DE4305364C1

DE4305364C1 - Schweißzange

Info

Publication number: DE4305364C1
Application number: DE19934305364
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Schlattl Werner Bavaria Tech
Current assignee: Schlattl Werner Bavaria Tech
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2013-02-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißzange, insbe sondere Punktschweißzange gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Punktschweißzangen sind bekannt (DE 36 05 763 C2) und werden in der Industrie und hier vor allem in der Fahrzeugindustrie, im Karosseriebau oder dergl. umfangreich eingesetzt, ins besondere auch als Schweißzangen für Schweiß-Roboter. Durch eine Betätigungseinrichtung, die als Stellglied beispiels weise einen Pneumatik-Zylinder oder auch einen Hydraulik- Zylinder (auch Wasser-Hydraulik) aufweist, sind die Elek troden einer solchen Schweißzange aufeinander zu sowie voneinander weg bewegbar, und zwar zwischen einer Ausgangs position, in der die Elektroden einen größeren Abstand voneinander aufweisen, und einer Schweißposition (geschlos senen Schweißzange), in der die Elektroden gegen das in der Regel von Blechen gebildete Schweißgut angepreßt anliegen, und zwar mit einer Kraft, die auch als "Elektrodenkraft" bezeichnet wird. Die Elektroden sind dabei an Schweißzangen elementen, d. h. in der Regel an jeweils einem Ende einer sogenannten Pinole vorgesehen, und zwar beispielsweise mit Polkappen. Die Pinolen sind relativ zueinander bewegbar bzw. schwenkbar, wofür diese Pinolen in der Regel an einem Ende eines Pinolenhalters vorgesehen sind. Die beiden Pinolen halter sind über ein Schwenklager miteinander verbunden.

Die Qualität eines Schweißpunktes beim Punktschweißen wird im wesentlichen von drei Schweiß-Parametern bestimmt, nämlich vom Schweißstrom, von der Schweißzeit und der Elektroden kraft. Der Schweißstrom, aber auch noch die Schweißzeit lassen sich mit herkömmlichen Mitteln steuern und/oder überwachen. Bei bisher bekannten Punktschweißzangen ist es aber weder möglich, die tatsächliche Elektrodenkraft während des Schweißvorganges, d. h. insbesondere während der Zeit nach dem Schließen der Schweißzange bis zum Wiederöffnen dieser Schweißzange zu erfassen, noch ist es möglich, den Schweiß vorgang in Abhängigkeit von der gemessenen Elektrodenkraft zu steuern, zumal die tatsächlich anliegende Elektrodenkraft durch zahlreiche Fehler in der Mechanik der betreffenden Schweißzange, beispielsweise fehlerhafte Pinolenhalter, überalterte Pinolen, defekte Lager für die Pinolenhalter und defekte Betätigungseinrichtung usw. beeinflußt wird.

Ist die Elektrodenkraft während der eigentlichen Schweißphase (bei eingeschaltetem Schweißstrom) zu hoch, so führt dies dazu, daß das Material des Schweißgutes in den Spalt zwischen dieses Schweißgut gedrückt wird, sich also bei zu kleinem Schweißpunkt auch eine zu große Spaltbreite ergibt. Die Festigkeit des betreffenden Schweißpunktes ist unzureichend. Das Schweißgut wird durch die Schweißzange in unzulässiger Weise verformt und es tritt ein starker Elektrodenverschleiß auf.

Ist die Schweißkraft zu niedrig, so tritt ein inneres Spritzen des verflüssigten Schweißgutes ein, d. h. die unter hohem Druck stehende Schmelze des Schweißgutes spritzt in die Fuge zwischen dem Schweißgut. Der Schweißpunkt selbst weicht von der erwünschten runden Form ab. Das Schweißgut und die Elektroden legieren an, das Schweißgut verfärbt sich und der Schweißstrom ist nicht in der gewünschten Weise auf den Schweißpunkt konzentriert, sondern fließt über Nebenschlüsse. Insgesamt ergeben sich bei zu niedriger Schweißkraft eben falls eine mangelhafte Qualität für den Schweißpunkt sowie ein starker Elektrodenverschleiß.

Bekannt ist eine elektrische Schweißzange (DE 38 33 287 A1) mit einer zangenartigen Spann- bzw. Klemmeinrichtung, welche aus zwei gelenkig miteinander verbundenen und durch eine Betätigungseinrichtung relativ zueinander schwenkbaren Spann- oder Klemmarmen besteht, sowie mit zwei, jeweils eine Elektrode aufweisenden Elektrodenarmen, die zangenartig schwenkbar miteinander verbunden sind, und zwar die gleiche Schwenkachse wie die beiden Klemmarme. Zwischen jedem Klemmarm und einem Elektrodenarm ist jeweils eine Druckfeder derart vorgesehen, daß beim Schweißen bzw. beim Schließen der Schweißzange durch Betätigungseinrichtung zunächst die beiden Klemmarme das Schweißgut zwischen sich festklemmen und dann anschießend die Elektroden gegen das Schweißgut zur Anlage kommen, und zwar mit einer Kraft, die durch die Druckfedern bestimmt ist, die im Bereich der den Elektroden entfernt liegenden und miteinander gelenkig verbundenen Enden der Elektrodenarme angreifen. Angestrebt ist eine möglichst konstante, allein durch die Druckfedern bestimmte und von der Betätigungseinrichtung unabhängige Elektrodenkraft nach dem Schließen der Zange bzw. nach dem Anliegen der Klemmarme gegen das Schweißgut. An dem Angriffspunkten der Druckfedern, die (Angriffspunkte) sich im Bereich der den Elektroden entfernt liegenden und miteinander gelenkig verbundenen Enden der Elektrodenarme und damit weit entfernt von den Elektroden und dem jeweiligen Schweißpunkt befinden, ist ein piezo-elek trischer Druckmesser vorgesehen, mit der die während des Schweißvorganges die von den Federn entwickelte Kraft erfaßt wird. Die Klemmarme, die Anlenkung der Pinolen an diesen Klemmarmen sowie die zwischen den Klemmarmen und den Pinolen wirkenden Druckfedern bedingen einen nicht unerheblichen konstruktiven Aufwand.

Bekannt ist weiterhin eine Schweißvorrichtung (DE 33 20 237 A1), bei der u. a. auch vorgesehen ist, zur Messung der Elektrodenkraft an einem unteren, eine Elektrode tragenden Arm der Schweißvorrichtung eine Dehnungsmeßstreifen-Brücken schaltung vorzusehen. Eine kontinuierliche, störungsfreie Messung der Elektrodenkraft ist bei dieser bekannten Schweiß vorrichtung nicht möglich, und zwar allein schon wegen der extrem großen elektromagnetischen Störfelder, die aus dem hohen Schweißstrom resultieren und hohe Störspannungen an der Dehnungsmeßstreifen-Brückenschaltung sowie in den elek trischen Verbindungsleitungen zur Auswertelektronik indu zieren. Es ist daher bei dieser bekannten Vorrichtung vorgesehen, die von dem Sensor gelieferten Meßsignale nur zu bestimmten Zeitpunkten zu erfassen, an denen Störungen durch das vom Schweißstrom erzeugte elektromagnetische Feld weniger zu erwarten sind.

Bekannt ist weiterhin eine Schweißvorrichtung zum elek trischen Widerstandspunktschweißen (DE 32 41 897 C2), bei einer eine die Schweißelektroden aufweisende Elektrodenhalteran ordnung aus einem unteren, festen Elektrodenhalter und aus einem oberen, beweglichen Elektrodenhalter besteht und die Elektroden jeweils an einem Ende jedes Elektrodenhalters vorgesehen sind. Auf den oberen, beweglichen Elektrodenhalter wirkt zur Erzeugung der Elektrodenkraft über eine Druckfeder der Stempel einer äußeren Betätigungseinrichtung ein. Zwischen der Feder und dem Stempel ist eine Dehnungsmeß streifen-Kraftmeßdose vorgesehen, mit der die Kraft der Feder und somit die auf das Schweißgut ausgeübte Anpreßkraft ermittelt werden.

Bekannt ist auch eine Schweißvorrichtung zum Widerstands punktschweißen, bei der an einem Vorrichtungsgestell fest ein unterer, ortsfester Elektrodenhalter und an einem Tragarm, der über Biegebalken mit dem Vorrichtungsgestell verbunden ist, ein oberer Elektrodenhalter vorgesehen sind, der durch eine Betätigungseinrichtung zur Erzeugung der Elektrodenkraft relativ zu dem oberen Tragarm in vertikaler Richtung bewegbar ist. Durch Dehnungsmeßstreifen wird die beim Schweißen auftretende Verformung der Biegebalken erfaßt.

