DE4224274C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung der Eintauchgeschwindigkeit (Schweißhubgeschwindigkeit) beim Anschweißen von Schweißbolzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Eintauchgeschwindigkeit beim Anschweißen von Schweiß­ bolzen oder dergleichen Bauteilen im Wege des Konden­ satorentladungsschweißverfahrens mit Spitzenzündung, wobei der Schweißbolzen von einem geführten Bolzenhalter gehalten und von diesem pneumatisch betätigt in die Schweißstelle eingetaucht wird.

Beim Verschweißen von Schweißbolzen mittels des soge­ nannten Kondensatorentladungsschweißens mit Spitzen­ zündung (Graham-Verfahren) ist es notwendig, je nach Werkstoff unterschiedliche Eintauchgeschwindigkeiten des Bolzens in das Schmelzbad einzustellen. Bei statio­ nären Schweißanlagen wird diese Eintauchgeschwindig­ keit einmal fest eingestellt und dann während des viel­ fach ablaufenden Schweißvorganges nicht mehr verändert. Auf diese Weise lassen sich bei stationären Anlagen gute Schweißergebnisse erzielen. Sofern jedoch der Schweißkopf der Schweißanlage nicht an einer stationären Anlage, sondern an einen Robuter gekoppelt ist, der an unterschiedliche Schweißpunkte Schweißbolzen zuführen und anschweißen kann, so ist dann, wenn diese unter­ schiedlichen Punkte sich in unterschiedlichen Winkeln im Raum befinden, eine Änderung der Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Winkel die Folge. Dies ist darin begründet, daß die Erdanziehungskraft (Schwerkraft) auf die Funktionseinheit: Bolzen, Bolzenhalter und Führungselement je nach dem entsprechenden räumlichen Winkel dieser Funktionseinheit unterschiedlich Wirkung zeigt. Demzufolge werden völlig unterschiedliche Ein­ tauchgeschwindigkeiten erreicht, je nachdem, ob der Bolzen in Richtung der Erdschwere der Schweißstelle zugeführt wird oder beispielsweise entgegen der Erd­ schwere einer Schweißstelle zugeführt werden soll.

Eine derartige Bolzenschweißvorrichtung ist aus der DE 39 29 668 A1 bekannt. Dort ist der Bolzen mit dem Bolzenhalter und dem Stößel mittels eines pneumatischen Arbeitszylinders von dem Werkstück abhebbar und in eine Arbeitslage (Grundstellung) zuführbar. Zum eigentlichen Schweißvorgang wird dann der Bolzen mittels eines Elektromagneten unter Zündung eines Lichtbogens abgehoben, um dann mittels der Kraft, die durch den Luftdruck auf den Kolben des Pneumatikzylinders einwirkt, in das Schweißbad zurück geführt zu werden. Dort wird als besonderer Vorteil herausgestellt, daß der pneumatische Arbeitszylinder mit konstantem Druck beaufschlagt ist, der in jeder Stellung des Kolbens wirkt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. mit der auch bei relativ zur Erdschwere unterschiedlichen Zuführwinkeln des Bolzens zur Schweißstelle die gewünschte gleiche konstante Eintauchgeschwindigkeit erreichbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Schweißbolzen samt Bolzenhalter als Bestandteil eines Schweißroboters oder einer 3-Achsen CNC-Maschine der Schweißstelle alternativ in unterschiedlichen Raumwinkeln zugeführt und der Schweißbolzen in diese mit konstanter Geschwindigkeit eingetaucht wird, wobei die Eintauchgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Eintauchrichtung relativ zur Richtung der Erdanziehungskraft dadurch konstant gehalten wird, daß in Abhängigkeit von der relativen räumlichen Winkellager der Eintauchrichtung das pneumatische Medium mit unterschiedlichem Druck und/oder mit entsprechend gedrosselter Abluft zu- bzw. abgeführt wird.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens, bestehend aus einem Schweißroboter oder einer 3-Achsen CNC-Maschine mit mit Drehschweißkopf und einem an diesem oder mit diesem drehbar oder schwenkbar ge­ führten, längsverschiebbaren Bolzenhalter mit stirn­ seitiger Schweißbolzenaufnahme ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Stellglied für die Längsverschiebung des Bolzenhalters ein pneumatischer Arbeitszylinder gestellfest, insbesondere am Roboter, gehaltert ist, daß in die Druckluftzufuhrleitung des Stellgliedes ein Regelventil, insbesondere ein Proportionaldruckregel­ ventil eingeschaltet ist, dessen Öffnungsgrad von einem angekoppelten Sollwertgeber nebst Ansteuerelektronik bestimmt ist, mittels derer die relative Winkelstellung des Bolzenhalters bzw. dessen Stellrichtung erfaßbar ist und mittels derer dieser Winkelstellung ein bestimmten Druck zuordnet, und zwar unter Bezugnahme auf die Richtung der Erdanziehungskraft relativ zur Stellrichtung des Bolzenhalters, und/oder daß an den Abluftausgang des Arbeitszylinders ein in Abhängigkeit von der Stellrichtung des Bolzenhalters motorisch einstellbares Drosselventil oder mehrere alternativ schaltbare Drosselventile mit unterschiedlichem Drosselquerschnitt angeschlossen sind, so daß die Stellgeschwindigkeit des Bolzenhalters und damit die Eintauchgeschwindigkeit des von diesem gehaltenen Schweißbolzens unabhängig von der Stellrichtung relativ zur Erdschwere mindestens im wesentlichen konstant ist.

