Schlitten sind die beiden Sperrklinken auf einem separaten Plättchen (Meßaufnehmer 14) montiert. Dieses Plättchen ist mitsamt den Sperrklinken 22 und den dazugehörenden Rückstellfedern 23 auf dem Schlitten 1 auf einen Lagerzapfen 6 aufgesteckt. Um diesen Lagerzahpfen kann nun das Plättchen um kleine Winkel ausge­ lenkt werden. Im Schlitten ist außerdem ein Kraftsensor 44 befestigt. Eine kleine Blattfeder 45 sorgt dafür, daß das Plättchen immer mit einer gewissen Vorspannung auf den Sensor drückt (Fig. 2). Dadurch werden beim Anfahren des Schlittens Druckstöße auf den Kraftsensor verhindert. Wird durch die Vorschubbewegung des Schlittens Lötzinndraht zur Lötstelle geschoben, so versucht das Plättchen in die der Vorschubbewegung entgegengesetzten Richtung auszuweichen (in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet). Dabei drückt dann ein in dem Plättchen befestigter Stift auf den Kraftsensor.

Die auf den Sensor ausgeübte Kraft ist proportional der Kraft mit der das Lötzinn durch das Führungsröhrchen ge­ schoben wird (Reibungskraft) plus der Kraft mit der das Lötzinn auf die Lötstelle bzw. die Lötkolbenspitze gedrückt wird. Während eines einzigen Lötvorganges kann die Kraft mit der das Lötzinn durch das Führungsröhrchen geschoben werden muß, als konstant angenommen werden. Das Ausgangs­ signal des Kraftsensors ist dann, nach Abzug dieser kon­ stanten Kraft, proportional zu der Kraft mit der das Löt­ zinn auf die Lötstelle gedrückt wird, der Lötkraft. Da das Führungsröhrchen durch Flußmitteldämpfe stark verharzt, ändert sich diese Kraft bezogen auf einen längeren Zeitraum beträchtlich.

Die elektronische Schaltung erkennt und berücksichtigt dies bei der Ermittlung des Reglersollwertes.

Bei der Rückwärtsbewegung des Schlittens verhindern die Sperrklinken auf dem Kupplungsgehäuse ein Zurückschieben des Lötzinndrahtes. In dem Kupplungsgehäuse und der End­ platte befinden sich jeweils ein berührungslos arbeitender Endschalter zur Begrenzung des Verfahrweges des Schlittens.

Da herkömmliche, zu Meßzwecken verwendbare Kraftsensoren für den kommerziellen Einsatz in der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung zu teuer sind, ist als Sensor eine polykristalline, piezo-elektrische Oxidscheibe (PXE-Schei­ be) vorgesehen. Die PXE-Scheibe ist in der für Summermem­ branen üblichen Art auf ein Messingblech aufgeklebt. Zur Auswertung sind die beiden Elektroden über ein abgeschirm­ tes Kabel mit einem Ladungsverstärker verbunden. Da die beispielsweise aus Blei-Titanaten oder -Zirkonaten beste­ hende PXE-Scheibe eine wesentlich höhere Empfindlichkeit als üblicherweise zu Meßzwecken verwendeter Quarz besitzt, kann der Schaltungsaufwand für den nachfolgenden Ladungs­ verstärker entsprechend gering gehalten sein. Die für den Sensor charakteristische Ladungskonstante d₃₃ zeigt eine erheblich stärkere Temperaturabhängigkeit als ein sonst üblicher Quarzsensor. Der dadurch erzeugte Fehler bei Temperaturschwankungen liegt jedoch unterhalb von 20% und ist bei der erfindungsgemäßen Anwendung ohne Bedeutung, da vor jeder Lötung bzw. Schweißung eine Eichung erfolgen kann.

Der mechanische Aufbau des Sensors ist in Fig. 3 darge­ stellt. Die kreisförmige Sensor-Scheibe 15 ist am Boden eines aus Kunststoff, vorzugsweise Teflon, bestehenden Bechers gehalten. Die zu messende Kraft F wird über einen zentralen Stift 47, der ebenfalls vorzugsweise aus Teflon besteht, übertragen. Der Stift 47 in einem zylindrischen, beispielsweise aus Aluminium bestehenden Deckel 48 gehal­ ten, der in den Becher 49 eingesetzt ist und die PXE-Schei­ be gleichzeitig nach außen abdichtet. Die PXE-Scheibe ist durch ein zweiadriges abgeschirmtes Kabel mit dem Meßver­ stärker verbunden. Die PXE-Scheibe kann zusätzlich in Kunstharz eingebettet sein, um diese besser vor Ver­ schmutzung und mechanischer Beschädigung zu schützen.

Mit Hilfe der elektronischen Steuerung kann ein Lötvorgang vollautomatisch durchgeführt werden. Das heißt, eine ein­ stellbare Menge Lötzinn wird, ausgelöst durch Tastendruck oder durch einen angeschlossenen Rechner, gesteuert zur Lötstelle transportiert.