Nachteilig bei den bekannten Schweißvorrichtungen ist u. a., daß die Elektrodenhalter ortsfest an einem Maschinengestell vorgesehen sind, wobei lediglich ein Elektrodenhalter relativ zu dem anderen Elektrodenhalter in einer vertikalen Ebene bewegbar ist. Diese Schweißvorrichtungen sind also nicht als Schweißroboter brauchbar, wie sie insbesondere in der Fahrzeugindustrie bzw. im Karosseriebau benötigt werden.

Nachteilig ist aber bei allen bekannten Schweißzangen und Schweißvorrichtungen, daß nur dann, wenn die piezo-elek trischen Sensoren, die Druckmeßdosen oder die Dehnungsmeß streifen in einem ganz erheblichen Abstand von der Schweiß stelle und auch mit großem Abstand vom Strompfad des Schweiß stromes angeordnet sind, sich Beeinflussungen des jeweiligen Sensors durch elektromagnetische Felder vermeiden lassen.

Durch die Anordnung des jeweiligen Sensors im Abstand von der Schweißstelle ergeben sich aber erhebliche Verfälschungen im Meßergebnis. Insbesondere können auch dynamische Änderungen der Schweißkraft, die während des Schweißvorganges bzw. während des Schweißstromes auftreten, nicht erfaßt werden.

Bekannt ist weiterhin eine Meßeinrichtung zur Überwachung der Dehnung eines Bauteils, nämlich eines Brückenbauteils (DE 39 02 997 C1), bei der (Einrichtung) die Dehnung mittels eines Lichtwellenleiters erfaßt wird, der in einem Gehäuse der Meßeinrichtung derart vorgesehen ist, daß bei Dehnung eine Veränderung des Biegeradius an dem eine Schlaufe bildenden Lichtwellenleiter eintritt. Eine Verwendung dieser Meßeinrichtung bei einer Schweißzange ist nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schweißzange aufzuzeigen, bei der die tatsächliche, an den Elektroden anstehende Elektrodenkraft kontinuierlich, d. h. zu jedem Zeitpunkt während des Schweißvorgangs, insbesondere auch während der eigentlichen Schweißphase bzw. Schweißzeit störungsfrei und mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schweißzange entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Mit der Erfindung ist bei geringem konstruktiven und ver fahrenstechnischen Aufwand erreicht, daß zu jedem Zeitpunkt des Schweißvorganges die anstehende Elektrodenkraft exakt gemessen und aufgrund dieses Meßergebnisses der Schweißvor gang überwacht und/oder gesteuert werden kann. Weiterhin ist es auch möglich, aufgrund der gemessenen Elektrodenkraft den jeweiligen Schweißpunkt bzw. dessen Qualität zu beurteilen und aufgrund dieser Beurteilung zu entscheiden, ob ggf. ein weiterer, benachbarter Schweißpunkt erforderlich ist und/oder ob ggf. auf einen oder mehrere vorgegebene Schweißpunkte verzichtet werden kann usw. Diese Beurteilung der Güte eines Schweißpunktes aufgrund der gemessenen Elektrodenkraft und die weiteren, aufgrund dieser Beurteilung sich ergebenden Entscheidungen bzw. Steuerungen werden bevorzugt in einer elektronischen Steuereinrichtung nach einem vorgegebenen Programm durchgeführt. Weiterhin ist es auch möglich, für jeden Schweißpunkt im Verlauf der Elektrodenkraft für spätere Auswertungen, Überprüfungen usw. aufzuzeichnen.

Die beim Schweißen am Schweißzangenelement auftretende Verformung ist eine Biegung, die einen extrem großen Biege radius besitzt und sich an der Außenfläche des Schweißzangen elementes als äußerst kleine elastische Dehnung darstellt. Durch die voneinander und auch von der Ebene der Lichtstrecke beabstandeten Halte- und Anlagebereiche, mit denen das Sensorelement am Schweißzangenelement angreift, wird diese minimale Dehnung in eine Biegung des Tragteils und damit in eine das Meßsignal bewirkende Verformung der Lichtstrecke umgesetzt.

Bei der Erfindung wird also ein opto-elektrischer Sensor zur Erfassung der Elektrodenkraft verwendet, dessen Wirkungsweise darauf beruht, daß die über die Lichtstrecke im Sensorelement übertragene Lichtmenge eine Funktion der mechanischen Verformung des Tragteils ist. Die Verbindung zwischen dem Sensorelement und der räumlich entfernten opto-elektrischen Einheit wird ausschließlich von den wenigstens zwei Licht leitern gebildet. Hierdurch ist das Sensorelement trotz seiner hohen Meßgenauigkeit und Meßempfindlichkeit, d. h. trotz der Möglichkeit, bereits geringfügige mechanische Änderungen zu erfassen, sowie trotz einer hohen Grenzfrequenz unempfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen, insbesondere gegenüber elektrischen Spannungs- und Magnetfeldern, gegen über elektromagnetischen Feldern, gegenüber hohen Temperaturen usw. Weiterhin läßt sich das Sensorelement robust herstellen, insbesondere auch so, daß es selbst bei größeren Stößen oder Schlägen nicht beschädigt wird.

Die Montage des Sensors an dem jeweiligen Schweißzangen element sowie die Abnahme des Sensors von diesem Schweiß zangenelement ist äußerst unproblematisch, so daß auch ein schnelles Auswechseln des Schweißzangenelementes ohne ein umständliche Justage des Sensors an einem neuen Schweiß zangenelement möglich ist.

Insbesondere besteht bei der Erfindung die Möglichkeit einer genauen Messung der Elektrodenkraft auch bei fließendem Schweißstrom und nicht nur bei fehlendem Schweißstrom bzw. beim Nulldurchgang des sich periodisch ändernden Schweiß stromes. Die Messung der Elektrodenkraft während des Schweiß stromes ist wesentlich, da die Elektrodenkraft bei vor handenem Schweißstrom und bei fehlendem Schweißstrom unter schiedlich ist und für die Überwachung und/oder Steuerung die Elektrodenkraft bei fließendem Schweißstrom interessiert.

Bei der Erfindung wird die Elektrodenkraft unmittelbar an dem Schweißzangenelement aufgrund der elastischen Verformung dieses Elementes während des Schweißvorganges erfaßt, ohne daß für die Messung eine zusätzliche Elastizität, beispiels weise in Form von Federn, Biegemeßbalken usw. vorgesehen werden müssen. Weiterhin kann das Sensorelement unmittelbar an der Schweißstelle oder an dem Strompfad für den Schweiß strom, d. h. an den Schweißstrom führenden Teilen der Schweiß zange vorgesehen werden. Eine Rücksichtnahme auf elektro magnetische Felder ist nicht erforderlich. Weiterhin ist für die Messung der Elektrodenkraft keine besondere Konstruktion der Pinole oder des Pinolenhalters erforderlich.

Da bei der Erfindung eine dynamische Messung der Elektroden kraft möglich ist, d. h. eine Messung der zeitlichen Än derungen der Elektrodenkraft, ist aufgrund des Meßergebnisses erstmals auch eine Aussage über die Qualität eines Schweiß punktes möglich.

Durch die hohe Meßgenauigkeit und Meßempfindlichkeit sowie durch die hohe Grenzfrequenz, die beispielsweise bei 10 kHz liegt, läßt sich der zeitliche Verlauf der Elektrodenkraft nach dem Schließen der Schweißzange während des Prellschlages genau erfassen. Es kann hierbei insbesondere auch festge stellt werden, ob dieser Prellschlag innerhalb einer vor gegebenen Zeitperiode beendet ist, sich die Mechanik der be treffenden Schweißzange also in einem ordnungsgemäßen Zustand befindet. Weiterhin kann der Verlauf der Elektrodenkraft während der anschließenden Vorhaltezeit gemessen und über wacht werden, und zwar insbesondere auch in Hinblick auf das Erreichen eines bestimmten Wertes der Elektrodenkraft, bei dem das Einschalten des eigentlichen Schweißstromes erfolgt. Weiterhin ist die Messung der Elektrodenkraft während der eigentlichen Schweißphase bzw. Schweißzeit möglich, wobei durch die hohe Meßempfindlichkeit und Meßgenauigkeit bei der erfindungsgemäßen Schweißzange sogar die durch den Übergang vom Alpha-Gitter in das Gamma-Gitter bedingte Volumenänderung und der hieraus resultierende Abfall der Elektrodenkraft während der Schweißphase festgestellt werden können sowie auch die Volumenänderung beim sogenannten "Nachschmieden" in der Nachhaltezeit. Hieraus ist nicht nur eine Beurteilung der Qualität des jeweiligen Schweißpunktes möglich, sondern auch eine optimale Steuerung der Schweißzeit, so daß mit der Erfindung u. a. auch eine Steigerung der Prozeßsicherheit sowie eine Taktoptimierung beim Schweißen erreichbar sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Blockdiagramm eine Ausführungsform des Sensors, zusammen mit einer opto-elektronischen Einheit;

Fig. 2 in vereinfachter Darstellung das Sensorelement des Sensors nach Fig. 1 an einer Punktschweißzange;

Fig. 3 in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht eine abgewandelte Ausführung;

Fig. 4 in vereinfachter Darstellung das Sensorelement der Fig. 3 in Seitenansicht und in seiner Befestigung an einem rohrartigen Meßobjekt;

Fig. 5 in vereinfachter perspektivischer Darstellung eine weitere abgewandelte Ausführung des Sensorelementes;

Fig. 6 in vereinfachter Darstellung das Sensorelement der Fig. 5 im Längsschnitt;

Fig. 7 das Sensorelement der Fig. 5 im Schnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 6;

Fig. 8 in schematischer Darstellung ein Elektrodenkraft-Zeit-Diagramm der Schweißzange;

Fig. 9 in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht einen Schweißplatz.

