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Die
vorliegende Erfindung betrifft pneumatisch betätigte Widerstandsschweißköpfe und
Reflowlötköpfe. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schweißen und Reflowlöten mit
einer automatischen Unterbrechung von Pressgas in einem Pneumatikzylinder,
wenn eine gewünschte
Schweißkraft
zwischen einer Elektrode und einem Werkstück erreicht ist.
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Der
Einfachheit halber werden im Folgenden mit den Ausdrücken "Schweiß-" bzw. "Schweißen" sowohl Widerstandsschweiß- als auch
Reflowlötsysteme
und -vorgänge
bezeichnet.
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Druckluftbetätigte Schweißköpfe weisen
typischerweise einen Luftzylinder auf, der die Aufwärts- und
Abwärtsbewegung
einer oder mehrerer Elektroden zum Schweißen oder Reflowlöten eines Werkstücks steuert.
Solche Schweißköpfe sind
einstellbar und können
an das Schweißen
von Werkstücken
unterschiedlicher Art angepasst werden.
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Typischerweise
sind für
unterschiedliche Schweißanwendungen
unterschiedliche Schweißparameter
erforderlich. Zu diesen Parametern gehören die Dauer und Größe der elektrischen
Schweißenergie
sowie die Schweißkraft,
wobei es sich um die Kraft handelt, die durch die Elektrode auf
das Werkstück
ausgeübt
wird.
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Typischerweise
wird bei bekannten druckluftbetätigten
Schweißköpfen ein
maximaler Luftdruck in dem Luftzylinder separat von der Schweißkraft eingestellt,
die üblicherweise
durch Druckvorspannen einer Feder in dem Schweißkopf eingestellt wird, die zwischen
dem Luftzylinder und der Elektrode verbunden ist. Ein Problem bei
diesem Verfahren zum Einrichten des Schweißkopfes für eine neue Schweißanwendung
ist es, dass der Luftzylinder bei fehlerhafter Einstellung nach
dem Erreichen der gewünschten Schweißkraft weiter
Druck auf die Elektrode ausüben kann,
was zu übermäßiger Schweißkraft führt.
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Bei
den meisten Schweißköpfen ist
ein Kraftschalter (force firing switch) mit der Feder wirkverbunden,
damit eine Erkennung erfolgt, wenn die gewünschte Schweißkraft erreicht
ist, d.h. wenn die durch den Luftzylinder ausgeübte Kraft die Druckvorspannkraft
der Feder übersteigt.
Wenn der Kraftschalter in Reaktion auf eine gewünschte Schweißkraft auslöst, signalisiert
er einem Microcontroller in einer Schweißstromversorgung, dass der
Elektrode bzw. den Elektroden Strom zugeführt werden soll, um mit dem
Schweißen
zu beginnen. Der Luftzylinder wird durch manuelles Einstellen von
Druckreglern an dem Luftzylinder auf einen Maximaldruck voreingestellt,
bei dem der Kraftschalter gerade auslöst. Dies wird üblicherweise
dadurch festgelegt, dass zuerst die Feder auf die gewünschte Schweißkraft voreingestellt
wird und dann ein "Probelauf" durchgeführt wird,
wobei der Luftzylinder auf einen Druck eingestellt ist, welcher
der Einschätzung
nach etwas über dem
angestrebten Maximaldruck in dem Luftzylinder liegt, welcher der
gewünschten
Schweißkraft
entspricht. Während
des Probelaufs muss der Anwender zuerst auf die Betätigung des
Kraftschalters achten, den Druck in dem Luftzylinder feststellen
und dann den Luftzylinder-Druckregler auf genau diesen Druck einstellen.
Diese Prozedur muss jedes Mal wiederholt werden, wenn eine Schweißanwendung eine
andere Schweißkraft
erfordert.
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Solche
manuelle Bedienung führt
leicht zu menschlichem Versagen. Dies kann in der Form einer ungenauen
Grundeinstellung auftreten, oder dadurch, dass der Anwender vergisst,
den Luftdruck in dem Zylinder für
eine neue Schweißanwendung
zurückzusetzen.
Solche ungenauen Einstellungen können
zu entweder übermäßiger oder
unzureichender Schweißkraft
führen,
was schadhafte Schweißnähte oder
für das
Auslösen
des Kraftschalters unzureichenden Druck zur Folge hat.