Das Verfahren und die Vorrichtung betrifft grundsätzlich pneumatisch betriebene Schweißköpfe. Ein solcher Schweiß­ kopf weist einen pneumatischen Arbeitszylinder auf, der über eine Kupplung für eine Führungswelle für den Bolzenhalter verbunden ist, wobei der Bolzenhalter stirn­ seitig eine Bolzenaufnahme aufweist. Dieser Bolzenkopf ist an dem entsprechenden Schweißroboter befestigt und kann durch diesen in beliebige Stellungen bewegt werden. Dadurch, daß in Abhängigkeit von der relativen Eintauch­ richtung des Schweißbolzens, also abhängig von der rela­ tiven Stellrichtung des Bolzenhalters der Druck des pneumatischen Mediums erhöht oder abgesenkt wird je nachdem, ob die Eintauchrichtung in Richtung der Erd­ schwere oder entgegen der Erdschwere verläuft. Alter­ nativ oder zusätzlich kann auch die Abluft des pneuma­ tischen Elementes in Abhängigkeit von der relativen Winkellage der Eintauchrichtung gedrosselt werden, um die gewünschte konstante Eintauchgeschwindigkeit unab­ hängig von der Bewegungsrichtung zu erreichen.

Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, daß dem Arbeitszylinder eingangsseitig ein Proportional­ druckregelventil vorgeschaltet ist, welches über einen Sollwertgeber und eine Ansteuerelektronik betätigbar ist, wobei der Sollwertgeber jeder Winkelstellung der Stellrichtung des Bolzenhalters einen bestimmten Druck zuordnet und über die Ansteuerelektronik das Pro­ portionaldruckregelventil entsprechend einstellt.

Bei einer solchen Ausbildung ist dem Eingang des pneu­ matischen Arbeitszylinders ein Proportionaldruckregel­ ventil vorgeschaltet, welches über eine Ansteuerelek­ tronik betätigt ist, die wiederum mit einem Sollwert­ geber gekoppelt ist. Mittels des Sollwertgebers wird die relative Winkelstellung der Stellrichtung des Bolzen­ halters erfaßt und jeder Winkelstellung ein bestimmter Druck zugeordnet, der dann über die Ansteuerelektronik im Proportionaldruckregelventil eingestellt wird und mit dem der Arbeitszylinder dann beaufschlagt wird. Hierdurch ist es möglich, die Kolbenkraft des pneu­ matischen Arbeitszylinders jeweils der auf die bewegte Masse (Führung, Bolzenhalter, Bolzen) wirkenden Erd­ beschleunigungskraft anzugleichen, so daß im Ergebnis für jeden Schweißpunkt die gleiche konstante Ein­ tauchgeschwindigkeit des Bolzens in das Schmelzbad zu erreichen ist.

Eine Alternative, die auch zusätzlich zu den vorbe­ schriebenen Maßnahmen vorgesehen sein kann, wird darin gesehen, daß dem Arbeitszylinder ausgangsseitig mehrere Drosselventile mit nachgeschalteten, insbesondere elektromagnetischen Schaltventilen nachgeschaltet sind, wobei die Drosselventile in Abhängigkeit von der relativen Stellrichtung des Bolzenhalters betätigbar sind, insbesondere über ein diese Winkelstellung erfassendes Organ betätigbar sind.