Fig. 2 zeigt eine Schweißzange 1 zum Punktschweißen zweier Bleche 18 und 19. Die Schweißzange besteht aus zwei Pinolen 20 und 21, die an jeweils einem Ende eines Pinolenhalters 20′ bzw. 21′ befestigt sind. Diese sind gelenkig über eine Gelenkstelle 22 und über Gelenkarme 23 und 24 miteinander verbunden sind. Die beiden Gelenkarme 23 und 24 sind jeweils zwischen den beiden Enden des zugehörigen Pinolenhalters 20′ bzw. 21′ befestigt. An einem Ende wirkt zwischen den Pinolen haltern 20′ und 21′ eine bei der dargestellten Ausführungs form von einem Pneumatik-Zylinder gebildete Betätigungsein richtung 25. An ihrem gekrümmten freien Ende sind die Pinolen mit Polkappen 26 und 27 versehen, die beim Punktschweißen die beiden Bleche 18 und 19 zwischen sich aufnehmen und durch die aktivierte Betätigungseinrichtung 25 mit vorgegebener Kraft gegen die Bleche 18 und 19 angepreßt anliegen. Über die jeweils als elektrische Leiter ausgebildeten Pinolenhalter 20′ und 21′ sowie Pinolen 20 und 21 und über die mit diesen elektrisch verbundenen Polkappen 26 und 27 wird der Schweiß-Strom zugeführt bzw. abgeführt.

Um einen Schweißpunkt zuverlässig herzustellen, müssen verschiedene Parameter eingehalten werden, so beispielsweise auch ein bestimmter Anpreßdruck für die Elektroden oder Polkappen 26 und 27 gegen die Bleche 18 und 19. Zur Über wachung und/oder Steuerung dieses Parameters ist an dem in der Fig. 2 unteren Pinolenhalter 21′ bzw. an der dortigen außenliegenden Fläche 2 ein Sensor 3 oder dessen Sensor element 4, 4′ oder 4′′ derart angebracht, daß mit diesem Sensorelement die beim Andrücken der Polkappen 26 und 27 gegen die Bleche 18 und 19 auftretende und von der Anpreß kraft abhängige elastische Biegung des Pinolenhalters 21′ und hieraus die Anpreßkraft ermittelt werden kann, die beispiels weise in einem Regelkreis als Sollwert mit einem vorgegebenen Istwert verglichen wird, um so die Betätigungseinrichtung 25 zu steuern oder zu regeln.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist das dortige Sensorelement 4 eine Trägerplatte 5, die an der Fläche 2 durch Löten, Kleben oder auf eine andere geeignete Weise flächig befestigt ist, sowie eine Hülse 6 auf, die an der dem Pinolenhalter 21′ abgewandten Oberflächenseite der beispielsweise einen rechteckförmigen Zuschnitt besitzenden Trägerplatte 5 derart gehalten ist, daß auf die Trägerplatte 5 übertragene mechanische Änderungen auch auf die Hülse 6 übertragen werden.

Die Hülse 6 besitzt eine durchgehende Bohrung 7 und ist bei der dargestellten Ausführungsform zumindest an der Innen fläche dieser Bohrung 7 lichtabsorbierend ausgeführt, und zwar beispielsweise durch eine entsprechende Farbgebung oder Schwärzung und/oder durch eine entsprechende Oberflächen strukturierung.

Der Sensor 3 besteht weiterhin aus zwei Lichtleitern 8 und 9, die jeweils wenigstens eine, das eigentliche lichtleitende Element bildende Glasfaser 8′′ bzw. 9′′ und eine äußere, vorzugsweise mehrschichtige Isolierung bzw. Ummantelung 8′′′ bzw. 9′′′ aufweisen. In die Bohrung 7 der Hülse 6 reicht von jedem Ende einer der beiden Lichtleiter 8 bzw. 9 mit seinem Glasfaserelement 8′′ bzw. 9′′ hinein, und zwar derart, daß sich die beiden Lichtleiter mit ihren dortigen Enden 8′ bzw. 9′ etwa in der Mitte der Hülse 6 bzw. deren Bohrung 7 mit einem vorgegebenen Abstand in Achsrichtung der Hülse 6 gegenüberliegen und somit zwischen den Enden 8′ und 9′ eine Lichtstrecke zwischen den Lichtleitern 8 und 9 in einem Luft- oder Gasraum gebildet ist. Der Außendurchmesser, den die Glasfaserelemente 8′′ und 9′′ zumindest an ihrer von der Hülse 6 umschlossenen Teillänge aufweisen, ist bei der dargestellten Ausführungsform minimal kleiner als der Durchmesser der Bohrung 7, so daß eine Bewegung der Licht leiter 8 und 9 bzw. der Glasfaserelemente 8′′ und 9′′ in der Bohrung 7 möglich ist. Gehalten sind die Lichtleiter 8 und 9 an der Trägerplatte 5 durch eine Verblockung bzw. Abdeckung 10, die beispielsweise aus Kunststoffharz (beispielsweise Epoxydharz) besteht und auch die Hülse 6 umschließt und diese Hülse an der Trägerplatte 5 festlegt, zumindest jedoch zur Befestigung der Hülse 6 an der Trägerplatte 5 mit beiträgt.

Die beiden Lichtleiter 8 und 9 bzw. deren Glasfaserelemente 8′′ und 9′′ sind in geeigneter Weise in der Hülse 6 gehalten und verbinden den Sensor 3 mit einer opto-elektronischen Einheit 11, die zusammen mit dem Sensor 3 eine Sensoran ordnung bildet. Die opto-elektronische Einheit besitzt eine Lichtquelle 12, an die der Lichtleiter 8 führt, sowie einen Lichtdetektor 13, an den der Lichtleiter 9 führt, so daß über den Lichtleiter 8 Licht der Lichtquelle 12 an den Sensor 3 geleitet wird und über den Lichtleiter 9 als Meßsignal Licht an den Lichtdetektor 13 gelangt, der ein von der Intensität dieses rückgeführten Lichtes abhängiges elektrisches Signal liefert. Dieses wird für die weitere Verwendung in einem Verstärker 14 verstärkt. Die Lichtquelle, die bevorzugt eine Leuchtdiode ist, der Lichtdetektor 13, der beispielsweise eine Fotodiode oder ein Fototransistor ist, sowie der Verstärker 14, der vorzugsweise ein integrierter Schaltkreis ist, sind Bestandteil der opto-elektronischen Einheit 11. Diese Einheit 11 weist bei der dargestellten Ausführungsform weiterhin eine Auswerteinheit 15 und einen Speicher 16 auf. Letztere können aber auch Bestandteil einer gesonderten Einheit, beispielsweise eines Rechners sein.

Dem Sensor 3 über den Lichtleiter 8 ein definierter Licht strom zugeführt. Dieser Lichtstrom tritt am Ende 8′ aus dem Lichtleiter 8 in die Bohrung 7 bzw. in die zwischen den beiden Enden 8′ und 9′ liegende Lichtstrecke aus. Zumindest ein Teil dieses Lichtstromes tritt am Ende 9′ in den Licht leiter 9 ein und wird dann über diesen an den Lichtdetektor 13 zurückgeführt, so daß am Ausgang des Lichtdetektors ein von der Intensität des rückgeführten Lichtstrom abhängiges Signal anliegt, welches dann zu einem am Ausgang der opto-elektronischen Einheit 11 bzw. am Ausgang der Auswert einheit 15 anstehenden Ausgangssignal führt.

