EP1417071A1 - Kurzzeit-lichtbogenschweisssystem und verfahren zum kurzzeit-lichtbogenschweissen - Google Patents

Kurzzeit-lichtbogenschweisssystem und verfahren zum kurzzeit-lichtbogenschweissen

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Publication number
EP1417071A1
EP1417071A1 EP02776918A EP02776918A EP1417071A1 EP 1417071 A1 EP1417071 A1 EP 1417071A1 EP 02776918 A EP02776918 A EP 02776918A EP 02776918 A EP02776918 A EP 02776918A EP 1417071 A1 EP1417071 A1 EP 1417071A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
welding
welding head
component
holding device
short
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02776918A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Gisbert Schmitt
Arne Friedrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Newfrey LLC
Original Assignee
Newfrey LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Newfrey LLC filed Critical Newfrey LLC
Publication of EP1417071A1 publication Critical patent/EP1417071A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/002—Resistance welding; Severing by resistance heating specially adapted for particular articles or work
    • B23K11/004—Welding of a small piece to a great or broad piece
    • B23K11/0046—Welding of a small piece to a great or broad piece the extremity of a small piece being welded to a base, e.g. cooling studs or fins to tubes or plates
    • B23K11/0053—Stud welding, i.e. resistive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/20—Stud welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/20—Stud welding
    • B23K9/205—Means for determining, controlling or regulating the arc interval

Definitions

  • the present invention relates to a short-term arc welding system for welding elements such as e.g. Metal bolts, on components such as Metal sheets, with
  • a robot which has at least one arm which is movable in at least two coordinate axes
  • a welding head which is movably mounted on the welding head base and on which a holding device for holding an element and a lifting device for moving the holding device in and out relative to the welding head are provided, and
  • a measuring system for determining the relative position between a component and an element to be welded onto the component.
  • the invention further relates to a method for short-time arc welding, in particular for stud welding
  • Such a short-time arc welding system and an associated method are generally known.
  • the element is first placed on the component. A pilot current is then switched on and the element is raised to a desired height in relation to the component, an arc being drawn. Only then is the welding current switched on.
  • the relative position between the element and the component is usually measured before each welding operation, in particular in the form of a zero position determination.
  • Stud welding systems are used particularly in the automotive industry. They are mainly used to weld elements such as bolts with and without threads, eyelets, nuts, etc. onto the body panel. These elements then serve as holding anchors, for example to fasten interior cladding.
  • a stud welding device which uses a screw thread reluctance motor (SGRM) as a linear motor for the axial adjustment of a stud holder.
  • SGRM screw thread reluctance motor
  • the moving element of the SGRM forms an adjusting element, the movement of which is transmitted to the bolt holder.
  • the stationary member forms the holder of the stud welding device.
  • the SGRM makes it possible to control the axial back and forth movement of the stud holder with regard to the setting position and speed.
  • the moving element rests under the tension of a spring against a stop connected to the holder. Only when the SGRM is actuated is the moving member moved from the rest position towards the workpiece which is to be provided with a welding stud. In this case, the stud holder assumes an intermediate position after a predetermined path before the welding stud strikes the workpiece, whereby the welding arc is ignited in a known manner by contacting it.
  • US-A-5, 252, 802 discloses a further stud welding device with a housing which is designed as a hand gun.
  • a position motor first brings the housing into a position in which a bolt is arranged in the vicinity of a component.
  • a linear motor is provided in the housing to axially move a lift shaft that carries the pin.
  • a position measuring system is provided to control the linear motor. To determine the relative position between bolts and workpiece, the linear motor is driven to move the bolt towards the workpiece at a certain speed. As soon as the bolt touches the workpiece, an electrical contact closes.
  • WO96 / 05015 discloses a stud welding device without a support foot, in which a welding head can be adjusted overall by means of an adjusting drive.
  • a holding device is provided on the welding head, which holds a bolt.
  • An adjusting device serves to axially shift the holding device relative to the welding head.
