DE3930929A1 - Steuerung einer bolzenschweissvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung einer Bolzen-Schweiß­ vorrichtung zum automatischen Fügen von Schweißbolzen bzw. Schweiß­ schrauben und insbesondere die Steuerung der Vorrichtung unter Verwendung der Technik der Hubzündung.

Bei einer Bolzenschweißvorrichtung mit Hubzündung wird ein Bolzen bzw. ein Stift zunächst vorgeführt, um elektrischen Kontakt mit dem Werkstück zu erzielen, auf das der Bolzen aufzuschweißen ist, und ein Strom, der häufig gering ist, wird dann durch den Bolzen geleitet, um einen Kurzschluß zu erzeugen, und der Bolzen wird dann auf einen vorbestimmten Abstand zurückgezogen (der Hub), um einen Lichtbogen zu erzeugen, der für den Schweißprozeß verwendet wird.

Nachdem der Lichtbogen gezündet ist, wird der Schweißstrom erhöht, so daß in der Fügezone die Oberflächen von Bolzen und Werkstück angeschmolzen werden und ein Schmelzbad bilden. Der Betrieb wird durch einen Rückhub vervollständigt, der den Bolzen durch das Schmelzbad in Kontakt mit dem Werkstück bringt.

Eine darauffolgende Erstarrung dieses geschmolzenen Metalls befestigt bzw. sichert den Bolzen an dem Werkstück.

Bei einer solchen Vorrichtung wird der Bolzen von einem Bolzenträger getragen, der von dem Werkstück angehoben wird, um den Lichtbogen zu zünden, und der auf das Werkstück zurückgeführt wird, wenn der Lichtbogen das erforderliche Schmelzbad erzeugt hat. Bei vielen herkömmlichen Ausbil­ dungsformen der Vorrichtung wird die Hubkraft elektromagnetisch aufge­ bracht und ein mechanisches Bauelement, wie eine Feder, zwingt den Bolzen­ halter in den Rückhub, so daß das elektromagnetische Anheben gegen die Feder arbeiten muß. Ungünstigerweise tendiert der Bolzen somit dazu, den Rückhub mit hoher kinetischer Energie und Geschwindigkeit abzuschließen. Das Auftreffen des Bolzen auf das Werkstück verursacht das Aufspritzen geschmolzenen Metalles um die Schweißstelle, was ineffizient ist, unansehn­ lich und sogar gefährlich.

Es wurden eine Reihe von Vorschlägen gemacht, den Eintauchtakt so zu dämpfen, daß der Kontakt zwischen Bolzen und Werkstück mit einer ge­ ringeren kinetischen Energie und bei einer geringeren Geschwindigkeit er­ reicht wird. Typische Vorschläge sind in den US-Patentschriften 32 42 307 und 45 62 328 beschrieben. Die letztere beschreibt das mechanische Dämpfen von lediglich dem letzten Teil des Rückhubes, wobei der anfängliche Teil des Eintauchtaktes ungedämpft ist, verursacht durch die Feder ohne Anwendung einer Dämpfung.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Steuerung einer Bolzen-Schweißvorrichtung anzugeben, wobei ein zunächst geringer Strom durch einen Bolzen geleitet wird, der von dem Bolzenhalter in Kontakt mit dem Werkstück gehalten wird, wobei der Lichtbogen gezündet wird durch das Anheben des Bolzens von dem Werkstück und danach der volle Schweiß­ strom auf den Lichtbogen geschaltet wird, um in der Fügezone die Oberflä­ chen von Bolzen und Werkstück anzuschmelzen und die angeschmolzenen Oberflächen sich letztendlich am Ende des Rückhubes nach dem Aufschlag des Bolzens auf das Werkstück durchdringen, wobei der Rückhub ohne mechanische Dämpfung gesteuert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Steuerung einer Bolzen-Schweiß­ vorrichtung, die einen Bolzenhalter, einen elektromagnetischen Hub­ mechanismus, der angeordnet und ausgelegt ist, den Bolzenhalter weg von einem Werkstück, auf das er angebracht ist, anzuheben, und einen mechan­ ischen Rückhubmechanismus aufweist, der dazu ausgelegt ist, den Bolzen­ halter so in Richtung auf das Werkstück zu bewegen, daß beim Betrieb während des Hubes der elektromagnetische Hubmechanismus gegen den mechanischen Rückhubmechanismus arbeitet und der Rückhub von dem mech­ anischen Rückhubmechanismus abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß am Anfang des Rückhubes der elektromagnetische Hubmechanismus erforderli­ cherweise strom- und spannungsfrei ist, der Rückhub jedoch durch einen Pulsstrom gedämpft wird, der durch den elektromagnetischen Hubmechanismus fließt beginnend eine sehr kurze Zeit vor dem Auftreffen des Bolzens auf das Werkstück und der endet, wenn der Bolzen das Werkstück kontaktiert.