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Außerdem können die
Druckeinstellungen in den Luftzylinderventilen driften, wodurch
nachträgliche
Anpassungen nötig
werden, um die gewünschte Schweißkraft beizubehalten.
Eine solche Ventildrift kann während
mehrerer Schweißvorgänge unbemerkt
bleiben, wodurch sich die Möglichkeit
unzulänglicher
Schweißnähte erhöht. Außerdem erhöht eine
solche kontinuierliche Anpassung die Möglichkeit menschlichen Versagens.
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Die
JP 62287785A ,
die als relevantester Stand der Technik betrachtet wird,
US-A-4,572,940 ,
US-A-3,889,094 und
US 4,804,913 offenbaren
verschiedene bekannte Anordnungen zur Steuerung des Schweißdruckes
oder der Schweißkraft
an einem Schweißkopf.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren zum Schweißen oder Reflowlöten eines
Werkstücks
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den Ansprüchen
1 bzw. 12 definiert.
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In
einer alternativen Ausführungsform
weist der Schweißkopf
anstelle eines Pneumatikzylinders einen Hydraulikzylinder auf. Das
Hydrauliksystem der alternativen Ausführungsform funktioniert analog zu
dem oben beschriebenen Pneumatiksystem, da dieselben Prinzipien
der Fluiddynamik gelten.
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Eine
Ausführungsform
eines Druckreglersystems gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Umschaltventil auf. Das Umschaltventil weist
vier Anschlüsse
auf: einen Einströmanschluss, einen
Ausströmanschluss,
einen ersten Gasleitungsanschluss und einen zweiten Gasleitungsanschluss.
Mit jedem dieser Gasleitungsanschlüsse ist ein Zweiwegeventil verbunden.
Das Druckreglersystem weist einen Ventilsensor zum Bestimmen eines
eingeschalteten Zustandes eines in den Schweißkopf integrierten Schweißkraftsensors
auf. Das Druckreglersystem weist auch Mittel zum im Wesentlichen
simultanen Schließen
und Abdichten der Zweiwegeventile an dem ersten Gasleitungsanschluss
und dem zweiten Gasleitungsanschluss auf, wenn der Sensor einen eingeschalteten
Zustand des Schweißkraftsensors feststellt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird eine Schweißkraft
in einem pneumatisch betätigten
Schweißsystem
durch Ausführung der
folgenden Schritte gesteuert, die das Bewegen einer Elektrode auf
ein Werkstück
mit einem Pneumatikzylinder und das Aufdrücken der Elektrode auf das
Werkstück
umfassen. Sobald eine gewünschte Schweißkraft zwischen
der Elektrode und dem Werkstück
erkannt wird, wird die dem Pneumatikzylinder zugeführte und
aus ihm entlassene Luft blockiert. Auf diese Weise wird der gewünschte Druck
in dem Pneumatikzylinder, welcher der gewünschten Schweißkraft entspricht,
während
des Schweißvorgangs
beibehalten.
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Durch
automatisches Unterbrechen des Gasstroms zu dem Pneumatikzylinder,
wenn die gewünschte
Schweißkraft
in dem jeweiligen Schweißvorgang
erreicht ist, bieten die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
gegenüber
bekannten Schweißköpfen mehrere
Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören das Ausschalten von menschlichem
Versagen durch ungenaue Voreinstellung des maximalen Gasdrucks in
dem Pneumatikzylinder und automatische Drift der Ventileinstellungen
an dem Pneumatikzylinder, wodurch die Wiederholbarkeit des Schweißvorganges
verbessert wird.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorgenannten Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme
auf die folgenden Zeichnungen verständlicher:
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1 ist
eine teilweise angeschnittene Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines Schweißkopfes
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine teilweise angeschnittene Vorderansicht eines Luftzylinders
und eines Umschaltventils der in 1 gezeigten
Ausführungsform;
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3A ist
eine Plan-Draufsicht einer Ausführungsform
