DE4120811A1 - Bolzenschweissvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bolzenschweißvorrichtung mit einem einstell­ baren Linearmotor als Stellorgan zur axialen Verschiebung eines Verstellgliedes, dessen Bewegung auf einen Bolzenhalter übertragen wird.

Eine derartige Bolzenschweißvorrichtung wird hinsichtlich ihres Prinzips in der DE-PS 32 15 453 erwähnt. In dieser Patentschrift wird auf die Verwendung eines dynamo-elektrischen Linearmotors als Stellorgan verwiesen (siehe Anspruch 9), der hinsichtlich des Verstellweges und der Verstellgeschwindigkeit einstellbar sein soll. Hinsichtlich der Einstellbarkeit des Verstellweges wird in diesem Zusammenhang nur eine den Verstellweg abtastende Wegemeßeinrichtung erwähnt, was nur so verstanden werden kann, daß von der Wegemeßeinrichtung Signale ableitbar sind, die die jeweilige Stellung des Verstellgliedes angeben, so daß der jeweils zurückge­ legte Verstellweg von den Signalen der Wegemeßeinrichtung abhängig ist.

In der genannten Patentschrift ist außerdem ein rotierender Schrittschaltmotor als Stellorgan angegeben (siehe Anspruch 5), das eine Verstellung des Verstellgliedes mit Bolzenhalter ohne eine Wegemeßeinrichtung ermöglichen würde, da der Schritt­ schaltmotor sich digital in jede gewünschte Verdrehungslage einstellen läßt. Zur Übertragung der Verdrehung des Schrittschaltmotors in eine lineare Bewegung ist dann jedoch ein Zwischengetriebe erforderlich, wie dieses in der Patentschrift in Form von Mutter und darin bewegter Spindel offenbart ist.

Andere Stellorgane zur gesteuerten Einstellung der Lage und Bewegung des Verstellgliedes mit Bolzenhalter von Bolzenschweißvorrichtungen sind bisher nicht in Betracht gezogen worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bolzenschweißvorrichtung der eingangs angegebenen Gattung zu schaffen, die ohne Zwischengetriebe auskommt, die direkte Einstellung der Lage und Bewegung des Verstellgliedes ermöglicht und sich durch kompakte Bauweise auszeichnet. Erfindungsgemäß geschieht dies da­ durch, daß das Verstellglied direkt durch das bewegte Organ eines Schraubengewin­ dereluktanzmotors (SGRM) gebildet ist, das in rotationssymmetrischem Aufbau den Bolzenhalter trägt, während das nichtbewegte Organ die Halterung der Bolzen­ schweißvorrichtung bildet.

Bei dem Schraubengewindereluktanzmotor (SGRM) handelt es sich um ein bekann­ tes Bauelement, das einen verstellbaren Linearmotor bildet. Dieser Motor ist in Proc. IEEE, Vol. 118 (1971) Seiten 1575-1580 beschrieben. Die Steuerung des in dieser Druckschrift beschriebenen Motors erfolgt durch eine Dreiphasenspannung mit Netzfrequenz, durch die ein entsprechendes Drehfeld erzeugt wird. Darüberhin­ aus ist es aus der DE-OS 36 20 472 bekannt, den SGRM auch mit einer fre­ quenzvariablen m-phasigen Spannung, einschließlich der Frequenz Null, zu steuern, wobei es sich im letzteren Betriebsfall momentan um mehrere Gleichspannungen handelt, die das bewegte Organ des SGRM in der betreffenden, erreichten Ver­ stellage halten.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich der SGRM dann in besonders vorteilhafter Weise in eine Bolzenschweißvorrichtung als Stellorgan für den Bolzen­ halter einer Bolzenschweißvorrichtung einordnet, wenn das den Bolzenhalter ver­ schiebende Verstellglied direkt durch das bewegte Organ des SGRM gebildet wird. Diese Konstruktion nutzt die Gestaltung des SGRM darum vorteilhaft aus, weil bei diesem bewegtes und nichtbewegtes Organ rotationssymmetrisch ineinander einge­ schoben sind, so daß das bewegte Organ direkt den Bolzenhalter tragen kann, während das nichtbewegte Organ die Halterung der Bolzenschweißvorrichtung bildet. Bewegtes und nichtbewegtes Organ des SGRM sind damit unmittelbar hinter dem Bolzenhalter angeordnet, so daß sich für die Anbringung des Stellorgans für den Bolzenhalter kein zusätzlicher Raumbedarf in Längsrichtung der Bolzenschweißvor­ richtung ergibt, wie dies z. B. bei Verwendung des in der DE-PS 32 15 453 erwähnten rotierenden Schrittschaltmotors der Fall ist. Insgesamt ergibt sich damit aus der direkten Verbindung von dem das Stellglied bildenden bewegten Organ des SGRM mit dein Bolzenhalter ein kurzer gedrungener Aufbau, der die Bewegung des den Bolzenhalter verschiebenden Verstellgliedes mit hoher Genauigkeit und solchen Kräften ermöglicht, daß Verstellgeschwindigkeiten von bis zu 1 m/sec erzielbar sind. Die digital erfolgende wahlweise Einstellung des SGRM in beiden axialen Verstellrichtungen ermöglicht es darüberhinaus, durch Anwendung bekannter elektronischer Steuermittel den Bolzenhalter mit gesteuerter Geschwindigkeit in Richtung auf das Werkstück zu und von diesem weg zu bewegen, um dabei mit einem eingespannten Schweißbolzen einen Lichtbogen zu zünden, diesen mit ausreichender Dauer aufrechtzuerhalten und dann den Bolzen mit gesteuerter Geschwindigkeit in die erzeugte Schmelze auf dem Werkstück eintauchen zu lassen. Der SGRM erlaubt dabei problemlos eine Einstellgenauigkeit von 10 µm pro Schritt, was für die Einstellgenauigkeit der Bolzenschweißvorrichtung mehr als ausreichend ist.

