DE4008088A1 - Schweissvorrichtung mit x-foermiger schweisszangenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Bekanntlich ist ein besonderer Vorteil robotergesteuerter Schweißvorrichtungen gerade darin zu sehen, daß die Schweißzange praktisch in beliebige Stellungen durch zusam­ mengesetzte Bewegungen gebracht werden kann, so daß die Elektroden auch schwer zu­ gängliche zu schweißende Werkstücke erfassen können. Mit dieser an sich vorteilhaften Möglichkeit verbunden ist aber die Tatsache, daß der Gesamtschwerpunkt der bewegten Teile, also letztlich der gesamten Schweißzangenanordnung, unterschiedliche Abstände von der Schwenkachse je nach Elektrodenstellung besitzt und demgemäß das erhebliche Gewicht der Schweißzangenanordnung unterschiedliche Momente ausübt, die schon ange­ sichts der durch die Elektrodenarme gebildeten langen Hebelarme Einfluß auf die End­ stellung der Elektroden während des Schweißvorgangs haben. Dies bedeutet letztlich die Gefahr einer Abstützung zumindest einer der Elektroden auf dem zu schweißenden Werk­ stück, beispielsweise einem Karosserieblechflansch, wodurch leicht untragbare Beschädi­ gungen des Werkstücks hervorgerufen werden können.

Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, ist es speziell für eine Punktschweißzange mit C-förmiger Schweißzangenanordnung bekannt (DE-OS 31 33 247), diese über zwei Druck­ federn gleichsam schwimmend in einem Käfig zu lagern, der starr am Roboterkopf be­ festigt ist. Es handelt sich dabei gleichsam um eine Kraftausgleichsvorrichtung zur Kom­ pensation der Gewichtskräfte, die aber nur für C-förmige Schweißzangenanordnungen einsetzbar ist und darüber hinaus infolge der Erzeugung von der jeweiligen Elektroden­ lage unabhängiger Gegenkräfte nur in einem verhältnismäßig engen Bewegungsbereich der Zangenanordnung wirksam ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei der mit geringem Aufwand eine Kompensation durch das Gewicht der Schweißzangenanordnung hervorgerufener Kräfte, die zu Beschädigungen des zu schweißenden Werkstücks infolge Abstützens einer Elektro­ de darauf führen können, in praktisch allen möglichen Stellungen der Schweißzangenan­ ordnung sichergestellt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkma­ len des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unter­ ansprüche.

Wenn auch, wie im Anspruch 4 angegeben, die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung unter Verwendung einer Druckfeder aufgebaut sein kann und zwei derartige Ausgleichs­ vorrichtungen vorgesehen sein können, und wenn weiterhin bei dem eingangs diskutierten Stand der Technik die dort vorgesehene schwimmende Lagerung durch zwei Druckfedern erzeugt ist, unterscheidet sich die Erfindung von dem Bekannten doch dadurch, daß Mit­ tel zur elektrodenstellungsabhängigen Änderung der Gegenkraft vorgesehen sind. Hier­ durch kann einerseits eine Anpassung an unterschiedliche Stellungen der Schweißzangen­ anordnung in ihrer Gesamtheit, einschließlich Vertauschung von obenliegender und unten­ liegender Elektrode, und andererseits eine Anpassung an die Verhältnisse während der Bewegung der Elektroden zwischen ihrer Ruhestellung und ihrer Arbeitsstellung erzielt werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung er­ läutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine übliche gattungsgemäße Schweißvorrichtung in ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen,

Fig. 2 die Darstellung der Fig. 1 ergänzt um eine Ausfüh­ rungsform der Erfindung,

Fig. 3 ebenfalls unter Zugrundelegung der Darstellung ge­ mäß Fig. 1, eine zweite Ausführungsform der Er­ findung und

Fig. 4 vergrößert die Ausgleichsvorrichtungen gemäß Fig. 3.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, die also der Veranschaulichung des von der Erfindung betroffenen Typs einer Punktschweißvorrichtung dient, so ist bei 1 der Kopf eines übli­ chen und daher nicht zu beschreibenden programmierten Robotors (Handhabungsautoma­ ten) angedeutet, der über den Schweißtransformator 2 ebenfalls üblichen und für die Er­ findung nicht interessanten Aufbaus und den festen Sockel 3 die allgemein mit 4 bezeich­ nete Schweißzangenanordnung trägt. Diese Trag- oder Haltefunktion übernimmt die senk­ recht zur Zeichenebene der Fig. 1 weisende Schwenkachse 5, die die einzige Anlenk- und Befestigungsstelle der Schweißzangenanordnung 4 bildet.