eines Ventilsystems gemäß der Erfindung;
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3B ist
eine Seitenansicht des Ventilsystems aus 3A;
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4 ist
ein schematisches Diagramm, das die Strömung von Druckluft zu dem Luftzylinder
während
eines Aufwärtshubes
einer Luftzylinder-Betätigungsstange
darstellt;
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5 ist
ein schematisches Diagramm, das die Strömung von Druckluft zu dem Luftzylinder
während
eines Abwärtshubes
einer Luftzylinder-Betätigungsstange
darstellt;
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6 ist
ein schematisches Diagramm, das die Strömung von Druckluft zu dem Luftzylinder
während
des Schweißens
darstellt;
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7 ist
eine teilweise im Querschnitt dargestellte und teilweise angeschnittene
Ansicht des in 1 gezeigten Schweißkopfes
einschließlich
einer Querschnittsansicht eines Federrohrs; und
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8 ist
eine teilweise im Querschnitt dargestellte und teilweise angeschnittene
Ansicht des in 1 gezeigten Schweißkopfes
einschließlich
einer Ansicht eines Kraftschalters.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bezüglich 1 weist
ein druckluftbetätigter Widerstandsschweißkopf 10 (oder
ein Reflowlötkopf) gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung einen Luftzylinder 12 auf, der indirekt Kraft
auf eine Elektrode 14 ausübt und dadurch die Bewegung
der Elektrode und die durch die Elektrode auf ein Werkstück 16 ausgeübte Kraft
steuert. Das Werkstück 16 kann
zwischen der Elektrode 14 und einer ortsfesten Basiselektrode 14 auf
einer Basis 13 der Schweißkopfeinheit auf beiden Seiten,
oder allein mit der Elektrode 14 nur auf einer oberen Fläche des
Werkstückes 16, geschweißt oder
reflowgelötet
werden. Der Schweißkopf
bzw. Reflowlötkopf 10 ist
durch die Gasleitung 70 mit einem Luftkompressor (nicht
dargestellt) und durch die Stromleitung 72 mit einer Ventilstromversorgung 80 verbunden
(siehe 6).
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Der
Einfachheit halber werden im Folgenden mit den Ausdrücken "Schweiß-" bzw. "Schweißen" sowohl Widerstandsschweiß- als auch
Reflowlötsysteme
und -vorgänge
bezeichnet.
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Der
Luftzylinder 12, der genauer in 2 gezeigt
ist, weist zwei Anschlüsse
auf, einen Abwärtsanschluss 17 und
einen Aufwärtsanschluss 19.
Eine bewegliche Kolbenstange 26 (nachfolgend als die "Betätigungsstange" bezeichnet) weist
einen Kolbenkopf 27 in abdichtendem Kontakt mit den Innenwänden des
Luftzylinders 12 auf, der zwei Luftkammern in dem Zylinder
ausbildet, eine obere Kammer A über dem
Kolbenkopf 27 und eine untere Kammer B unter dem Kolbenkopf 27.
Ein Druckunterschied zwischen den beiden Luftkammern A, B bewirkt
eine Bewegung der Betätigungsstange 26 in
dem Luftzylinder 12.
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Um
die Betätigungsstange 26 zu
bewegen, steuert der Anwender Druckluft durch einen Anschluss des
Luftzylinders 12 nach innen und lässt Luft durch den anderen
Anschluss aus. Ein Aufwärts-Geschwindigkeits-Stromventil 18 ist
an dem Abwärtsanschluss 17 angebracht,
und ein Abwärts-Geschwindigkeits-Stromventil 20 ist
an dem Aufwärtsanschluss 19 angebracht.
Die Stromventile 18, 20 erlauben beim Einleiten
von Luft in den Luftzylinder 12 eine ungehinderte Strömung von
Druckluft und beschränken
die Luftströmung
auf ein voreingestelltes Maß,
wenn Luft aus dem Luftzylinder ausgelassen wird. Während die
Betätigungsstange 26 sich in
dem Luftzylinder 12 bewegt, steuert somit das Luft auslassende
Stromventil die Bewegungsgeschwindigkeit der Stange. Somit steuert
das Aufwärts-Geschwindigkeits-Stromventil 18 die
Geschwindigkeit, mit der sich die Betätigungsstange 26 in
dem Luftzylinder nach oben bewegt, und das Abwärts-Geschwindigkeits-Stromventil 20 steuert
die Geschwindigkeit, mit der sich die Betätigungsstange 26 nach unten
bewegt.