Die Dauer des Pulsstrom ist natürlich sehr kurz und der Pulsstrom wird mit dem Auftreffen des Bolzens auf das Werkstück wieder abgeschaltet.

Das Auftreffen wird demzufolge abgeschwächt bzw. gedämpft und das Auf­ spritzen von Schmelzbad wesentlich reduziert. Der Pulsstrom kann somit sowohl nach der Zeit als auch nach der Stärke gesteuert werden, um eine einheitliche Absinkzeit zu erreichen, die nicht länger ist, als die Absinkzeit einer üblichen ungedämpften Bolzen-Schweißvorrichtung. Die Absinkzeit ist die Zeit vom Beginn des Rückhubes bis zum Auftreffen das Bolzens auf das Werkstück. Die Absinkzeit wird von Faktoren wie der Gravitationskraft beeinflußt. Durch Steuern des Pulsstromes zur Erlangung einer einheitlichen Absinkzeit ist es jedoch möglich, den Einfluß des Gravitationsfeldes so zu eliminieren, daß die Absinkzeit einheitlich ist, unabhängig von der Stellung der Schweißvorrichtung in dem Gravitationsfeld. Weiterhin kann der Puls­ strom gesteuert werden, um die Geschwindigkeit "Null" des Bolzens beim Auftreffen zu erreichen. Demzufolge tritt keine Vibration des Bolzens oder des Werkstückes auf und die Vorrichtung ist selbstdämpfend.

Die Verwendung des Elektomagneten während des Rückhubes eines Bolzen- Schweißprozesses ist in der Deutschen Patentschrift DE 38 03 416 C offen­ bart, in diesem Fall wird die Spannung, die während des Rückhubes angelegt wird, jedoch langsam auf Null am Ende des Rückhubes reduziert. Dies führt unnötigerweise zu einer längeren Absinkzeit und es ist nicht möglich, die Steuerung derart vorzusehen, daß eine einheitliche Absinkzeit erreicht wird. Demzufolge ist die Vorrichtung äußerst empfindlich auf Gravitationswirkungen und die Absinkzeit variiert erheblich in Abhängigkeit von der Stellung der Vorrichtung in dem Gravitationsfeld.

Die magnetische Kraft von herkömmlichen Elektromagneten wird signifikant durch den Hub des Ankers beeinflußt und die von einem konstanten Strom erzeugte magnetische Kraft nimmt schnell ab, wenn der Spalt zwischen dem Anker und der Magnetspule wächst. Bei einem konstanten Strom ergibt sich eine maximale Magnetkraft wenn der Spalt Null ist, die Kraft nimmt jedoch in Abhängigkeit von der Spaltgröße ab.

Vorzugsweise wird daher ein Elektromagnet verwendet, der einheitliche Kennlinien bzw. Charakteristika hat, so daß virtuell keine Änderung der magnetischen Kraft mit ansteigender Spaltgröße während des Hubes des Ankers auftritt. Solche Elektromagnete sind in "Roboter in der Geräte­ technik" - G. Bögelsack et al, Hüthig 1985 (Seite 177) als Gleichstromtopf­ magnet mit Kennlinienbeeinflussung beschrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Elektromagnet verwendet, der eine im wesentlichen einheitliche magnetische Kraft für mehr als 2 1/2 mm Hub aufrechterhalten kann, so daß dort effektiverweise keine Reduzierung der magnetischen Kraft während des Hubes von 1.2 bis 1.5 mm auftritt, der in Bolzenschweißvorrichtungen üblich ist.

Das ermöglicht, eine magnetische Bremskraft reproduzierbar zu erzeugen, die unabhängig von dem Hub ist, d. h. es wird eine magnetische Bremskraft während des letzten Teil des Rückhubes ausgeübt, die unabhängig von der Größe des Spaltes zwischen Anker und Magnetspule ist.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese nun in größerer Einzelheit unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei:

Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Strom durch die Magnetspule des Elektromagneten und den Weg des Schweißbolzens zum Werk­ stück über der Zeit zeigt, und zwar für bislang bekannte Bolzen-Schweißvorrichtungen, und

Fig. 2 ist ein Diagramm, das den Strom durch die Magnetspule des Elektromagneten und den Weg des Schweißbolzens zum Werk­ stück über der Zeit zeigt, und zwar für eine Bolzen-Schweiß­ vorrichtung, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gesteuert wird.