Betrachtet man nun die Schweißzangenanordnung 4 im einzelnen, so enthält sie die bei­ den mit Elektroden 6 und 7 bestückten Elektrodenarme 8 und 9, die im Bereich ihrer in der Figur rechten Enden mit jeweils einem Schwenkhebel 10 bzw. 11 fest verbunden sind; beide Schwenkhebel 10 und 11 sind um die Schwenkachse 5 schwenkbar gelagert. Während der Schwenkhebel 11 an den Zylinder der als Spreizvorichtung für die Arme 8 und 9 dienenden druckluftbetriebenen Kolben-Zylinder-Anordnung 12 angelenkt ist, ist der - kürzere - Schwenkhebel 10 schwenkbar mit dem Ende der Kolbenstange 13 der Anord­ nung 12 verbunden.

Bei voll geöffneter Schweißzangenanordnung 4 nimmt der in der Figur untere Elektroden­ arm 9 seine bei 9′ angedeutete Stellung ein: Ausgangsstellung für den Vorhub. Beiderseits des zu schweißenden Werkstücks 14 liegt ein Spalt zu der jeweiligen Elektrode 6 bzw. 7 vor. Durch Betätigung der Spreizvorrichtung 12 in dem Sinne, daß die Kolbenstange 13 aus dem Zylinder ausfährt, erfolgt eine Annäherung der beiden Elektroden 6 und 7, bis der der ausgezogenen Darstellung in Fig. 1 zugeordnete Arbeitshubbeginn der Elektro­ den 6 und 7 erreicht ist. Wie ohne weiteres einzusehen, gibt es Stellungen der Schweiß­ zangenanordnung 4, in denen ihr Schwerpunkt nicht senkrecht über der Schwenkachse 5 liegt und demgemäß ein Moment und diese hervorruft. Dieses Moment ist abhängig von der jeweiligen Lage der Schweißelektroden 6 und 7, so daß es nicht durch ein konstantes Ge­ gengewicht oder eine konstante Federkraft kompensiert werden kann. Eine Kompensation ist jedoch erforderlich, da andernfalls die Gefahr besteht, daß eine der Elektroden 6 und 7, insbesondere die obere Elektrode 6, vorzeitig auf den Flansch 14 aufsetzt und sich die Schweißzangenanordnung 4 demgemäß praktisch auf diesem leicht verformbaren Werkstück abstützt. Dies bei den verschiedenen während des jeweiligen Schweißprogramms möglichen Lagen der Schweißzangenanordnung 4 zu verhindern ist Aufgabe der Erfindung.

Betrachtet man nun die erste Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 2 darge­ stellt ist, so erkennt man zwischen dem Schwenkhebel 10 und der am Sockel 3 und damit am Roboterkopf 1 festen Abstützung 20 die Ausgleichsvorrichtung 21, die als wesentli­ che Bestandteile die druckmittelbetätigte Kolben-Zylinder-Anordnung 22 und den Druck­ regler 23 üblichen Aufbaus enthält, der im Hinblick auf im Schweißprogramm vorkommen­ de Stellungen der Zangenanordnung 4 programmiert ist.

Bereits jetzt sei darauf hingewiesen, daß eine entsprechende Kolben-Zylinder-Anordnung aus Gründen der Kräftesymmetrie auch auf der anderen Seite des Schwenkhebels 10 vor­ gesehen sein kann; diese Anordnung ist in der Figur nicht erkennbar.