Jede Biegung, Dehnung, Stauchung oder andere Veränderung der Fläche 2 wird über die Trägerplatte 5 auf die Befestigung der Lichtleiter 8 und 9 an der Trägerplatte 5 bzw. Hülse 6 übertragen und führt zu einer Änderung der relativen Lage der Enden 8′ und 9′ und damit auch zu einer Änderung der Inten sität des über den Lichtleiter 9 zurückgeführten Lichtstromes sowie zu einer Änderung des elektrischen Signals an dem Lichtdetektor 13. Der über den Lichtleiter 9 zurückgeführte Lichtstrom ist die Differenz aus dem über den Lichtleiter 8 zugeführten Lichtstrom und den Verlusten (Dämpfung), die in der Bohrung 7 der Hülse 6 bzw. in dem dort gebildeten Absorptionsraum insbesondere durch die Änderung der relativen Lage der Enden 8′ und 9′ entstehen, und zwar beispielsweise dadurch, daß in Abhängigkeit von der relativen Lage diese Enden ein unterschiedlich großer Querschnitt des aus dem Ende 8′ austretenden Lichtstromes auf das Ende 9′ auftritt.

Zur Erzielung einer bestimmten Charakteristik für den Sensor 4 bzw. für die Abhängigkeit zwischen der Verformung des Pinolenhalters 21′ an der Fläche 2 und der Größe des rückge führten Lichtstromes im Lichtleiter 9 kann das Ende 8′ und/oder das Ende 9′ in unterschiedlichster Weise gestaltet sein, beispielsweise mit einer Krümmung zur Erzielung eines Linseneffektes usw.

In der opto-elektronischen Einheit wird das vom Verstärker 14 verstärkte Signal des Lichtdetektors 13 ausgewertet, und zwar durch die Auswerteinheit 15 anhand einer Eichkurve, die beispielsweise für jeden Sensor 3 oder jedes Sensorelement 4 individuell nach Fertigung ermittelt und beispielsweise in dem Speicher 16 der Auswerteinheit 15 gespeichert wird, so daß sich eine besonders hohe Meßgenauigkeit mit dem Sensor 3 bzw. mit der diesen Sensor aufweisenden Sensoranordnung erzielen läßt. Bevorzugt ist die Auswerteinheit so ausge führt, daß in einem Analog-Digital-Wandler das vom Verstärker 14 gelieferte analoge Signal in ein digitales Signal umge wandelt wird, welches dann in der vorzugsweise eine Mikro prozessor enthaltenden Auswerteinheit 15 weiter verarbeitet bzw. ausgewertet wird. Die Eichkurve ist in diesem Fall bevorzugt als Datensatz in einem Speicher 16 der Auswert einheit 15 gespeichert.

Die Überwachung und/oder Steuerung des Schweißprozesses mit dem Sensor 3 werden weder durch die hohen Schweißströme, noch durch ein hierdurch bedingtes Magnetfeld, noch durch die auftretenden Temperaturen beeinträchtigt. Die elektrische Einheit 15 kann an einem Bereich vorgesehen werden, der einen genügend großen räumlichen Abstand von dem Schweißbereich besitzt.

Grundsätzlich ist es auch möglich, das Sensorelement 4 so auszubilden, daß beide Lichtleiter 8 und 9 von einer Seite dieses Sensorelementes wegführen, wobei dann im Sensorelement der über den Lichtleiter 8 zugeführte Lichtstrom mittels wenigstens einer im Sensorelement 4 angeordneten optischen Umlenkeinrichtung (Spiegel, Prisma usw.) umgelenkt wird. Diese Umlenkeinrichtung ist Bestandteil der Lichtstrecke oder außerhalb der Lichtstrecke vorgesehen.

Eine Ausführung eines Sensorelementes für die Schweißzange 1 mit einer Umlenkeinrichtung außerhalb der Lichtstrecke ist in der Fig. 3 gezeigt. Die Umlenkeinrichtung besteht hier aus einer gebogenen Länge 28 eines der beiden Lichtleiter, nämlich des Lichtleiters 8.

Die Hülse 6 ist bei dieser Ausführungsform leicht gebogen ist, d. h. die Achse der Hülse liegt auf einem Kreis mit großem Durchmesser, wobei die Achse dieses Kreises (Krüm mungsachse) senkrecht zu den Oberflächenseiten der Träger platte verläuft. Diese Ausbildung hat auch den Vorteil, daß bereits kleine mechanische Veränderungen bzw. Biegungen an dem Pinolenhalter 21′ erfaßt werden können, d. h. zu einer deutlichen Änderung der Intensität des rückgeführten Licht stromes führen bzw. die Charakteristik des Sensorelementes 4′ (Abhängigkeit der Intensität des rückgeführten Lichtstromes von der mechanischen Änderung) weitestgehend einen linearen Verlauf besitzt.

Fig. 4 zeigt den Pinolenhalter 21′ der Schweißzange 1 und das Sensorelement 4′ der Fig. 3 in Seitenansicht. Die Tragplatte 5′ ist an ihrer der Hülse 6 abgewandten Unterseite mit insgesamt drei Füßchen 29 versehen, die derart angeordnet sind, daß sich eines dieser Füßchen im Bereich der einen Schmalseite der recheckförmigen Tragplatte 5′ befindet, und zwar in der Mitte der Tragplatte, während die beiden anderen Füßchen am anderen Ende der Tragplatte in einer Achsrichtung senkrecht zur Längserstreckung dieser Tragplatte gegenein ander versetzt vorgesehen sind. Mit den Füßchen 29, die sich jeweils zu ihrem freien Ende hin kegelförmig verjüngen, stützt sich die Trägerplatte 5′ an dem Pinolenhalter 21′ bzw. an der kreiszylinderförmigen Fläche 2 ab.

Wie in der Fig. 3 angedeutet ist, sind an der Seite, an der die Lichtleiter 8 und 9 von der Trägerplatte 5′ weggeführt sind, die beiden Füßchen 29 vorgesehen, und zwar beidseitig von den Lichtleitern 8 und 9. Im Bereich der gebogenen Teillänge 28 befindet sich das einzelne Füßchen 29.

Gehalten ist das Sensorelement 4′ bzw. die Trägerplatte 5′ am Meßobjekt durch zwei bandförmige Halteelemente 30, die jeweils eine Feder 31 aufweisen und mit ihren Enden an Zapfen 32 befestigt sind, die auch zur Halterung der Füßchen 29 dienen und über die Oberseite der Trägerplatte 5′ vorstehen. Die Halteelemente 30 umschließen das Meßobjekt.

Wie die Fig. 3 zeigt, ist die Trägerplatte 5′ dort, wo in der Hülse 6 die Lichtstrecke zwischen den Enden 8′ und 9′ gebildet ist, mit einem in der Dicke reduzierten Bereich 33 versehen, der sich senkrecht zur Längsrichtung der Träger platte 5′ erstreckt. Dieser Bereich ist bei der dargestellten Ausführungsform nur an der Unterseite vorgesehen, so daß die Trägerplatte 5′ eine ebene Auflagefläche für die Hülse 6 bildet und eine Verformung der Trägerplatte 5′ bei einer mechanischen Veränderung des Meßobjektes aber auf dem Bereich der Lichtstrecke im wesentlichen konzentriert ist.

Mit den Füßchen 29 ist eine zuverlässige und problemlose Anordnung des Sensorelementes 4′ an dem Pinolenhalter 21′ auch bei beliebig geformter Außenfläche dieser Pinole möglich. Durch entsprechende Wahl der Länge der Füßchen 29, d. h. durch entsprechende Wahl des Abstandes der von diesen Füßchen gebildeten Halte- und Anlagebereiche von der Licht strecke bzw. deren Ebene kann die Empfindlichkeit des Sensorelementes 4′ und damit des Sensors 3 insgesamt ver ändert bzw. auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen in vereinfachter perspektivischer Darstellung bzw. in einem Längsschnitt als weitere Aus führungsform der Erfindung den Pinolenhalter 2 der Schweiß zange 1 zusammen mit einem Sensorelement 4′′, welches sich durch einen besonders einfachen und robusten Aufbau, durch eine hohe Empfindlichkeit und vor allem auch hohe Dynamik auszeichnet. Das Sensorelement besteht aus einer Trägerplatte 5′′, die in etwa der Trägerplatte 5′ entspricht, und bei spielsweise aus Titan oder einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt ist. Die Herstellung der Trägerplatte 5′′ aus Titan oder bevorzugt aus dem faserverstärkten Kunststoff hat den Vorteil einer hohen Unempfindlichkeit dieser Platte gegen Störeinflüsse, insbesondere auch gegenüber Erwärmung, auch aufgrund des sich um die Pinole 21 bzw. den Pinolenhalter 21′ während des Schweißens aufbauenden Magnetfeldes. Die Träger platte 5′′ stützt sich wiederum mit drei Kegelstifte bzw. Füßchen 29, die aus Hartmetall hergestellt sind und sich in den Pinolenhalter 21′ eindrücken, an diesem ab. Die Befes tigung erfolgt wiederum mittels der in der Fig. 4 darge stellten Halter bzw. Befestigungselemente 30.