Die Kraft, die mit dem eingebauten Kraftaufnehmer ermittelt wird, besteht aus zwei Komponenten. Zum einen ist dies die eigentliche Lötkraft. Der Sollwert für diese Kraft ist durch ein Potentiometer stufenlos einstellbar. Zum anderen ist dies die Kraft, die benötigt wird, um den Lötzinndraht durch das Führungsröhrchen bis zur Lötstelle zu schieben (Reibungskraft). Diese Kraft ändert sich im Lauf der Zeit von selbst, da das Führungsröhrchen durch Flußmittelrück­ stände verharzt.

Diese veränderliche Komponente der Kraft kann aber während eines einzelnen Lötvorganges als konstant betrachtet wer­ den.

Vor jedem eigentlichen Lötvorgang wird die Reibungskraft jedesmal automatisch neu bestimmt und zu der eingestellten Lötkraft addiert. Die Summe bildet dann den Sollwert für den elektronischen Regler.

An die elektronische Schaltung sind außer dem Motor, dem Winkelschrittgeber und dem Kraftsensor auch noch die beiden Endschalter angeschlossen. Mit ihnen ist sichergestellt, daß der Schlitten rechtzeitig vor Endplatte oder Kupplungs­ gehäuse anhält.

Außerdem erkennt die Elektronik, ob sich der Schlitten bei Einschalten des Gerätes in einer definierten Ausgangsposi­ tion befindet und bringt den Schlitten in eine solche, falls dies nicht der Fall sein sollte.

Bei der Durchführung einer Lötung ergibt sich folgender Verfahrensablauf:

Nach dem Druck auf die Starttaste fährt der Motor den Schlitten zuerst 1 mm ungeregelt nach vorne in Richtung Lötstelle. Dies entspricht einer Spindelumdrehung bzw. 5 Umdrehungen der Motorwelle.

Da das Lötzinn nach jeder Lötung etwa 1 bis 1,5 mm vom Lötkolben weg abschmilzt muß bei der folgenden Lötung auch erst dieser Weg vom Lötzinndraht überwunden werden, bis er auf der Lötkolbenspitze oder der Lötstellte auftrifft.

Während dieses Weges von mindstens 1 mm kann mit dem Kraft­ sensor die Kraft bestimmt werden, mit der das Lötzinn durch das Führungsröhrchen geschoben werden muß (Reibungskraft). Eine Lötkraft tritt hierbei ja noch nicht auf.

Diese Reibungskraft bzw. der daraus gewonnene Spannungswert wird zu einer einstellbaren Spannung, die die gewünschte Lotkraft darstellt, addiert.

Der Aufbau der Elektronik ist aus dem Blockschaltbildin Fig. 4 ersichtlich. Ein Abtast- und Halteverstärker der dem Addierer nachgeschaltet ist, ist während der beschrie­ benen ersten Spindelumdrehung auf "Abtasten" gestellt. Dies bedeutet, daß ein Signal am Eingang des Abtast- und Halte­ verstärkers unbeeinflußt an dessen Ausgang erscheint.

Nach dieser ersten Spindelumdrehung, bei der der Motor nicht geregelt wird, wird der Abtast- und Halteverstärker auf "Halten" gestellt. Der zu dieser Zeit gerade vom Addie­ rer anliegende Wert bleibt nun konstant am Ausgang des Verstärkers stehen. Eine Änderung der Verstärkereingangs­ spannung wirkt sich nun nicht mehr auf den Verstärkeraus­ gang aus.

Der Wert am Ausgang des Abtast- und Halteverstärkers ist jetzt der Sollwert für eine Reglerschaltung. Die Motorend­ stufe wird durch diese Reglerschaltung angesteuert. Den Istwert für die Regelung bildet das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers.

Dieser mißt jetzt sowohl die Lötkraft als auch die während der Regelung als konstant angenommene Reibungskraft, mit der das Lötzinn durch das Führungsröhrchen geschoben wird. Da diese letztgenannte Kraft mit demselben Betrag in Soll- und Istwert auftaucht, wird sie durch das Subtrahieren von Soll- und Istwert in der Reglerschaltung für die Regelung bedeutungslos. Nach der Subtraktion der beiden Werte sind nur noch die eingestellte und die gemessene Lötkraft für die Regelung wirksam.

Die Lötzinndrahtlänge, die der Schlitten vorschieben muß, wird durch die Programmierung eines einstellbaren Zählers bestimmt. Dieser Zähler kann manuell durch einen Stufen­ schalter oder Rechner gesteuert eingestellt werden. Im Motor ist ein Winkelschrittgeber integriert. Die Impulse des inkrementalen Gebers werden während der ungeregelten und der geregelten Vorschubbewegung des Schlittens gezählt. Wird der eingestellte Zählerstand erreicht, so wird der Motor gestoppt. Durch eine gegenpolige Ansteuerung der Endstufe wird anschließend die Drehrichtung des Motors umgedreht. Der Schlitten fährt ungeregelt in seine Aus­ gangsposition zurück.

Wie in Fig. 4 dargestellt, läßt sich die elektronische Schaltung in einzelne Blöcke oder Baugruppen aufteilen.

Der digitale Schaltungsteil umfaßt im wesentlichen drei größere Blöcke:

• - Zähler
• - Steuerlogik
• - Auswertelogik.