Der SGRM erlaubt es, daß das Verstellglied bildende bewegte Organ entweder durch den innerhalb des Stators angeordneten stößelartig gestalteten Anker zu bilden, wobei dann die Halterung durch den Stator des SGRM erfolgt, oder das bewegte Organ durch den Stator des SGRM auszubilden, wobei dann die Halte­ rung durch die dem Bolzenhalter abgewandte Seite des Ankers geschieht. In beiden Fällen ergibt sich die gewünschte kompakte Ausbildung der Bolzenschweißvor­ richtung, da in beiden Fällen das bewegte Organ in rotationssymmetrischem Aufbau den Bolzenhalter zu tragen vermag, unabhängig davon, ob es sich dabei um den Anker oder den Stator des SGRM handelt.

Zweckmäßig wird der Anker als Hohlwelle ausgebildet, wodurch sich die Möglich­ keit ergibt, durch die Hohlwelle z. B. Schweißbolzen, Druckluft oder Schutzgas zuzuführen. Diese Ausnutzung der Hohlwelle ist unabhängig davon, ob der Anker als bewegtes oder nichtbewegtes Organ verwendet wird.

Wie bereits oben gesagt, eröffnet der SGRM die Möglichkeit, sein bewegtes Organ in jeder gewünschten Lage, festzuhalten wozu dann allerdings eine gewisse elek­ trische Energie aufzubringen ist. Diese in der Ruhelage aufzubringende Energie läßt sich dadurch vermeiden, daß das bewegte Organ in seiner Ruhelage unter der Spannung einer Feder gegen einen mit der Halterung verbundenen Anschlag anliegt. Bei dieser Gestaltung nimmt das bewegte Organ (entweder der Anker oder der Stator des SGRM) unter der Spannung der Feder stets eine durch den Anschlag definierte Lage ein, in der das bewegte Organ ohne Verbrauch von elektrischer Energie verbleibt. Erst durch die Ansteuerung des SGRM wird dann das bewegte Organ und damit das Verstellglied aus dieser Ruhelage heraus in Richtung auf das mit einem Schweißbolzen zu versehene Werkstück verstellt, um dann nach Zündung des Schweißlichtbogens und Ablauf des Schweißprozesses wieder in seine Ruhelage zurückgeführt zu werden, woraufhin bis zur nächsten Schweißung unter der Spannung der Feder das bewegte Organ in seiner Ruhelage ohne Energieverbrauch verbleiben kann.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die Bolzenschweißvorrichtung mit SGRM, dessen Anker das bewegte Organ bildet,

Fig. 2 die Bolzenschweißvorrichtung mit SGRM, dessen Stator das bewegte Organ bildet.

Fig. 1 zeigt das Werkstück 1, z. B. eine Blechplatte, an dem der Schweißbolzen 2 mittels Lichtbogenschweißung zu befestigen ist. Der Schweißbolzen 2 ist in den Bolzenhalter 3 eingesetzt und wird von diesem festgehalten. Der Bolzenhalter 3 wird von dem Anker 4 des Schraubengewindereluktanzmotors (SGRM) 5 getragen, der hier als durchgehende Hohlwelle mit der Bohrung 6 ausgebildet ist. Der Anker 4 geht an seiner dem Werkstück 1 zugewandten Seite in das Aufnahmeteil 7 über, das die Befestigung für den Bolzenhalter 3 bildet. Die Betätigung des Bolzenhalters 3 erfolgt in bekannter Weise, z. B. durch Zusammenziehen von im Bolzenhalter 3 enthaltenen Spannbacken. Auf diese Einzelheit wird in diesem Zusammenhang nicht eingegangen, da es sich hierbei um Stand der Technik handelt.