Auf der den Füßchen 29 abgewandten Oberseite der einen rechteckförmigen Zuschnitt aufweisenden Trägerplatte 5′′ sind zwei Blöcke oder klotzartige Elemente 34 und 35 vorgesehen, und zwar jeweils ein Element 34 bzw. 35 an jedem Ende bzw. an jeder Schmalseite der Trägerplatte 5′′. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Elemente 34 und 35 quaderförmig ausgebildet und an der Oberseite der Trägerplatte 5′′ derart befestigt, daß die beiden Elemente 34 und 35 mit zwei einander zugewandten, im wesentlichen senkrecht zu der Oberseite der Trägerplatte 5′′ sowie deren Längserstreckung liegenden Stirnseiten 36 und 37 voneinander beabstandet sind.

Mit 7 und 8 sind wieder die beiden Lichtleiter bezeichnet, die im Bereich ihrer Enden 8′ und 9′ im Element 34 gehalten bzw. fixiert sind, und zwar derart, daß diese Lichtleiter im Bereich dieser Enden mit ihren Achsen in einer Ebene liegen, die parallel zu der Oberseite der Trägerplatte 5′′ und von dieser beabstandet vorgesehen ist, und außerdem die Achsen einen spitzen Winkel miteinander einschließen, dessen Schnitt- bzw. Scheitelpunkt im Bereich eines an der Stirn seite 37 des Elementes 35 gebildeten Spiegels 38 zumindest dann liegt, wenn der Pinolenhalter 21′ bzw. das Sensorelement 4′′ entlastet ist, d. h. kein Biegemoment auf die Trägerplatte 5′′ ausgeübt wird. Der Spiegel 38 ist gegenüber der Stirn seite 37 zurückversetzt in einer Nut 39 gebildet bzw. vorgesehen, die an der Stirnseite 37 angebracht ist und mit ihrer längserstreckt parallel zur Oberseite der Trägerplatte 5′′ verläuft. Der Spiegel 38 ist weiterhin an seiner der Stirnseite 36 zugewandten Spiegelfläche um eine Achse konvex gekrümmt bzw. gewölbt, die in der Ebene E1 der Lichtstrecke oder parallel zu dieser Ebene liegt. Hierdurch wird erreicht, daß bereits eine kleine Auslenkung des Spiegels 38 eine große Änderung der an den Lichtleiter 8 übertragenen Lichtmenge bewirkt. Durch den Radius der Krümmung kann die Empfindlich keit bzw. der Meßbereich des Sensors eingestellt werden. Die Stirnseite 36 des Elementes 34 ist mit einer der Nut 39 entsprechenden Nut 40 versehen, die in Längsrichtung der Trägerplatte 5′′ und parallel zur Ebene E1 der Nut 39 gegenüberliegt. Am Boden der Nut 40 sind die beiden Enden 8′ und 9′ für den Lichtaustritt bzw. Lichtwiedereintritt vorgesehen.

Zwischen den beiden Elementen 34 und 35 ist die Trägerplatte 5′′ sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite mit dem die Dicke der Trägerplatte vermindernden Bereich 33 versehen. Diese Bereiche 33, die sich deckungsgleich gegen überliegen, definieren somit eine Achse 41, die parallel zur Ebene E1 und senkrecht zur Längserstreckung der Trägerplatte 5′′ liegt und in deren Bereich die Trägerplatte 5′′ bevorzugt gebogen wird, wenn bei Belastung des Pinolenhalters 21′ diese einer Biegebeanspruchung unterliegt.

Durch ein Gehäuse bzw. eine Abdeckung 42 sind die Nuten 39 und 40 sowie der zwischen den Elementen 34 und 35 gebildete Raum nach außen hin zumindest staub- und lichtdicht ver schlossen.

Dadurch, daß sowohl die Enden 8′ und 9′, als auch der Spiegel 38 jeweils gegenüber der Stirnseite 36 bzw. 37 zurückversetzt am Boden einer Nut 40 bzw. 39 vorgesehen sind, wird ins besondere der Einfluß von Streulicht ganz entscheidend reduziert.

Bei entlastetem Pinolenhalter 21′ wird der am Ende 8′ austretende Lichtstrom am Spiegel 38 so reflektiert, daß dieser Lichtstrom vollständig oder nahezu vollständig am Ende 9′ in den Lichtleiter 9 eintritt. Wird beim Schließen der Schweißzange der Pinolenhalter 21′ aufgrund der Elektroden kraft KE, mit der die Polkappen 26 und 27 gegen die Bleche 18 und 19 anliegen, verformt, so tritt eine Biegung der Träger platte 4′′ im Bereich der Achse 41 ein, mit der Folge, daß in Abhängigkeit von dieser Verformung und damit in Abhängigkeit von der Anpreß- bzw. Elektrodenkraft der Schweißzange 1 nur noch ein Teil der am Ende 8′ austretenden Lichtmenge durch den Spiegel 38 an das Ende 9′ für einen Eintritt in den Lichtleiter 9 reflektiert wird. Dieser Lichtverlust bzw. diese "Dämpfung" sind eine Funktion der Biegung des Pinolen halters 21′ und damit der an den Polkappen wirkenden Elektrodenkraft.

Wie in der Fig. 5 noch dargestellt ist, sind die beiden Lichtleiter 8 und 9 so ausgebildet, daß am Sensorelement 4′′ bzw. an der dem Element 35 abgewandten Seite des Elementes 34 eine Trennung der Lichtleiter möglich ist. Hierfür sind dort Stecker 43 vorgesehen, wie sie für Lichtleiter bzw. Licht leiterkabel verwendet sind.

Durch die Stecker 43 ist es möglich, das jeweilige Sensor element 4′′ vielfach und bequem von der betreffenden Schweiß zange 1 bzw. von der Pinole 21 zu entfernen.

Die Lichtleiter 8 und 9 führen, wie weiter unten noch näher erläutert wird, von der jeweiligen Schweißzange 1 bis an die opto-elektronische Einheit 11, die räumlich getrennt von der Schweißzange 1 bzw. von einem diese Schweißzange aufweisenden Roboter vorgesehen ist. Um auch die Schweißzange insgesamt vom Roboter entfernen zu können und/oder den Roboter von einer die opto-elektronische Einheit mit umfassendem Steuer gerät entfernen bzw. trennen zu können, sind vorzugsweise wenigstens zwei weitere Steckverbindungen in jedem Licht leiter 8 bzw. 9 vorgesehen.

Das Sensorelement 4′′ weist eine hohe Meßempfindlichkeit auf, d. h. mit ihm können Biegungen ab 1/1000 mm erkannt bzw. erfaßt werden. Weiterhin weist das Sensorelement 4′′ eine hohe dynamische Empfindlichkeit, d. h. eine Grenzfrequenz auf, die in der Größenordnung von 10 KHz liegt. Dies ist ins besondere bedeutsam, um am Beginn eines Schweißvorganges beim Schließen der Schweißzange auftretende Prellungen erfassen und auch Messen bzw. Bestimmen zu können, wann die Prellungen bzw. der entsprechende Prellschlag beendet ist. Die Erzeugung des von dem Beanspruchen der Pinole 21 abhängigen Licht signals und die Übertragung dieses Signals an die opto-elek tronische Einheit 11 erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit.

Mit 44 ist ein Temperaturfühler bezeichnet, der am Pinolen halter 21′ vorgesehen ist und die Temperatur dieses Pinolen halters mißt. Der Temperaturfühler 44 liefert ein von der Temperatur des Pinolenhalters 21′ abhängiges elektrisches Signal beispielsweise an die Auswerteinheit 15. Mit diesem Signal kann dann eine Kalibrierung oder Nachregelung in der Weise erfolgen, daß temperaturbedingte Verformungen der Trägerplatte 5′′ und des Pinolenhalters 21′ sowie hieraus evtl. resultierende Änderungen der übertragenen Lichtmenge das von der opto-elektronischen Einheit 11 gelieferte Meßergebnis nicht beeinflussen. Das Sensorelement 4′′ ist selbstverständlich wiederum auf der innenliegenden konkaven oder auf der außenliegenden konvexen Seite des Pinolen halters angeordnet, so daß die von der Anpreßkraft bzw. Schweißkraft abhängige elastische Biegung des Pinolenhalters 21′ zu der Biegung der Trägerplatte 5′′ im Bereich der Achse 41 führt.