Betrachtet man die Kolben-Zylinder-Anordnung 22 im einzelnen, so enthält sie in dem Zylinder 24 längsverschiebbar den Kolben 25, der die beiden Druckräume 26 und 27 de­ finiert. Von diesen liegt der letztgenannte auf einem konstanten Druckniveau (Druckreg­ ler 28), während der Druckraum 26 über die Pneumatik- oder Hydraulikleitung 29 mit dem programmierten Druckregler 23 verbunden ist. Da beim Zusammenführen der Elektro­ den 6 und 7 die Kolben-Zylinder-Anordnung 22 andernfalls durch die Spreizvorrichtung 12 hervorgerufene gewünschte Bewegungen des Elektrodenarms 8 und damit der Elektro­ de 6 in Richtung auf das Werkstück 14 erschweren könnte, arbeitet der programmierte Druckregler 23 so, daß er erst unmittelbar vor dem Aufsetzen der Elektrode 6 auf das Werkstück 14 im Druckraum 26 einen von dem Druck im Druckraum 27 abweichenden Druck hervorruft, so daß also eine den Kolben 25 in der Figur nach oben beaufschla­ gende Druckdifferenz auftritt. Diese Druckdifferenz ist in dem Programm für den Druck­ regler 23 in Abhängigkeit von den verschiedenen Stellungen der Zangenanordnung 4 so gewählt, daß die von der Kolben-Zylinder-Anordnung 22 unter Abstützung an dem Teil 20 auf den Schwenkhebel 10 und damit auf die Zangenanordnung 4 ausgeübte Moment das von der Stellung der Anordnung 4 abhängige Gewichtsmoment praktisch kompensiert. Durch das verstellbare Lager 30 kann eine Anpassung der Länge der Anordnung 22 an den gewünschten Hub des Schwenkhebels 10 vorgenommen werden.

Als Programmspeicher für den Druckregler 23 kann ein ohnehin für die Robotersteue­ rung vorhandener Speicher dienen.

Während in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Ausgleichsvorrichtung druckmittel­ betätigt ist, zeigen die Fig. 3 und 4 eine Ausführungsform der Erfindung, die rein mechanisch mit Federkräften arbeitet. Die bereits in den beschriebenen Figuren vorkom­ menden Teile tragen dieselben Bezugszeichen.

Auch hier findet sich eine roboterfeste Abstützung 40, nämlich an dem Sockel 3, an der nach entgegengesetzten Seiten weisend zwei Ausgleichsvorrichtungen 41 und 42 mit ihren einander zugekehrten Enden angelenkt sind. An ihren einander abgekehrten Enden tragen die gleichsam den Kern der Ausgleichsvorrichtungen 41 und 42 bildenden Stangen - hier Gewindestangen 43 und 44 - verstellbare Anschläge 45 und 46, die in einfacher Weise eine Anpassung an die Erfordernisse bei verschiedenen Schweißzangen und Schweißvor­ gängen ermöglichen. Jede der Stangen 43 und 44 durchsetzt eine Aufnahme 47 bzw. 48 am Schwenkhebel 10 bzw. 11. In Abweichung von der anhand Fig. 2 beschriebenen Aus­ gleichsvorrichtung sind die Schwenkhebel 10 und 11 also in Richtung der Achse der je­ weiligen Ausgleichsvorrichtung 41 bzw. 42 bewegbar. Die Stangen 43 und 44 werden von jeweils einer Druckfeder 49 bzw. 50 umschlossen; die Druckfedern sind zwischen Feder­ stützen 51 und 52 an den inneren Enden der Stangen 43 und 44 einerseits und Federtel­ lern 53 bzw. 54 andererseits eingespannt. Diese Federteller 53 und 54 sind auf der je­ weiligen Stange 43 bzw. 44 axial verschiebbar.

Betrachtet man zunächst die Ausgleichsvorrichtung 41, so ist sie relativ einfach aufge­ baut; sie nimmt eine Abstützung der Schweißzangenanordnung 4 gegen in den Fig. 3 und 4 entgegen dem Uhrzeigersinne wirkenden, durch die jeweilige Schwerpunktlage der Zangenanordnung 4 gegebenen Momente vor. Die entsprechende Gegenkraft wird durch die Feder 49 erzeugt, die bei allen Abständen zwischen Auflage 51 und Aufnahme 47 wirksam ist.