In den Zeichnungen zeigt die durchgezogene Linie den Weg des Schweiß­ bolzens zum Werkstückes (Rückhub), aufgetragen als Abstand in mm über der Zeit (ms). Der Magnetspulenstrom (Ampere) wird durch die unterbrochene Linie angedeutet, die über der gleichen Zeitskala aufgetragen ist.

Da die vorliegende Erfindung die Steuerung des Rückhubes der Bolzen- Schweißvorrichtung betrifft, ist der Bezug der Zeitskala auf den Beginn des Rückhubes gesetzt, d. h. auf das Ende des Stromflusses durch die Magnet­ spule.

Beim Beginn eines Schweißzyklus, wenn der Bolzen in anfänglichem Kontakt mit dem Werkstück ist, wird ein als Hubstrom bekannter Strom durch die Magnetspule des Elektromagneten des elektrischen Hubmechanismus geleitet, wodurch der Bolzen von dem Werkstück angehoben wird, um den Lichtbogen zu ziehen und der Hubstrom wird in der Magnetspule für die Zeitspanne bis zum Beginn des Rückhubes aufrecht erhalten. Der Hubstrom ist in den Zeichnungen mit 3 bezeichnet und der Rückhub beginnt bei 4, wenn der Hubstrom endet, so daß die Magnetspule den Bolzen freigibt und dieser durch den mechanischen Rückhubmechanismus in Richtung auf das Werkstück beschleunigt wird. Wenn der Rückhub ungedämpft ist, wie in Fig. 1, berührt der Bolzen das Werkstück beim Auftreffen bei 5, gefolgt von Auftreffvor­ gängen 5′, 5′′ usw. Wenn jedoch der Eintauchtakt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gesteuert wird, wird ein Pulsstrom 6 wie in Fig. 2 eine kurze Zeit vor dem Auftreffen an die Magnetspule angelegt. Die Größe und die Dauer des Pulsstromes kann so gewählt werden, daß der Rückhub des Bolzens zum Werkstück weich mit der Geschwindigkeit "Null" auf dem Werkstück zum Anhalten gebracht wird und somit der Rückprall des Bolzens von dem Werkstück eliminiert wird und die Absinkzeit nicht erhöht wird, verglichen mit der Absinkzeit der ungedämpften Bolzen-Schweißvorrichtung. Der Pulsstrom endet mit dem Auftreffen des Bolzens auf das Werkstück, so daß keine Hubkraft von der Magnetspule auf den Bolzen nach dem Auftreffen auf das Werkstück ausgeübt wird.

Der Pegel des Pulsstromes und seine Dauer (gezeigt von 7 bis 8) kann leicht gesteuert werden, um zu gewährleisten, daß eine konstante Einsinkzeit (von 4 bis 5) erreicht werden kann und der Pulsstrom kann so gesteuert werden, daß die Einsinkzeit unabhängig vom Gravitationsfeld wirkt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Steuern von Bolzen-Schweißvorrichtungen zum auto­ matischen Fügen von Schweißbolzen, aufweisend einen Bolzenhalter, einen elektromagnetischen Hubmechanismus, bestehend aus einem Elektro­ magneten, der angeordnet und ausgelegt ist, den Bolzen weg von einem Werkstück, auf das er gedrückt wird, anzuheben, und einen mechanischen Rückhubmechanismus, bestehend aus einer Feder, der dazu ausgelegt ist den Bolzen in Richtung auf das Werkstück zu bewegen, so daß beim Betrieb während des Hubes der elektromagnetische Hubmechanismus gegen den mechanischen Rückhubmechanismus arbeitet und der Rückhub von dem mechanischen Rückhubmechanismus abgeleitet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Beginn des Rückhubes der elektromagnetische Hub­ mechanismus erforderlicherweise strom- und spannungsfrei ist, der Rückhub jedoch durch einen Pulsstrom gedämpft wird, der durch den elektromagnetischen Hubmechanismus fließt beginnend eine sehr kurze Zeit vor dem Auftreffen des Bolzens auf das Werkstück und der endet, wenn der Bolzen das Werkstück kontaktiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsstrom sowohl nach der Zeit als auch nach der Stärke gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Hubmechanismus der Bolzenschweißvorrichtung einen Gleichstromtopfmagneten mit Kennlinienbeeinflussung umfaßt mit einer im wesentlichen gleichförmigen magnetischen Kraft während des Hubes der Vorrichtung.