Der Anker 4 ist über die Axiallager 8 und 9 gegenüber dem Gehäuse 10 gelagert, das den Stator 11 des SGRM umschließt. Der Stator 11 enthält die hier schema­ tisch angedeuteten Wicklungen 12, die über eine weiter unten beschriebene elek­ trische Steuerung mit einem Mehrphasenstrom gespeist werden. Das Gehäuse 10 mit dem Stator 11 ist auf dem Träger 13 befestigt, der der Bolzenschweißvor­ richtung seine definierte Lage gibt, so daß der Stator 11 als Halterung der Bolzen­ schweißvorrichtung wirkt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform bildet der Anker 4 das bewegte Organ des SGRM und damit das Verstellglied für den Bolzenhalter 3. Das nicht­ bewegte Organ des SGRM, nämlich der Stator 11, bildet die Halterung der Bolzenschweißvorrichtung.

Die in der Fig. 1 in ihrer Ruhelage dargestellte Bolzenschweißvorrichtung wird in dieser unter der Wirkung der Druckfeder 14 gehalten, die sich einerseits gegen den Flansch 15 des Ankers 4 setzt und andererseits gegen die radiale Wandung 16 des Gehäuses 10 abstützt. Auf der dem Flansch 15 abgewandten Seite des Ankers 4 ist dieser mit der Anschlagplatte 17 versehen, die unter der Wirkung der Kraft der Feder 14 gegen die als Anschlag wirkende Stirnfläche 18 des Gehäuses 10 drückt. Wenn der SGRM von einer entsprechenden Mehrphasenspannung angesteuert wird, dann verschiebt er seinen Anker 4 in Richtung auf das Werkstück 1, wobei sich die Anschlagplatte 17 von der Stirnfläche 18 löst. Bei diesem Vorgang wird die Druckfeder 14 zusammengedrückt. Nach Durchlaufen eines bestimmten Verstell­ weges nimmt der Bolzenhalter 3 mit dem Schweißbolzen 2 die in der Fig. 1 punktiert dargestellte Zwischenlage ein, bevor der Schweißbolzen 2 auf das Werk­ stück 1 auftrifft, womit durch Kontaktgabe der Schweißlichtbogen in bekannter Weise gezündet wird. Nach erfolgter Zündung wird der Anker 4 durch entsprechen­ de Steuerung des SGRM weiter in Richtung von dem Werkstück 1 weg bewegt, wobei der Schweißlichtbogen in erforderlicher Stärke aufrechterhalten wird, um auf dem Werkstück 1 eine Schmelze zu erzeugen, in die dann durch entsprechende Steuerung des SGRM der Schweißbolzen 2 eintaucht. Zur Erzeugung des Schweiß­ lichtbogens ist in bekannter Weise eine entsprechende Spannung an den Bolzenhal­ ter 3 und das Werkstück 1 anzulegen. Hierbei handelt es sich um bekannte Maßnahmen.

Die Verwendung des SGRM ermöglicht es, die axiale Hin- und Herbewegung des Schweißbolzens 2 hinsichtlich Einstellage und Geschwindigkeit definiert zu steuern, womit sich für die Verschweißung von Schweißbolzen 2 und Werkstück 1 optimale Verhältnisse ergeben. Hierbei kommt es insbesondere auf die Geschwindigkeit des Auftreffens des Schweißbolzens 2 auf das Werkstück 1, den Abhub des Schweißbol­ zens 2 vom Werkstück 1 und schließlich die Geschwindigkeit des Eintauchens des Schweißbolzens 2 in die Schmelze auf dem Werkstück 1 an, wobei sich auch die Eintauchtiefe des Schweißbolzens 2 in die Schmelze genau einstellen läßt.

Die hierzu verwendete Steuerung sei nachstehend erläutert.