Demgegenüber arbeitet die auch einen komplizierteren Aufbau besitzende andere Aus­ gleichsvorrichtung 42 anders: In der gezeichneten Stellung stützt sich die Feder 50 eben­ falls über den Federteller 54 auf der Aufnahme 48 am Schwenkhebel 11 ab. Man erkennt aber in Abweichung von der Vorrichtung 41 hier die die Stange 44 umgebende, innerhalb der Aufnahme 48 verlaufende Hülse 55, die sich mit ihrem unteren Ende auf dem An­ schlag 46 abstützt. Das bedeutet, daß sich das untere Ende der Druckfeder 50 nur dann auf dem Schwenkhebel 11 abstützt, wenn die zugehörige Elektrode 7 sich praktisch in ihrer Arbeitsstellung befindet. Sobald dagegen der Elektrodenhalter 9 um einen kleinen Winkel entgegen dem Uhrzeigersinne um die Schwenkachse 5 in den Fig. 3 und 4 nach unten verschwenkt worden ist, legt die Aufnahme 48 den Federteller 54 gleichsam auf der Hülse 55 ab, so daß die Feder 50 nunmehr wirkungslos ist; die Druckfeder 49 der oberen Ausgleichsvorrichtung 41 übt dagegen stets eine Kraft bzw. ein Moment auf die Zangenanordnung 4 aus. Umgekehrt betrachtet: Die Druckfeder 50 und damit die in den Fig. 3 und 4 untere Ausgleichsvorrichtung 42 werden erst bei annähernd in Ar­ beitsstellung befindlichen Elektroden 6 und 7 wirksam.

Im Endergebnis stellt sich unter der Wirkung der beiden Ausgleichsvorrichtungen 41 und 42 gleichsam eine kräfte- bzw. momentenneutrale Lage der Zangenanordnung 4 ein, in der also die Gewichtseinflüsse durch die Einflüsse der Ausgleichsvorrichtungen 41 und 42 kompensiert sind. Diese kräfte- bzw. momentenneutrale Lage letztlich der in Fig. 3 bei 56 angedeuteten "Arbeitsebene" der Elektroden 6 und 7 weicht - in Abhängigkeit von der Steifigkeit der Federn 49 und 50 - etwas von der Nullage dieser Ebene ab ("Nachset­ zen"), die sich ohne Einwirkung des Gewichts der Zangenanordnung je nach gewählter Vorspannung der Federn 49 und 50 einstellen würde. Diese Differenz muß und kann bei der Programmierung des Roboters berücksichtigt werden. Die Programmierung muß also so erfolgen, daß das Werkstück 14 in der kräfteneutralen Ebene 56 liegt.

Betrachtet man nochmals die Arbeitsweise der Schweißvorrichtung nach den Fig. 3 und 4 beim Bewegen der Elektroden 6 und 7 in Richtung Arbeitsstellung, so verschwenkt die Spreizvorrichtung 12 die Schwenkhebel 10 und 11 in entgegengesetzten Richtungen um die Schwenkachse 5. Während dieser Schwenkbewegung bewegt sich also die Aufnahme 47 längs der Stange 43 in Richtung nach unten entgegen der zunehmenden Kraft der Fe­ der 49. Dieser Kraft wirkt aber, sobald die Aufnahme 48 den Federteller 54 untergreift, die Kraft der Druckfeder 50 entgegen. Bei dieser Schließbewegung der Zangenanordnung 4 erfolgt bis zur Berührung zwischen Aufnahme 48 und Federteller 54 infolge der dauern­ den Wirksamkeit der Druckfeder 49 der oberen Vorrichtung eine Bewegung praktisch nur des in den Fig. 3 und 4 unteren Schwenkhebels 11 bzw. des unteren Elektrodenarms 9. Erst kurz vor dem Aufsetzen der Elektrode 7 auf das Werkstück 14 untergreift die Aufnahme 48 den Federteller 54, so daß jetzt beide Federn 49 und 50 wirksam sind. Dies bedeutet eine Verzögerung der Zangenbewegung, einen Gegenzug des Hebels 10 und da­ mit ein weiches Aufsetzen der Elektroden 6 und 7 auf dem Werkstück 14. Dementspre­ chend läßt sich das Aufsetzverhalten der Elektroden 6 und 7 durch die Längenabmessung der Hülse 55 beeinflussen. In diesem Zusammenhang ist als weiterer Vorteil der Erfindung eine Verringerung des Elektrodenverschleißes zu nennen.