Das Punktschweißen wird im wesentlichen durch drei Parameter bestimmt, von denen einer neben dem Schweißstrom und der Schweißzeit die Elektrodenkraft EK ist, d. h. diejenige Kraft, mit der die Elektroden oder Polkappen 26 und 27 gegen die miteinander zu verschweißenden Bleche 18 und 19 angepreßt sind. Der Schweißstrom kann mit herkömmlichen Mitteln gemessen werden. Die Schweißzeit wird über eine Steuerung eingegeben. Die Elektrodenkraft kann mit dem Sensorelement 4′′ und dazugehörigen opto-elektrischen Einheit 11 gemessen werden, so daß eine ständige, sehr exakte Messung oder Überprüfung dieser Kraft während eines Schweißvorganges möglich ist.

Die Elektrodenkraft ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Qualität eines Schweißpunktes, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird.

Fig. 8 zeigt in einem Diagramm die Elektrodenkraft EK in Abhängigkeit von der Zeit. Es wird hierbei davon ausgegangen, daß zum Zeitpunkt t1 die Schweißzange geschlossen wird, d. h. ein Aussetzen der Elektroden bzw. Polkappen 26 und 27 auf die Bleche 18 und 19 erfolgt. Es ergibt sich zunächst eine ansteigende Elektrodenkraft und anschließend eine zeitliche Änderung dieser Elektrodenkraft, was auf Prellvorgänge bzw. auf einen sogenannten Prellschlag zurückzuführen ist, der einerseits durch die Eigenelastizität der Bleche 18 und 19, andererseits aber u. a. insbesondere auch durch die Eigen elastizität der Schweißzange 1 und dabei insbesondere durch die Eigenelastizität der Pinolenhalter 20′ und 21′, der Pinolen 20 und 21, der Betätigungseinrichtung 25, des Lager für die Pinolen (Gelenkstelle 22) usw. zurückzuführen ist, wobei diese periodischen Änderungen der Kraft auch abhängig sind von dem Zustand bzw. der Alterung der Pinolen 20 und 21 und der Gelenkstelle 22. Bei intakter Schweißzange 1 ist dieser Prellschlag zum Zeitpunkt t2 beendet. Für die Dauer T_Pr dieses Prellschlages läßt sich empirisch ein bestimmter Mittelwert ermitteln.

In der Fig. 8 wurde davon ausgegangen, daß der Zeitpunkt t2, an dem der Prellschlag tatsächlich beendet ist, noch vor Ablauf der Zeit bzw. des Zeitfenster T_Prmax erreicht ist.

Ab dem Zeitpunkt t2 erfolgt dann zunächst ein ständiger Anstieg der Elektrodenkraft entsprechend dem Verlauf 46, und zwar bis zum Erreichen einer maximalen Elektrodenkraft. Ist ein Wert erreicht, der etwa etwa 90% der maximalen Elek trodenkraft entspricht, und zwar zum Zeitpunkt t3, so erfolgt das Einschalten des Schweißstromes. Während des Schweiß vorganges wird die Elektrodenkraft im wesentlichen konstant gehalten, wobei sich aber bedingt durch den Schweißvorgang gewisse Schwankungen ergeben, wie dies mit dem Verlauf 47 in der Fig. 8 angedeutet ist. Die Zeit zwischen t2 und t3 wird als Vorhaltezeit T_V bezeichnet. Während dieser Zeit kann bereits ein gewisser Elektrodenstrom zur Vorbereitung des Schweißvorganges fließen. Zum Zeitpunkt t4 ist die Schweiß zeit T_S beendet, und zwar dann, wenn insbesondere auch bedingt durch Änderungen in der Materialstruktur der zu verschweißenden Bleche 18 und 19 eine Abnahme der Elektroden kraft eintritt, wie dies mit dem Verlauf 48 in der Fig. 8 angegeben ist. Die Elektrodenkraft wird dann während einer Nachhaltezeit T_N auf einem konstanten Wert gehalten, und zwar bis zum Zeitpunkt t5. Anschließend erfolgt das Öffnen der Schweißzange 1.

Mit dem Sensorelement 4′′ wird beispielsweise nach dem Schließen der Schweißzange 1 der Verlauf der Elektrodenkraft EK während des Prellschlages erfaßt und festgestellt, zu welchem Zeitpunkt dieser Prellschlag beendet ist. Ist dies nicht innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters T_Prmax möglich, so wird hiermit von der Steuereinrichtung erkannt, daß mechanische Fehler vorliegen, beispielsweise fehlerhafte oder überalterte Pinolen, fehlerhafte Betätigungseinrichtung 25, fehlerhafte Lagerung usw. Ein Schweißpunkt wird nicht durchgeführt.

Mit dem Sensorelement 4′′ wird dann weiterhin auch während der Vorhaltezeit T_V, während der Schweißzeit T_S und während der Nachhaltezeit T_N die Elektrodenkraft überwacht, und zwar dahingehend, daß diese innerhalb eines vorgegebenen Toleranz bereiches liegt, dessen obere und untere Grenzwerte bei spielsweise jeweils durch eine Hüllkurve 50 und 51 festgelegt sind.

Mit dem Sensorelement 4′′ wird dabei insbesondere erkannt, ob die Elektrodenkraft evtl. zu hoch ist, d. h. die Hüllkurve 50 übersteigt, oder zu gering ist, d. h. die Hüllkurve 51 unterschreitet.

Die Überwachung und Steuerung kann im Detail beispielsweise so erfolgen, daß nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitperiode oder eines vorgegebenen Zeitfensters für die Vorhaltezeit T_V mittels des Sensorelemente 4′′ überprüft wird, ob zu diesem Zeitpunkt 90% der maximalen Elektrodenkraft oder zumindest ein entsprechender, innerhalb des vorgegebenen Toleranz bereiches (Hüllkurven 50 und 51) liegender Wert erreicht ist. Ist dies der Fall, so erfolgt das Einschalten des Schweiß stromes. Ist der erforderliche Wert für die Elektrodenkraft nicht erreicht, so erfolgt kein Einschalten des Schweiß stromes. Vielmehr wird ein Fehlersignal erzeugt, welches beispielsweise den die Schweißzange 1 aufweisenden Schweiß-Roboter veranlaßt, einen weiteren Schweißpunkt an einer etwas versetzten Stelle erneut zu versuchen, und/oder dem Bedienungs- oder Wartungspersonal die Notwendigkeit einer Wartung bzw. Reparatur der Schweißzange 1 bzw. des Schweiß-Roboters anzeigt.

Weiterhin ist mit 11 des Sensorelementes 4′′ auch eine Steuerung während der Vorhaltezeit T_V dahingehend möglich, daß dann, wenn die gemessene Elektrodenkraft 90% der maxi malen Elektrodenkraft bzw. einem entsprechenden, noch zulässigen, d. h. im Toleranzbereich liegenden Wert ent spricht, der Schweißstrom eingeschaltet wird, so daß bei ordnungsgemäß arbeitender Schweißzange 1 die Vorhaltezeit T_V tatsächlich nur bis zum Erreichen dieses Wertes für die Elektrodenkraft dauert, die Vorhaltezeit also keine zusätz lichen Sicherheits-Zeitperioden mit einschließen muß, wodurch die Zeitdauer des jeweiligen Schweißvorgangs erheblich reduziert werden kann, also eine wesentliche Steigerung der Leistung eines Schweiß-Roboters (je Zeiteinheit hergestellte Schweißpunkte) möglich ist.

Auch bei dieser Steuerung erfolgt dann, wenn innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters die 90%ige Elektrodenkraft nicht erreicht ist, kein Einschalten des Schweißstromes, sondern vielmehr ein Fehlersignal, welches beispielsweise in die Schweißzange 1 aufweisenden Roboter wiederum veranlaßt, einen weiteren Schweißpunkt an einer versetzten Stelle zu versuchen und/oder dem Bedienungs- bzw. Wartungspersonal die Notwendig keit einer Wartung oder Reparatur der Schweißzange bzw. des Schweiß-Roboters anzeigt.