Der analoge Schaltungsteil kann in sechs Blöcke gegliedert werden:

• - Kraftsensor mit Meßsignalverstärker
• - Lötkrafteinstellung
• - Addierer
• - Abtast- und Halteverstärker
• - Fensterdiskriminator
• - Endstufe
• - Strommeßwandler
• - Regler.

Auf die Beschreibung der einzelnen Komponenten der Schal­ tung wird verzichtet, da es sich um bekannte elektronische Schaltungen handelt.

Der digitale Teil der Elektronik kann durch einen Einplati­ nen-Computer ersetzt werden. Vorzugsweise wird ein Mikro- Computer verwendet, in dem bereits Zähler zur Erfassung der Impulse des Winkelschrittgebers und etwa ein Basic-Inter­ preter zur Programmierung integriert sind. Bei dieser Ausführung gemäß Fig. 5 ist der analoge Regler durch einen digitalen Abtastregler ersetzt. Dadurch ist es auch in relativ einfacher Weise möglich, die Regler-Parameter dem gewählten Drahtdurchmesser anzupassen. Die Lötkraft kann ebenfalls digital eingestellt werden. Damit ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung des Analogteils der Elektro­ nik. Als Schnittstelle zum Mikroprozessor werden ein AD- Wandler und DA-Wandler eingesetzt. Einfache, preiswerte 8-BIT-Wandler sind für die Meßgenauigkeit ausreichend. Der Ladungsverstärker für den Kraftsensor ist bei dieser Aus­ führung auf eine kleinere Drift- und geringere Störanfäl­ ligkeit ausgelegt. Zur Unterdrückung der Einstreuungen auf das Kabel, kann der Ladungsverstärker mit symmetrischen Eingängen ausgeführt sein.

Claims (7)

1. Verfahren zur gesteuerten Zufuhr von drahtförmigem Material an eine Löt- oder Schweißstelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit des drahtförmigen Materials während des Löt- bzw. Schweiß­ vorgangs so geregelt wird, daß die Vorschubkraft einen vorgegebenen konstanten Sollwert einhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlitten das drahtförmige Material während eines Arbeitshubes in Vorwärtsrichtung zur Löt- bzw. Schweiß­ stelle hin vorschiebt und daß der Schlitten nach Errei­ chen einer vorgegebenen Endstellung ohne Transport des drahtförmigen Materials in einem Leerhub in eine vorge­ gebene Anfangsstellung zurückfährt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß vor Beginn eines Löt- bzw. Schweißvorgangs das drahtförmige Material zunächst zur Eichung um einen geringen Weg mit konstanter Geschwindigkeit vorgescho­ ben wird, und daß die allein durch den Reibungswider­ stand der Vorschubeinrichtung bzw. des drahtförmigen Materials verursachte Reibungskraft gemessen wird, daß der der Reibungskraft entsprechende Spannungswert zu einem vorgegebenen Spannungswert für die Vorschubkraft während des Löt- bzw. Schweißvorgangs addiert wird, daß die Summe beider Spannungen während eines nachfolgenden Löt- bzw. Schweißvorgangs bei der Regelung der Vor­ schubgeschwindigkeit als Sollwert vorgegeben wird, wobei der Istwert aus der Summe des während des Löt- bzw. Schweißvorgangs tatsächlich gemessenen Spannungs­ wertes für die Vorschubkraft und des vorher ermittelten Spannungswertes für die Reibungskraft gebildet wird.

4. Vorrichtung zur gesteuerten Zufuhr von drahtförmigem Material an eine Löt- oder Schweißstelle, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Vorschubeinrichtung zum Vorschub des Materials, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (44) zur Erfas­ sung der Vorschubkraft vorgesehen ist, dessen Ausgangs­ signal einem Regler zur Regelung der Vorschubgeschwin­ digkeit zugeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (44) eine polykristalline piezoelektri­ sche Oxidscheibe (50) aufweist, deren beide parallele Oberflächen als Elektroden ausgebildet sind, die mit einem Ladungsverstärker verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorschubeinrichtung einen mit Hilfe einer Gewindespindel (5) zwischen zwei Endanschlägen (2, 3) verfahrbaren Schlitten (1) aufweist, daß das drahtförmige Material zwischen einem ersten, orts­ festen, mit Federn (23) beaufschlagten Sperrklinkenpaar (22) und einem zweiten, mit Federn (23) beaufschlagten Sperrklinkenpaar (22) auf dem Schlitten (1) geführt ist, wobei jedes Sperrklinkenpaar (22) das drahtförmige Material in Vorwärtsrichtung freigibt und in Rückwärts­ richtung arretiert, und daß der Sensor (44) zur Aufnah­ me der auf das zweite Sperrklinkenpaar (22) wirkenden Vorschubkraft auf den Schlitten (1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Schlittens (1) ein Motor (39) vorgesehen ist, der mit einem Winkelschritt­ geber (41) verbunden ist, und daß das Ausgangssignal des Winkelschrittgebers (41) von einem Zähler erfaßt und einer Steuerlogik zur Steuerung des Motors zuge­ führt ist.