Diese Ausbildung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn nur eine begrenzte Anzahl von Winkelstellungen auftreten. Dieser begrenzten Anzahl von Winkelstellungen entsprechend kann jeder Winkelstellung ein entsprechendes Drosselventil mit elektromagnetischem Schaltventil zuge­ ordnet werden. In Abhängigkeit von der relativen Winkel­ stellung wird die Abluft des Pneumatikzylinders dann über das der Winkelstellung zugeordnete Drosselventil gedrosselt, so daß bei konstantem Eingangsdruck die Durchflußmenge der Abluft verändert wird, was zu einer Beeinflussung der Kolbengeschwindigkeit und damit zu einer Beeinflussung der Eintauchgeschwindigkeit des Schweißbolzens in das Schmelzbad führt. Auch auf diese Weise ist es möglich, für jeden Schweißpunkt der unter­ schiedlichen Winkelstellungen die gleiche konstante Eintauchgeschwindigkeit zu erreichen.

Eine weitere Variante, die auch zusätzlich zu den vor­ beschriebenen Maßnahmen vorgesehen sein kann, wird darin gesehen, daß dem Arbeitszylinder ausgangsseitig ein einstellbares Drosselventil mit Stellmotor nachgeschaltet ist, wobei der Stellmotor über ein die relative Winkel­ stellung des Bolzenhalters erfassendes Organ steuerbar ist.

Bei dieser Ausbildung wird die relative Winkelstellung der Zuführrichtung des Bolzenhalters mittels eines ent­ sprechenden Stellorganes erfaßt und jeder Winkelstellung wird eine bestimmte Durchflußmenge am Drosselventil zugeordnet, auf welche das Drosselventil mittels des Stellmotores eingestellt wird. Auf diese Weise ist es wiederum möglich, die Eintauchgeschwindigkeit für alle Winkelstellungen gleich groß und konstant zu halten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung gezeigt und im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Schweißkopfes;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform zur Konstanthaltung der Eintauchgeschwindigkeit;

Fig. 3 und 4 zwei weitere Varianten in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist ein pneumatischer Arbeitszylinder 1 gezeigt, der über eine Kupplung 2 mit einer Führungs­ welle 3 verbunden ist, die in einer Führung 4 gestell­ fest gehaltert ist. Mit der Führungswelle 3 gekoppelt ist ein Bolzenhalter 4, der stirnseitig einen Schweiß­ bolzen 5 mit einer Zündspitze 6 haltert. Dies gesamte Aggregat gemäß Fig. 1 ist als Schweißkopf zu be­ zeichnen, wobei dieser Schweißkopf Bestandteil eines Schweißroboters ist, mittels dessen der Schweißkopf gedreht geschwenkt und linear bewegt werden kann, so daß der Schweißkopf beliebig räumlich angeordneten Schweißstellen zuführbar ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist dem Arbeitszylinder 1 eingangsseitig ein Proportionaldruckregelventil 7 vorgeschaltet, welches über eine Ansteuerelektronik 8 steuerbar ist, die wieder mit einem Sollwertgeber 9 gekoppelt ist. Mittels des Sollwertgebers 9 wird die relative Winkelstellung der Stellrichtung des Bolzenhalters 4 erfaßt und einem be­ stimmten Druckwert zugeordnet. Über die Ansteuerelektronik 8 wird dieser Druckwert am Proportio­ naldruckregelventil 7 eingestellt und der Arbeitszylinder 1 mit diesem Druck eingangsseitig beaufschlagt. Die Abluft strömt dabei bei 10 ungedrosselt aus dem Arbeits­ zylinder 1 aus.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind dem Arbeits­ zylinder 2, dessen Drucklufteingang bei 11 bezeichnet ist, ausgangsseitig mehrere Drosselventile 12 mit unter­ schiedlicher Drosselcharakteristik nachgeordnet. Diese Drosselventile 12 sind jeweils einer bestimmten Winkel­ stellung der Stellrichtung des Bolzenhalters 4 zuge­ ordnet, so daß bei der entsprechenden eingestellten Winkelstellung das zutreffende Drosselventil 12 geöffnet wird, und zwar durch Betätigung eines elektromagnetischen Schaltventiles 13. Damit kann die Abluft 10 mehr oder weniger gedrosselt entsprechend der Winkelstellung der Stellrichtung des Bolzenhalters 4 aus dem Arbeitszylinder 2 entweichen, so daß eine entsprechende konstante, der relativen Winkelstellung angepaßte Bewegung des pneuma­ tischen Stellelementes erreicht ist.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist an den Arbeitszylinder 2 ausgangsseitig ein einstellbares Drosselventil 14 angeschlossen, über welches die Abluft aus dem Arbeitszylinder 2 entweichen kann. Je nach Winkelstellung der Stellrichtung des Bolzenhalters 4 wird die Durchflußmenge am Drosselventil über einen mit dem Drosselventil 14 gekoppelten Stellmotor 15 ein­ gestellt. Der Stellmotor 15 wird dabei über eine An­ steuerelektronik 16 betätigt, die wiederum mit einem Sollwertgeber gekoppelt ist, der die relative Winkel­ stellung der Stellrichtung des Bolzenhalters 4 erfaßt und ein entsprechendes Signal an die Ansteuerelektronik 16 übermittelt, damit über diese der Stellmotor 15 be­ tätigt werden kann.