Wie eingangs bereits erläutert, ermöglicht der SGRM durch Steuerung mit einer frequenzvariablen m-phasigen Spannung eine schnelle und sehr genaue Einstellung seines bewegten Organs, wofür ein für sich bekannter Frequenzwandler ausreichen­ der Leistung verwendet wird. Je nach angelegter Frequenz der m-phasigen Span­ nung erzeugt der Stator 11 des SGRM 5 ein Drehfeld, das aufgrund der bekann­ ten Eigenschaften des Ankers 4 des SGRM 5 (Reluktanzprinzip) diesem eine definierte Axialbewegung aufzwingt. Mit Stillstand des Drehfeldes (Frequenz Null) wird der Anker 4 in der betreffenden erreichten Inge festgehalten. Die in Fig. 2 für diese Steuerung des SGRM 5 vorgesehenen Organe sind der Frequenzwand­ ler 19, der über die bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehenen drei Zuleitungen 20 eine entsprechende Dreiphasenspannung bestimmter Frequenz den Wicklungen 12 des Stators 11 zuführt. Der Frequenzwandler 19 erhält die für ihn erforderliche Energie von dem Netzgerät 21. Die von dem Frequenzwandler 19 jeweils ab­ zugebende Frequenz wird digital von dem Rechner 22 vorgegebenen, der je nach Schweißbolzen, Werkstück und sonstigen Bedingungen programmierbar ist und an den Frequenzwandler 19 digitale Signale überträgt, durch die in gesteuerter Folge die von Frequenzwandler 19 abzugebenden Frequenzen eingestellt werden. Bei dieser Steuerung eines Frequenzwandlers mittels eines Rechners handelt es sich um eine bekannte Technik. Je nach Programmierung des Rechners 22 sorgt dieser dafür, daß dann der Schweißbolzen 2 für den Schweißvorgang die richtigen Bewe­ gungen mit gewünschter Länge und erforderlicher Geschwindigkeit ausführt.

Die in der Fig. 2 dargestellte Bolzenschweißvorrichtung enthält prinzipiell die gleichen Bauteile wie die Bolzenschweißvorrichtung gemäß Fig. 1. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist allerdings der Stator 11 als das bewegte Organ ausgebildet, da der Anker 4 an seiner dem Bolzenhalter 3 abgewandten Seite über den Flansch 15 an dem Gestell 23 befestigt ist. Der Anker 4 wirkt somit als Halterung der Bolzenschweißvorrichtung. Den Anschlag für die Bewegung des Stators 11 bildet hier der nach innen gezogene Flansch 24 am Ende des Gehäuses 10, der sich bei der Bewegung des Gehäuses 10 mit diesen mitbewegt und in der Ruhelage gegen die Stirnseite 29 des unbeweglich angeordneten Ankers 4 anliegt. In dieser Ruhelage muß die Feder 26 das Gehäuse 10 mit dem Stator 11 gegen diesen so gebildeten Anschlag ziehen, d. h. die Feder 26 ist eine Zug­ feder, die am Flansch 15 hinter die Haken 27 und an der radialen Wand 16 hinter die Haken 28 eingehängt ist.

Bei entsprechender Ansteuerung des Stators 11, die in diesem Falle über flexible Zuleitungen zu erfolgen hat, wird der Stator 11 mit dem Gehäuse 10 in Richtung auf das Werkstück 1 bewegt.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Bolzenhalter 3 an dem nach innen gezogenen Flansch 24 befestigt, und zwar über das Aufnahme­ teil 7, das mit dem nach innen gezogenen Flansch 24 fest verbunden ist. Wenn der Stator 11 aufgrund entsprechender Steuerung seiner Wicklungen 12 sich in Richtung auf das Werkstück 1 bewegt, dann ergibt sich eine Verschiebung, die in der Fig. 2 durch die punktierten Linien angedeutet ist.

Bezüglich der sonstigen Funktion und der Steuerung des SGRM 5 gemäß Fig. 2 kann auf die entsprechenden Erläuterungen zur Fig. 1 verwiesen werden. Der SGRM 5 gemäß Fig. 2 wird in der gleichen Weise und mit den gleichen Bauele­ menten gesteuert, wie dies im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert ist.

Claims (5)

1. Bolzenschweißvorrichtung mit einem einstellbaren Linearmotor als Stellorgan zur axialen Verschiebung eines Verstellgliedes, dessen Bewegung auf einen Bolzenhalter (3) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstell­ glied direkt durch das bewegte Organ (4, 11) eines Schraubengewindereluktanz motors (SGRM) (5) gebildet ist, das in rotationssymmetrischem Aufbau den Bolzenhalter (3) trägt, während das nichtbewegte Organ (11, 4) die Halterung der Bolzenschweißvorrichtung bildet.

2. Bolzenschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Organ durch den innerhalb des Stators (11) angeordneten, stößelartig gestalteten Anker (4) und die Halterung durch den Stator (11) des SGRM gebildet ist.

3. Bolzenschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Organ durch den Stator (11) und die Halterung durch die dem Bolzenhalter (3) abgewandte Seite des Ankers (4) des SGRM gebildet ist.

4. Bolzenschweißvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4) als Hohlwelle ausgebildet ist.

5. Bolzenschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das bewegte Organ (4, 11) in seiner Ruhelage unter der Span­ nung einer Feder (14, 26) gegen einen mit der Halterung verbundenen An­ schlag (18, 29) anliegt.