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Druckluft
aus dem Luftkompressor wird dem Luftzylinder 12 durch ein
Umschaltventil 21 zugeführt,
vorzugsweise ein 24-Volt-Vierwege-Magnetventil, das über eine
Abwärts-Luftleitung 22 mit
dem Abwärtsanschluss 18 an
dem Luftzylinder und über eine
Aufwärts-Luftleitung 24 mit
dem Aufwärtsanschluss 20 verbunden
ist. Das Umschaltventil 21 weist einen Druckregler 60 (fest
oder einstellbar) auf, der so eingestellt ist, dass er den maximalen
Luftdruck in dem Zylinder sowohl in der Abwärts-Luftleitung 22 als
auch in der Aufwärts-Luftleitung 24 und damit
die maximale Kraft steuert, die auf die Betätigungsstange 26 ausgeübt wird.
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3A und 3B stellen
ein Ventilsystem gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dar. Das Umschaltventil 21 hat vier Anschlüsse: einen
Luftkompressoranschluss 44 zur Aufnahme von Druckluft aus
dem Luftkompressor, vorzugsweise bei einem Druck zwischen 60 und
100 psi; einen Ausströmanschluss 46;
einen Anschluss 48 für
die Abwärts-Luftleitung 22 und
einen Anschluss 50 für die
Aufwärts-Luftleitung 24.
Druckluft aus dem Luftkompressor ist auf einen relativ hohen, festen
Druck eingestellt, während
sie durch den Regler 60 strömt, vorzugsweise einen festen
Regler, der auf ca. 60 psi eingestellt ist, und wird aus dem Regler 60 zu
dem Luftkompressoranschluss 44 an dem Umschaltventil 21 geleitet.
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Um
die Betätigungsstange 26 in
dem Luftzylinder 12 zu heben und zu senken, wird das Umschaltventil
durch den Anwender so gesteuert, dass die Luft, die durch den Luftkompressoranschluss 44 eingeleitet
wird und aus dem Ausströmanschluss 46 ausgelassen wird,
zwischen dem Abwärts-Luftleitungs-Anschluss 48 und
dem Aufwärts-Luftleitungsanschluss 50 umgeschaltet
wird.
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Beim
Aufwärtshub
(siehe 4) wird das Umschaltventil 21 in der
Weise geschaltet, dass die in den Luftkompressoranschluss 44 einströmende Luft
zu dem Aufwärts-Luftleitungsanschluss 50 geleitet
wird und die aus dem Luftzylinder 12 und durch den Abwärts-Luftleitungsanschluss 48 ausgelassene Druckluft
zu dem Ausströmanschluss 46 geleitet wird.
Dies ist der Zustand des Umschaltventils 21, in welchem
der Schweißkopf
sich im Ruhezustand befindet, und wird auch als "ausgeschalteter" Zustand bezeichnet. Während des
Abwärtshubes
(siehe 5) wird Druckluft aus dem Luftkompressor zu dem
Abwärts-Luftleitungsanschluss 48 geleitet,
und Abluft aus dem Aufwärts-Luftleitungsanschluss 50 wird
zu dem Ausströmanschluss 46 geleitet.
Dieser Zustand wird auch als der "eingeschaltete" Zustand bezeichnet.
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Die
in 3A und 3B dargestellte
Ausführungsform
des Ventilsystems weist auch ein Zweiwegeventil 52 und
ein Zweiwegeventil 54 auf, welche in die Aufwärts-Geschwindigkeits-Luftleitung 22 bzw. die
Abwärts-Geschwindigkeits-Luftleitung 24 integriert
sind. Gemäß alternativen
Ausführungsformen sind
die Zweiwegeventile 52, 54 entweder zwischen den
Stromventilen 18, 20 und dem Luftzylinder 12 oder
zwischen den Stromventilen 18, 20 und den Luftleitungsanschlüssen 48, 50 an
dem Umschaltventil 21 angeordnet. Die Funktionsweise dieser Zweiwegeventile
gemäß der vorliegend
bevorzugten Ausführungsform
wird unten detailliert beschrieben.
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In
Bezug auf 6 sind das Ventilsystem einschließlich des
Umschaltventils 21 und der Zweiwegeventile 52, 54 elektrisch
mit einer Ventilstromversorgung 80 verbunden und von ihr
gesteuert, die einen Microcontroller 82 zum Steuern der
Zustände der
verschiedenen Ventile aufweist. Der Microcontroller 82 ist
anwendergesteuert, vorzugsweise über ein
Fußpedal
(nicht dargestellt), um die Durchleitung von Druckluft durch das
Umschaltventil 21 umzuschalten, um die Betätigungsstange 26 in
dem Luftzylinder 12 zu heben und zu senken.