  • the adjusting device can be a servo-pneumatic or a servo-hydraulic working cylinder.
  • the relative position between the holding device and the welding head is detected by means of a position measuring system.
  • the welding head To determine a zero position between the stud and the workpiece, the welding head is moved to an end position in the direction of the workpiece. In the course of this movement, the bolt hits the workpiece. Since the bolt can no longer follow the movement of the welding head from this point on, the holding device is then displaced relative to the welding head against the pressing movement. This displacement is measured by the position measuring system, and the end position of the welding head is precisely recorded.
  • this object is achieved by a short-time arc welding system, as mentioned at the beginning, the measuring system having a control device which controls the lifting device in such a way that the element is moved towards the component until it contacts the component to determine the relative position.
  • the object is achieved in the first aspect of the invention by a method for short-time arc welding, in particular for stud welding, of elements such as e.g. Metal bolts, on components such as Metal sheets, with the steps:
  • the object is achieved by a short-time arc welding system for welding elements, such as metal studs, on components, such as metal sheets, with a welding head on which a holding device for holding an element and a lifting device for closing and Resetting the holding device relative to the welding head are provided, and a measuring system for determining the relative position between a component and an element to be welded onto the component, the measuring system having a control device which controls the lifting device in such a way that the element is moved towards the component , until it contacts the component so as to determine the relative position, and wherein the welding head has elastic means for elastically biasing the holding device in an adjusting direction.
  • the above object is completely achieved by the first aspect of the invention.
  • the combination of a robot and a welding head which is movably attached to the robot arm via a welding head base, enables high positioning speeds to be achieved with high precision.
  • the speed can be increased further by the measure of designing the measuring system for determining the relative position between the component and the element such that in particular no support foot is necessary.
  • This also has the advantage that no contact is made with the component. In this respect, damage to the component in the vicinity of the weld is excluded.
  • the robot arm is movable in three coordinate axes.
  • Such robots are particularly advantageous when welding metal elements onto body panels of motor vehicles. Because in this area of application there is a requirement that the bolts be ten and consequently to be welded to the body panel in a wide variety of positions.
  • the welding head base has a carriage on which the welding head is mounted.
  • a slide or generally speaking a device for exerting a movement along an axis, is advantageous in that highly dynamic movements can be achieved with it with comparatively high precision.
  • the carriage is driven pneumatically.
  • the welding head has elastic means for elastically prestressing the holding device in an adjusting direction.
  • the lifting device for closing and resetting the holding device can be held without energy in most operating states. As a result, there is little energy consumption.
  • the second aspect of the invention is directed to the design of a welding head, irrespective of whether the welding head is movably arranged on a robot and / or a welding head base.
  • the decisive factor in the second aspect of the invention is the combination of a measuring system without support legs with elastic means for elastic pretensioning of the holding device in one setting direction.
  • the measurement of the relative position between the component and the element can be carried out by means of auxiliary means without touching the component.
  • the lifting device which is used to determine the relative position, can be held without energy in most operating states, since the holding device is elastically pretensioned in a setting direction in a suitable rest position.
  • the elastic means pretension the holding device in the return direction.
  • the lifting device is controlled to determine the relative position between the component and the element in the feed direction, the holding device is always in the correct starting position in its elastically prestressed rest position, so that overall a particularly low energy consumption is achieved. Furthermore, under certain conditions, a higher dynamic can be achieved compared to other configurations.
  • the elastic means pretension the holding device in the feed direction.
  • the holding device when the method according to the invention is used, the holding device is drawn in against the prestressing force of the elastic means during the approach of the welding head into the head welding position.
  • the elastic means resets the holding device. Pretension direction so that the movement of the holding device in method step (c) takes place against the pretensioning force of the elastic means.
  • the holding device releases the element after the welding process and the lifting device is switched off, so that the holding device is biased into a rest position by the elastic means.
  • the measuring system preferably has a path sensor which detects the path of the holding device relative to the welding head.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of a short-time arc welding system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic path-time diagram which shows the relative position between a component and an element to be welded onto the component (or its holding device) over time, the position of the component being defined by the time axis; wherein the path-time diagram during the operation of the first embodiment of the 1 short-term arc welding system according to FIG.