Während der Schweißzeit T_S wird im einfachsten Fall wiederum überwacht, ob die Elektrodenkraft innerhalb der vorgegebenen Toleranzen (Hüllkurven 50 und 51) liegt. Sofern dies der Fall ist, wird der betreffende Schweißpunkt als ordnungsgemäß ausgeführt quittiert. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt beispielsweise über ein entsprechendes Fehlersignal eine Steuerung des Schweiß-Roboters in der Weise, daß ein weiterer, zusätzliches Schweißpunkt an einer versetzten Stelle vorgenommen wird, und/oder dem Bedienungs- bzw. Wartungspersonal wird die Notwendigkeit einer Wartung oder Reparatur der Schweißzange 1 und des zugehörigen Schweiß-Roboters angezeigt. Die Erfassung der Elektrodenkraft in der Schweißzeit T_S bedeutet aber auch, daß die durch den Übergang vom Alpha-Gitter in das Gamma-Gitter bedingten Volumenänderungen erfaßt werden sowie auch die Volumen änderungen beim sogenannten "Nachschmieden" in der Nach haltezeit T_N. Damit kann der jeweilige Schweißpunkt (Schweiß linse) beurteilt werden und es ist eine klare Aussage über das Zustandekommen eines einwandfreien Schweißpunktes möglich.

Weiterhin ist es auch möglich, während der Schweißzeit T_S den abfallenden Verlauf 48 der Elektrodenkraft zu erfassen und hieraus ein Kriterium für das Abschalten des Schweißstromes und das Einleiten der Nachhaltezeit T_N abzuleiten. Dies bedeutet dann, daß die Schweißzeit T_S tatsächlich nur so groß ist, wie dies für die Ausführung des jeweiligen Schweiß punktes notwendig ist, die Schweißzeit also keine zusätz lichen Sicherheits-Zeit-Perioden enthalten muß. Auch dies führt zu einer Optimierung und Reduzierung der Gesamt-Schweißzeit.

Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung einen die Schweiß zange 1 aufweisenden Schweiß-Roboter 52 und die zugehörige, in einem Schaltschrank 53 untergebrachte Steuerung. Mit 54 ist eine flexible Leitung zwischen dem Roboter 52 und dem Schaltschrank 53 angedeutet. Diese Verbindung enthält auch die Lichtleiter 8 und 9, d. h. die opto-elektrische Einheit 11 ist in genügendem Abstand vom Schweißroboter 52 und dadurch insbesondere auch gegen äußere Störeinflüsse, vor allem gegen Magnetfelder usw. im Inneren des Schaltschrankes unterge bracht. In diesem Schaltschrank 53 befinden sich dann auch die übrigen Steuerelemente für den Schweißroboter 52 bzw. für die Schweißzange 1, und zwar einschließlich der Elektronik zur Erfassung und Auswertung der vom Sensor bzw. Sensor element 4′′ gelieferten Signale.

Die beschriebenen Sensorelemente 4, 4′, 4′′ haben u. a. auch den Vorteil, daß die von der jeweiligen mechanischen Ver änderung des Pinolenhalters 21′ abhängigen Änderungen der übertragenen Lichtmenge sehr viel größer ist als solche Änderungen der Lichtmenge, die allein durch das Biegen der Lichtleiter 8 und 9 auftreten. Ein Biegen dieser Lichtleiter und der Verbindung 54, wie es bei der Bewegung des Schweiß roboters 52 und/oder der Schweißzange 1 auftritt, führt somit nicht zu einer Beeinträchtigung oder Verfälschung des Meßergebnisses des jeweiligen Sensorelementes.

Neben den vorgenannten Vorteilen hat das Sensorelement 4′′ durch seinen speziellen Aufbau u. a. auch den Vorteile, daß die Elemente 34 und 35, die im übrigen auch einstückig mit der Trägerplatte 5′′ hergestellt werden können, sowie die an diesen Elementen vorgesehenen Nuten 39 und 40 und die am Element 34 vorgesehenen Kanäle zur Aufnahme der Lichtleiter 8 und 9 im Bereich ihrer Enden 8′ und 9′ mit so hoher Genauig keit gefertigt werden können, daß das Sensorelement 4′′ preiswert und produzierbar gefertigt werden kann.

In der Fig. 9 ist mit 55 ein Druck- bzw. Kraftmesser bezeich net, der getrennt vom Schweiß-Roboter 52 angeordnet ist, und zwar im Bewegungsraum der Schweißzange 1 derart, daß während eines Eich-Modus dieser Druckmesser 55 von der Schweißzange 1 erfaßt und zwischen den Polkappen 26 und 27 angeordnet werden kann. Mit Hilfe der Betätigungseinrichtung 25 werden diese dann gegen den Druckmesser 55 angepreßt, und zwar selbstver ständlich ohne eingeschalteten Schweißstrom. Das vom Druck messer 55 gelieferte Signal wird in einer Steuereinrichtung, beispielsweise in der im Schaltschrank 53 untergebrachten opto-elektronischen Einheit 11 mit dem vom Sensorelement 44 während dieses Eich-Modus abgeleiteten Signals verglichen. Nötigenfalls wird dann eine in der opto-elektrischen Einheit vorgesehene Kalibriereinrichtung so nachgestellt, daß das vom Sensorelement 4′′ abgeleitete Meßsignal dem von dem Druck messer 55 gemessenen Meßwert entspricht. Die Kalibrierein richtung ist im einfachsten Fall ein Verstärker mit veränder barem Verstärkungsgrad.

Auch bei diesem Eichmodus, der periodisch nach einer vorge gebenen Anzahl von Schweißvorgängen bzw. Schweißpunkten wiederholt wird, kann ein eine notwendige Wartung oder Reparatur anzeigendes Signal erzeugt werden, und zwar dann, wenn die Differenz zwischen dem vom Sensorelement 4′′ abgeleiteten Meßwert und dem vom Druckmesser 55 abgeleiteten Meßwert außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwand lungen möglich sind, ohne daß dadurch der die Erfindung tragende Gedanke verlassen wird. So ist es beispielsweise möglich, das Sensorelement 4, 4′ oder 4′′ auch an der Pinole 21 oder an einem anderen Schweißzangenelement vorzusehen, welches sich in Abhängigkeit von der Elektrodenkraft elas tisch verformt.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegan gen, daß die Lichtquelle 12 im wesentlichen konstantes Licht mit einer vorgegebenen Intensität liefert. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, eine Lichtquelle 12 vorzusehen, die ein sich in der Intensität nach einem vorgegebenen Muster veränderndes Licht, beispielsweise ein pulsierendes oder in der Intensität impulsförmig sich änderndes Licht abgibt, so daß hierdurch die Möglichkeit besteht, in der Auswerteinheit 15 durch spezielle Filter und/oder Programme eventuelle äußere Störeinflüsse bei der Auswertung des Meßsignals zu eliminieren.

Bei einer möglichen Ausführungsform sind am Sensorelement 4 oder 4′ bzw. an der dortigen Trägerplatte 5 oder 5′ wenig stens zwei Meß- bzw. Lichtstrecken in jeweils einer Hülse 6 oder in einer gemeinsamen Hülse zwischen Enden 8′ und 9′ von Lichtleitern gebildet. Diese Lichtstrecken sind dann in unterschiedlichen Achsrichtungen, vorzugsweise in senkrecht zueinander - verlaufenden Achsrichtungen vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, mechanische Veränderungen des Meßobjektes 1 in verschiedenen Achsen zu erfassen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Schweißzange
2 Fläche
3 Sensor
4, 4′, 4′′ Sensorelement
5, 5′, 5′′ Trägerplatte
6 Hülse
7 Bohrung
8, 9 Lichtleiter
8′, 9′ Ende
8′′, 9′′ Glasfaserelement
8′′′, 9′′′ Ummantelung
10 Abdeckung
11 opto-elektronische Einheit
12 Lichtquelle
13 Lichtdetektor
14 Verstärker
15 Auswerteinheit
16 Speicher
18, 19 Blech
20, 21 Pinole
22 Gelenkstelle
23, 24 Gelenkarm
25 Betätigungseinrichtung
26, 27 Polkappe
28 Teillänge
29 Füßchen
30 Befestigungselement
31 Feder
32 Zapfen
33 Bereich
34, 35 Element
36, 37 Stirnseite
38 Spiegel
39, 40 Nut
41 Achse
42 Abdeckung
43 Stecker
44 Temperaturfühler
45-49 Verlauf
50, 51 Hüllkurve
52 Schweiß-Roboter
53 Schaltschrank
54 Verbindung
55 Druckmesser