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Wie
in 7 gezeigt, ist die Luftzylinder-Betätigungsstange 26 durch
einen Federrohrarm 30 in der Weise mit einem Federrohr 28 verbunden,
dass das Federrohr sich mit der Luftzylinder-Betätigungsstange 26 auf
und ab bewegt. In dem Federrohr sind eine oder mehrere Federn 32 untergebracht.
Die Federn 32 können
mit Hilfe eines Einstellknopfes 34 mit Gewinde, der in
einer Gewindebohrung oben an dem Federrohr 28 untergebracht
ist, auf eine gewünschte Druckvorspannkraft-Einstellung
druckvorgespannt werden.
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Die
Elektrode 14 ist an einer Elektrodenstange 36 angebracht.
Die Elektrodenstange 36 ist durch einen Elektrodenstangenarm 38 mit
dem Federrohr 28 verbunden. Der Elektrodenstangenarm 38 ist
in dem Federrohr 28 direkt unter den Federn 32 angeordnet.
Im komprimierten Zustand drücken
die Federn 32 den Elektrodenstangenarm 38 gegen
einen unter dem Elektrodenstangenarm 38 angeordneten Anschlag 39.
Der Elektrodenstangenarm 38 bewegt sich während eines
Großteils
des Schweißvorgangs mit
dem Federrohrarm 30, ist aber nicht starr daran befestigt,
so dass er ein gewisses Spiel hat. Dementsprechend kann sich in
der Schweißposition
der Elektrodenstangenarm 38 durch Druck nach oben auf die
Federn 32 relativ zu dem Federrohr 28 bewegen,
wenn die nach unten gerichtete Druckvorspannkraft in den Federn
durch eine Normalkraft überwunden
wird, die durch das Werkstück 16 auf
die Elektrode 14 ausgeübt
wird.
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Im
Betrieb wird die Elektrode 14 in einer oberen Anschlagposition
(siehe 1) auf das Werkstück 16 gesenkt, indem
der Luftzylinder 12 so gesteuert wird, dass er die Betätigungsstange 26 senkt, die
ihrerseits das Federrohr 28 und die Elektrodenstange 36 mit
der Elektrode 14 auf das Werkstück 16 senkt. Auch
nachdem die Elektrode 14 das Werkstück 16 kontaktiert, übt der Luftzylinder 12 weiterhin nach
unten gerichtete Kraft auf das Federrohr 28 aus und bewirkt
dadurch, dass die Elektrode 14 mit nimmer größerer Kraft
auf das Werkstück 16 drückt. Während dieser
Phase übt
das Werkstück 16 auf
die Elektrode 14 eine nach oben gerichtete Kraftkomponente
aus, die sich der nach unten gerichteten Druckvorspannkraft annähert, welche
durch die Federn 32 in dem Federrohr 28 auf den
Elektrodenarm 38 ausgeübt
wird. Während
dieser Phase bleiben das Federrohr 28 und der Elektrodenstangenarm 38 im
Wesentlichen ortsfest. An dem Punkt, an dem eine nach oben gerichtete
Kraftkomponente der durch das Werkstück auf die Elektrode ausgeübten Kraft
die Druckvorspannkraft in den Federn 32 überwindet, setzt
eine weitere Kompression der Federn ein. Während dieser Phase bewegt sich
das Federrohr 28 weiterhin nach unten, während der
Elektrodenstangenarm 38 im Wesentlichen ortsfest bleibt.
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Ein
Kraftschalter 40, der in 8 gezeigt
ist, ist an dem Federrohr 28 angebracht und ist sensitiv für die Abwärtsbewegung
des Federrohrs 28 bezüglich
des Elektrodenstangenarms 38. Der Kraftschalter 40 löst aus,
wenn eine Kompression der Federn 32 erfolgt und das Federrohr
sich bezüglich
des Elektrodenstangenarms 38 um eine bestimmte Distanz bewegt,
typischerweise ca. 1/16 Zoll. Die Federn 32 sind auf eine
Druckvorspannkraft etwas unterhalb der gewünschten Schweißkraft eingestellt,
so dass der Kraftschalter 40 auslöst, wenn die gewünschte Schweißkraft erreicht
ist.