Mit allen gezeigten Lösungsvarianten ist es möglich, die Eintauchgeschwindigkeit des Schweißbolzens in das Schmelzbad gleich und konstant zu halten, ganz unab­ hängig von der relativen Winkelstellung der Stellrich­ tung des Bolzenhalters, also der Zuführrichtung des Schweißbolzens zu der entsprechenden Schweißstelle.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Claims (5)

1. Verfahren zur Einstellung der Eintauchgeschwindigkeit beim Anschweißen von Bauteilen mit Zündspitze, insbesondere Schweißbolzen im Wege des Kondensatorentladungsschweißver­ fahrens mit Spitzenzündung, wobei der Schweißbolzen von einem geführten Bolzenhalter gehalten und von diesem pneumatisch betätigt in die Schweißstelle eingetaucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbolzen samt Bolzenhalter als Bestandteil eines Schweißroboters oder einer 3-Achsen CNC-Maschine mit Drehschweißkopf der Schweißstelle alternativ in unterschiedlichen Raumwinkeln zugeführt und der Schweißbolzen in diese mit konstanter Geschwindig­ keit eingetaucht wird, wobei die Eintauchgeschwindig­ keit in Abhängigkeit von der Eintauchrichtung relativ zur Richtung der Erdanziehungskraft dadurch konstant gehalten wird, daß in Abhängigkeit von der relativen räumlichen Winkellage der Eintauchrichtung das pneu­ matische Medium mit unterschiedlichem Druck und/oder mit entsprechend gedrosselter Abluft zu- bzw. abge­ führt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Schweißroboter oder einer 3-Achsen CNC-Maschine mit Drehschweißkopf und einem an diesem oder mit diesem drehbar oder schwenk­ bar geführten, längsverschiebbaren Bolzenhalter mit stirnseitiger Schweißbolzenaufnahme, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Stellglied für die Längsverschiebung des Bolzenhalters (4) ein pneumatischer Arbeitszylin­ der (1) gestellfest ge­ haltert ist, daß in die Druckluftzufuhrleitung (11) des Stellgliedes ein Regelventil (7), eingeschaltet ist, dessen Öffnungsgrad von einem angekoppelten Soll­ wertgeber (9) nebst Ansteuerelektronik (8) bestimmt ist, mittels derer die relative Winkelstellung des Bolzenhalters (4) in Bezug auf die Richtung der Erdanziehungskraft erfaßbar ist und mittels derer dieser Winkelstellung ein bestimmter Druck zugeordnet wird, und/oder daß an den Abluftausgang (10) des Arbeitszylinders (1) ein in Abhängigkeit von der relativen Winkelstellung des Bolzenhalters (4) motorisch einstellbares Drosselventil (14) oder mehrere alter­ nativ schaltbare Drosselventile (12) mit unterschied­ lichem Drosselquerschnitt angeschlossen sind, so daß die Stellgeschwindigkeit des Bolzenhalters (4) und damit die Eintauchgeschwindigkeit des von diesem gehaltenen Schweißbolzens (5) unabhängig von seiner relativen Winkelstellung konstant ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitszylinder (1) eingangsseitig ein Propor­ tionaldruckregelventil (7) vorgeschaltet ist, welches über den Sollwertgeber (9) und die Ansteuerelek­ tronik (8) betätigbar ist, wobei der Sollwertgeber (9) jeder relativen Winkelstellung des Bolzen­ halters (4) einen bestimmten Druck zuordnet und über die Ansteuerelektronik (8) das Proportionaldruck­ regelventil (7) entsprechend einstellt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Arbeitszylinder (1) ausgangsseitig mehrere Drosselventile (12) mit nachgeschalteten Schaltventilen (13) nachgeschaltet sind, wobei die Drosselventile (12) in Abhängigkeit von der relativen Winkelstellung des Bolzenhalters (4) betätigbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitszylinder (1) ausgangs­ seitig ein einstellbares Drosselventil (14) mit Stell­ motor (15) nachgeschaltet ist, wobei der Stellmotor (15) über ein die relative Winkelstellung des Bolzen­ halters (4) erfassendes Organ (z. B. 16) steuerbar ist.