Beim Öffnen der Zangenanordnung 4 ergibt sich, sobald die Aufnahme 48 vom Federteller 54 abhebt, dieser also von der Hülse 55 gestützt wird, praktisch nur noch eine Schwenk­ bewegung des unteren Elektrodenarms 9 entgegen dem Uhrzeigersinn, bis die Aufnahme 48 zur elastischen Auflage auf dem elastischen Puffer 57 kommt. Die Rückstellkraft des Puffers 57 unterstützt dann die Wirkung der Feder 49 der oberen Vorrichtung 41, so daß auch bei abrupten Bewegungen des Roboters die stabile Lage der Zangenanordnung 4 ge­ währleistet ist.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine trotz einfachen Aufbaus zuverlässige Möglichkeit der Kompensation von Gewichtseinflüssen auf die Ausrichtung einer Schweißzangenan­ ordnung bei einer gattungsgemäßen Schweißvorrichtung geschaffen.

Claims (5)

1. Schweißvorrichtung mit X-förmiger Schweißzangenanordnung, enthaltend zwei an auf­ einander zu weisenden Enden mit im wesentlichen fluchtenden Schweißelektroden be­ stückte Elektrodenarme, die im Bereich ihrer anderen Enden starr an jeweils einem Schwenkhebel gehalten sind, zwischen deren freien Enden eine druckmittelbetätigte Spreizvorrichtung frei gehalten ist, während beide Schwenkhebel über eine etwa senkrecht zu den Elektroden weisende Schwenkachse, die zugleich die Halterung der Zangenanordnung bildet, an einen Roboterkopf angelenkt sind, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Kompensation andernfalls auf das zu schweißende Werkstück (14) über eine der Elektroden (6, 7) wirkender, aus dem Gewicht der Zangenanordnung (4) re­ sultierender Kräfte zwischen zumindest einem der Schwenkhebel (10, 11) und einer starren Abstützung (20) am Roboterkopf (1) zumindest eine Kraftausgleichsvorrich­ tung (21) eingespannt ist mit zwei in Einspannrichtung gegeneinander im Sinne einer Verkürzung der Ausgleichsvorrichtung (21) gegen eine Gegenkraft bewegbaren Teilen (24, 25), und daß Mittel (23) zur elektrodenstellungsabhängigen Änderung der Gegen­ kraft der Kraftausgleichsvorrichtung (21) vorgesehen sind.

2. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsvor­ richtung (21) eine druckmittelbetätigte Kolben-Zylinder-Anordnung (22) mit einem im Hinblick auf im Schweißprogramm vorkommende Stellungen der Zangenanordnung (4) programmierten Druckregler (23) für das Druckmittel enthält.

3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Gegenkraft erst kurz vor Aufsetzen der Elektrode (6) auf das Werkstück (14) erfolgt.

4. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ausgleichsvor­ richtungen (41, 42) an jeweils einem der Schwenkhebel (10, 11) angreifen und mit ihren einander zugekehrten einen Enden an der Abstützung (40) angelenkte Stangen (43, 44) enthalten, die je eine Aufnahme (47, 48) an einem Schwenkhebel (10, 11) durchsetzen und an ihren anderen Enden einen Anschlag (45, 46) tragen sowie von einer Druckfe­ der (49, 50) umschlossen sind, die zwischen einer Federstütze (51, 52) nahe dem einen Ende der betreffenden Stange (43, 44) und - bei in Arbeitsstellung befindlichen Elek­ troden (7, 8) - der Aufnahme (47, 48) eingespannt sind, und daß zumindest eine der Ausgleichsvorrichtungen (41, 42) einen verschiebbaren Federteller (54) sowie eine sich zwischen diesem und dem Anschlag (46) erstreckende Hülse (55) solcher Länge enthält, daß die Hülse (55) bei Bewegungen der Elektrode (7) aus ihrer Arbeitsstellung die Druck­ feder (50) von der Aufnahme (48) abhebt.

5. Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Hülse (55) ausgerüstete Ausgleichsvorrichtung (42) einen dem Anschlag (46) an der Stange (44) vorgeschalteten elastischen Puffer (57) als elastische Vollöffnungsbegrenzung der Zangenanordnung (4) aufweist.