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Bezug
nehmend auf 6 steht die Elektrode 14 in
elektrischer Verbindung mit und wird gesteuert durch eine Schweißstromversorgung 90,
die einen Microcontroller 92 zum Steuern der Zufuhr elektrischer
Energie zu der Elektrode 14 aufweist, um mit dem Schweißen zu beginnen.
Der Microcontroller 92 ist über ein Kabel 94 (8)
mit dem Kraftschalter 40 verbunden und ist für den Zustand
des Kraftschalters 40 sensitiv. Wenn er ausgelöst wird,
signalisiert der Kraftschalter 40 der Schweißstromversorgung 90, der
Elektrode 14 Strom zuzuführen, wodurch die Elektrode 14 eingeschaltet
wird, um mit dem Schweißen
zu beginnen. Der Schweißstromversorgungs-Microcontroller 92 schaltet
die Elektrode 14 ab, wenn das Schweißen beendet ist. Um eine Beschädigung der
Schweißnaht
zu vermeiden, muss dies erfolgen, bevor der Anwender die Elektrode
von dem Werkstück
herunternimmt. Während
die durch das Werkstück 16 auf
die Elektrode 14 ausgeübte,
nach oben gerichtete Kraft verringert wird, dehnen sich die Federn 32 wieder
zu ihrer ursprünglichen
(druckvorgespannten) Länge
aus. Folglich wird der Kraftschalter 40 deaktiviert.
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Zur
Einstellung der gewünschten
Schweißkraft
nimmt der Anwender mit dem Federeinstellknopf 34 eine Druckvorspannung
der Federn 32 vor, so dass die Federn 32 eine
nach unten gerichtete Kraft auf den Elektrodenstangenarm 38 ausüben, und
zwar mit einer etwas geringeren Kraft als der gewünschten
Schweißkraft.
Wenn die nach oben gerichtete Komponente der durch das Werkstück ausgeübten Kraft
die über
den Elektrodenstangenarm 38 auf die Elektrode 14 ausgeübte, nach
unten gerichtete Feder-Druckvorspannkraft übersteigt, setzt, wie oben
beschrieben, eine weitere Kompression der Federn 32 und
eine Bewegung des Federrohrs 28 relativ zu dem Elektrodenstangenarm 38 ein.
Der Kraftschalter 40 löst
aus, wenn die gewünschte
Schweißkraft
zwischen der Elektrode 14 und dem Werkstück 16 erreicht
ist.
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Wenn
die gewünschte
Schweißkraft
erreicht ist (und der Kraftschalter auslöst), ist es erforderlich, eine
konstante durch den Luftzylinder 12 auf das Federrohr 28 ausgeübte Kraft
beizubehalten, was gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erreicht wird. Bezüglich 6 weist
in einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform die Ventilstromversorgung 80 einen
Sensor 56 auf, der mit dem Kraftschalter z.B. durch ein
Kabel 94 (8) elektrisch verbunden ist.
Der Sensor ist für
den Zustand des Kraftschalters 40 sensitiv. Die Zweiwegeventile 52, 54 werden
durch den Microcontroller 82 in Reaktion auf den Zustand
des Kraftschalters 40 elektronisch in einen offenen oder
geschlossenen Zustand gesteuert. Wie in dem Diagramm aus 6 dargestellt,
steuert der Microcontroller 82 beide Zweiwegeventile 52, 54 in
den geschlossenen Zustand, wenn der Kraftschalter 40 ausgelöst wird.
Folglich bleibt der Druck in den beiden Kammern A, B des Luftzylinders
im Wesentlichen konstant, wodurch eine konstante durch die Luftzylinder-Betätigungsstange 26 ausgeübte Kraft
beibehalten wird. Bei Beihaltung dieser konstanten Kraft in der
Betätigungsstange 26 bleibt
die von der Elektrode 14 auf das Werkstück 16 ausgeübte Kraft
hinsichtlich der Elektrodenstange, des Elektrodenstangenarms sowie
der Federrohrfedern und des Ferderrohrarms konstant. Während des
Schweißens
bewirkt die Federkraft in den Federn 32, dass der Elektrodenstangenarm 38 und
die zugehörige
Elektrode 14 sich nach unten bewegen, um eine etwaige Verformung
in dem Werkstück 16 aufgrund
des Schweißverfahrens
auszugleichen.
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In
einer Ausführungsform
sind die Ventilstromversorgung 80 und die Schweißstromversorgung 90 sowie
ihre verschiedenen Komponenten in eine einzige Einheit integriert.