Claims

1. Elektrische Schweißzange mit wenigstens einem aus einer Pinole (21) mit Schweißelektrode (27) oder einem Pinolen halter (21′) bestehenden Schweißzangenelement (21, 21′), welches zum Schweißen durch eine Betätigungseinrichtung (25) in Richtung des Schweißgutes (18, 19) bewegbar und mit seiner Elektrode (27) gegen das Schweißgut (18, 19) mit einer Elektrodenkraft anpreßbar ist, sowie mit wenigstens einem an eine elektrische Schaltungsanordnung (11) angeschlossenen, am Schweißzangenelement (21, 21′) vorgesehenen und ein Sensorelement (4, 4′, 4′′) auf weisender Sensor (3), der zur Erfassung oder Messung der Elektrodenkraft einer der Elektrodenkraft entsprechenden elastischen Verformung des Schweißzangenelementes (21, (21′) erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Sensorelement (4, 4′, 4′′) eine an einem Tragteil (5, 5′, 5′′, 6) gebildete Lichtstrecke zwischen wenigstens zwei Lichtleitern (8, 9) einer Lichtleiteran ordnung ist, die die Lichtstrecke mit der Schaltungs anordnung verbindet,
daß das Tragteil (5, 5′, 5′′, 6) derart ausgebildet und am Schweißzangenelement (21, 21′) befestigt ist, daß es der elastischen Verformung des Schweißzangenelementes (21′) erfolgt und die in der Lichtstrecke absorbierte und über die Lichtleiteranordnung an die Schaltungsanordnung rückübertragene Lichtmenge desjenigen Lichtes, welches der Lichtstrecke über die Lichtleiteranordnung von wenigstens einer Lichtquelle der Schaltungsanordnung (11) zugeführt wird, eine Funktion der Verformung des Trag teiles (5, 5′, 5′′, 6) ist, und
daß das Tragteil (5, 5′, 5′′, 6) über wenigstens zwei von der Ebene der Lichtstrecke (8′, 9′) sowie auch von einander räumlich beabstandete Halte- oder Anlagebereiche an dem Schweißzangenelement (21, 21′) gehalten ist.

2. Schweißzange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrecke zwischen einem ersten, einen Licht austritt bildenden Ende (8′) eines ersten Lichtleiters (8) und einem einen Lichteintritt bildenden Ende (9′) eines zweiten Lichtleiters gebildet ist.

3. Schweißzange nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Ein- und/oder Ausschalten des Schweißstromes in Abhängigkeit von einen von der elektronischen Schal tungsanordnung (11) ermittelten Meßsignal.

4. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-3, gekenn zeichnet durch Mittel zum Überwachung, zum Anzeigen und/oder zum Vergleichen der mit dem Sensorelement (4, 4′, 4′′) ermittelten Elektrodenkraft mit vorgegebenen Werten.

5. Schweißzange nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Werte obere bzw. untere Toleranzgrenzen, vorzugsweise in Form von Hüllkurven (50, 51) sind.

6. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-5, gekenn zeichnet durch wenigstens einen Temperaturfühler (44) an dem Schweißzangenelement (21) und/oder am Sensorelement (4, 4′, 4′′), der in Abhängigkeit von der Temperatur ein elektrisches Signal zum Kompensieren von Temperatur einflüssen an die elektronische Schaltungsanordnung (11) liefert.

7. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-6, gekenn zeichnet durch Mittel zum Kalibrieren des von der Schaltungsanordnung (11) gelieferten Meßsignales.

8. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-7, gekenn zeichnet durch einen externen, von der Schweißzange (1) bzw. dessen Elektroden erreichbaren Druck- bzw. Kraft messer (55), der in einem Eich-Modus der Schweißzange durch die Elektroden dieser Schweißzange mit einer Kraft beaufschlagt wird und dessen Meßsignal zum Eichen bzw. Kalibrieren der Schaltungsanordnung mit dem vom Sensor element (4, 4′, 4′′) abgeleiteten Meßsignals verglichen wird.

9. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte- und Anlagebereiche jeweils von einem, sich vorzugsweise zum freien Ende hin kegel förmig verjüngenden Füßchen (29) gebildet sind.

10. Schweißzange nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füßchen (29) am Tragteil (5, 5, 5′′, 6) des Sensor elementes vorgesehen sind.

11. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrecke in einem nach außen hin zumindest für das Spektrum des über den ersten Licht leiter (8) zugeführten Lichtes lichtdicht verschlossenen Raum (7) des Tragteils (5, 5, 5′′, 6) des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) gebildet ist.

12. Schweißzange nach einem der Ansprüche 2-11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (8′, 9′) der Lichtleiter (8, 9) einander axial gegenüberliegend vorgesehen sind.

13. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrecke im Lichtweg zwischen den Lichtleitern (8, 9) oder deren Enden (8′, 9′) wenigstens ein lichtreflektierendes Element, vorzugsweise einen Spiegel (38) aufweist.

14. Schweißzange nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (38) an seiner Spiegelfläche bevorzugt um eine Spiegelachse konvex gewölbt ist.

15. Schweißzange nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spiegelachse bevorzugt in der Ebene der Lichtstrecke oder parallel zu dieser Ebene liegt.

16. Schweißzange nach einem der Ansprüche 2-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (8′, 9′) der Lichtleiter (8, 9) und/oder das lichtreflektierende Element (38) an einander gegenüberliegenden Vorsprüngen oder Elementen (34, 35) an dem Tragteil des Sensorelementes (4′′), vorzugsweise an einer Seite der Trägerplatte (5′′), vorgesehen sind.

17. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (8′, 9′) der Lichtleiter (8, 9) und/oder das lichtreflektierende Element (38) in Vertiefungen (39, 40) an einander gegenüberliegenden Flächen (36, 37) vorgesehen sind.

18. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (5, 5, 5′′, 6) des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) an oder in einem Gehäuses (6, 10) vorgesehen ist.

19. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) Bestandteil eines Gehäuses (5, 5, 5′′, 6, 10) ist, in welchem die Lichtstrecke gebildet ist.

20. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Tragteil (5, 5, 5′′, 6) des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) oder in dessen Gehäuse (5, 5, 5′′, 6, 10) ein Innenraum, vorzugsweise ein von einer Bohrung (7) gebildeter Innenraum vorgesehen ist, in den die am Gehäuse befestigten Lichtleiter (8, 9) mit ihren Enden (8′, 9′) hineinreichen.

21. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) von einer Hülse (6) mit einer durchgehenden Bohrung (7) gebildet ist, in die die Lichtleiter (8, 9) mit ihren Enden (8′, 9′) derart hineinreichen, daß diese Enden (8′, 9′) in der Bohrung (8) voneinander beabstandet sind.

22. Schweißzange nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (7) an einer Trägerplatte (5, 5, 5′′) des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) befestigt ist, die die an dem Schweißzangenelement (21) befestigte Fläche des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) bildet.

23. Schweißzange nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtleiter (8, 9) in der Hülse (5, 5, 5′′, 6) befestigt sind.

24. Schweißzange nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtleiter (8, 9) an der Trägerplatte (5, 5, 5′′) und/oder an einer an dieser vorgesehenen Abdeckung (10) befestigt sind.

25. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Lichtleiter (8, 9) an seinem Ende (8′, 9′) gekrümmt, beispielsweise linsenartig gekrümmt ausgebildet ist.

26. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-25, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Hülse (5, 5, 5′′, 6) leicht gekrümmt ist, vorzugsweise um eine Achse, die senkrecht zu einer Fläche für die Befestigung des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) an dem Schweißzangenelement (21) verläuft.

27. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-26, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (4, 4′, 4′′) wenigstens zwei in unterschiedlichen Achsrichtungen angeordnete Lichtstrecken (8′, 9′) aufweist.

28. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-27, dadurch gekennzeichnet, daß das über dem ersten Lichtleiter (8) zugeführte Licht ein konstanter oder ein sich in einem vorgegebenen Muster verändernder Lichtstrom ist.

29. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-28, gekenn zeichnet durch eine opto-elektronische Einheit (11), die eine mit dem ersten Lichtleiter (8) zusammenwirkende Lichtquelle (12) sowie einen mit dem zweiten Lichtleiter (9) zusammenwirkende Lichtdetektor (13) aufweist.

30. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-29, gekenn zeichnet durch eine Auswertelektronik oder -einheit (15) zur Bildung des Meßsignals anhand einer vorgegebenen Eichkurve.

31. Schweißzange nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichkurve in einem Speicher, vorzugsweise in einem Speicher (16) der Auswerteinheit (15) oder der opto-elektronischen Einheit (11) gespeichert ist.

32. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-31, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (4, 4′, 4′′) abnehmbar an der Schweißzange (1) bzw. am Schweißzangen element (21) befestigt ist.

33. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-32, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißzangenelement (21) einen gekrümmten Verlauf aufweist, und daß das Sensorelement (4, 4′, 4′′) an einer konvexen oder konkaven Seite des Sensorelementes (4, 4′, 4′′) vorgesehen ist.

34. Schweißzange nach einem der Ansprüche 1-33, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Schweißzangen element von einem Pinolenhalter (21′) und einer an einem Ende dieses Pinolenhalters vorgesehenen Pinole (21) gebildet ist, und daß das wenigstens eine Sensorelement (4, 4′, 4′′) am Pinolenhalter vorgesehen ist.