In einer alternativen Ausführungsform
sind das Ventilsystem, etwa das aus der Ausführungsform der 3A und 3B, und
die Ventilstromversorgung 80 als Bausatz bereitgestellt,
um bekannte Umschaltventile und Ventilstromversorgungen zu ersetzen.
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Zur
Bedienung eines Schweißkopfes
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung nimmt der Anwender zuerst eine Voreinstellung der
Federrohrfedern 32 auf die gewünschte Schweißkrafteinstellung vor.
Von der oberen Anschlags- bzw. ausgeschalteten Position (siehe 1)
aus gibt der Anwender dem Microcontroller 82 das Kommando,
das Umschaltventil 21 so zu steuern, dass Druckluft aus
dem Luftkompressoranschluss 44 durch den Abwärtsleitungsanschluss 48 und
Abluft aus dem Aufwärtsleitungsanschluss 50 durch
den Ausströmanschluss 46 geleitet
wird, wie in 5 gezeigt, wodurch die Betätigungsstange 26 nach
unten gedrückt
wird, die ihrerseits die Elektrode 14 auf das Werkstück 16 absenkt. Nachdem
die Elektrode 14 das Werkstück 16 berührt, übt der Luftzylinder 12 weiterhin
Kraft auf die Betätigungsstange 26 und
indirekt durch den Federrohrarm 30, die Federrohrfeder 32,
den Elektrodenarm 38 und die Elektrodenstange 36 auf
die Elektrode 14 aus. Aufgrund der nach oben gerichteten,
durch das Werkstück 16 auf
die Elektrode 14 ausgeübten
Normalkraft beginnt der Elektrodenstangenarm 38, einen nach
oben gerichteten Druck auf die druckvorgespannten Federn 32 auszuüben. Wenn
die auf die Federn 32 ausgeübte Kraft die in den Federn 32 gespeicherte
(nach unten gerichtete) Druckvorspannkraft übersteigt, setzt eine weitere
Kompression der Federn ein. Diese leicht erhöhte Kompression löst den Kraftschalter 40 aus,
wenn die gewünschte Schweißkraft erreicht
ist. Beim Auslösen
des Kraftschalters signalisiert der Sensor 56 dem Ventilstromversorgungs-Microcontroller 82,
die Zweiwegeventile 52, 54 so zu steuern, dass
sie schließen,
wie in 6 gezeigt, wodurch in beiden Kammern A, B des
Luftzylinders 12 ein im Wesentlichen konstanter Druck beibehalten
wird und folglich die gewünschte Schweißkraft zwischen
der Elektrode 14 und dem Werkstück 16 beibehalten
wird.
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Wenn
das Schweißen
beendet ist, schaltet der Schweißstromversorgungs-Microcontroller 92 die Elektrode 14 ab.
Wenn der Anwender die Ventilstromversorgung abschaltet, beispielsweise
durch Freigabe des Fußpedals, öffnet der
Ventilstromversorgungs-Microcontroller 82 gleichzeitig
die Zweiwegeventile 52, 54 und steuert das Umschaltventil 21 so,
dass es Druckluft aus dem Luftkompressoranschluss 44 durch
den Aufwärts-Luftleitungsanschluss 50 und
Abluft aus dem Abwärts-Luftleitungsanschluss 48 durch
den Ausströmanschluss 46 (siehe 4)
leitet, wodurch die Betätigungsstange 26 nach
oben gedrückt
wird, die ihrerseits die Elektrode 14 von dem Werkstück 16 hebt.
Der Kraftschalter 40 wird deaktiviert, sobald die gewünschte Schweißkraft verloren
ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist zwar in Bezug auf besondere Ausführungsformen
beschrieben worden, der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die vorliegende
Erfindung abgewandelt werden kann, ohne dass dadurch der Umfang
der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, verlassen
würde.
Zum Beispiel könnte
der Pheumatikzylinder durch einen Hydraulikzylinder ersetzt werden,
da dieselben Prinzipien der Fluidmechanik gelten, die von den verschiedenen
Ausführungsformen
der Erfindung genutzt werden. Ebenso kann der Microcontroller 82 der
Ventilstromversorgung 80 der oben beschriebenen Ausführungsformen
durch jede Art elektronischer oder anderer logischer Schaltung ersetzt werden.