  • FIG. 3 is a path-time diagram that results from the operation of an alternative embodiment of a short-time arc welding system, as shown in FIG.
  • Fig. 4 is shown schematically.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a welding head of an alternative embodiment of a short-time arc welding system according to the invention.
  • a first embodiment of a short-time arc welding system according to the invention is generally designated 10.
  • the short-time arc welding system 10 which will be referred to as stud welding system 10 below, includes a robot 12.
  • the robot 12 has a rotary head 14, by means of which a single-joint or multi-joint arm 16 can be rotated. Overall, the robot 12 is designed to move the end of the arm freely in three coordinate axes x, y, z.
  • a welding head base 20 is attached to the end of the robot arm 16.
  • the welding head base 20 carries a carriage 21 which can be moved back and forth relative to the welding head base 20 in the direction of an axis 26.
  • a welding head 22 is mounted on the carriage 21.
  • a pneumatic arrangement 24 serves to move the welding head 22 back and forth in relation to the welding head base 20 by means of the slide 21. At 28, the stroke is shown by which the pneumatic assembly 24 can move the welding head 22 with respect to the welding head base 20.
  • the welding head 22 has a holding device 30, which is designed to releasably hold a metal element such as a bolt 32.
  • the holding device has suitable clamping means, which are not shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 there is also a metal component, such as a sheet 34, which is oriented essentially perpendicular to the axis 26.
  • a metal component such as a sheet 34, which is oriented essentially perpendicular to the axis 26.
  • the welding head 22 also has a lifting device 36, which is formed by a linear motor, in particular an electric linear motor.
  • the lifting device 36 serves to move the holding device 30 with respect to the welding head 22 in an axial direction which is aligned parallel to the axis 22.
  • the lifting device 30 has a stroke 38 which can be, for example, in the range between 8 mm and 20 mm, in particular in the range between 10 mm and 15 mm.
  • the stroke 28 of the pneumatic arrangement 24 can be in the range between 2 cm and 10 cm, in particular in the range between 4 cm and 6 cm.
  • the holding device 30 is biased in relation to the welding head 22 in the direction away from the component 34, that is to say pretensioned in the return direction, by means of a compression spring 40.
  • the compression spring 40 engages on the one hand on the welding head 22 or the movable part of the slide 21 and on the other hand on the holding device 30 on.
  • the welding head 22 has a displacement sensor 44, which is only indicated schematically in FIG. 1.
  • the displacement sensor 44 serves to detect the relative position between the holding device 30 and the welding head 22.
  • the displacement sensor 44 can have a code reader on the holding device 30, which reads a linear coding on the welding head 22.
  • a control device 46 is also provided.
  • the control device 46 is connected to the robot 12 and to the pneumatic arrangement 24, the lifting device 36 and the displacement sensor 44.
  • the control device 46 serves to control the movable elements of the stud welding system 10 in a coordinated manner with respect to one another or to regulate their movement, speed and / or acceleration on the basis of the signals from the displacement sensor 44.
  • control device 46 serves to determine the relative position between the element 32 and the component 34 before a welding process.
  • control device 46 is electrically connected to the bolt 32 via lines (not shown in more detail). 1 that the control device 46 is able to apply a measuring voltage V to the bolt 32.
  • the component 34 can be grounded, for example, so that a suitable current measuring device can be used as soon as the element 32 makes electrical contact with the component 34.
  • the robot 12 Before a point in time T x , the robot 12 is activated in order to bring the welding head base 20 into a basic welding position by means of the rotary head 14 and the robot arm 16, which is achieved at T x .
  • the base welding position of the welding head base 20 is shown in FIG. 1. In this position, the welding head base 20 is at a certain distance above the component 34, the axis 26 being perpendicular to the desired welding position of the component 34.
  • the pneumatic arrangement 24 is actuated so that the welding head 22 is extended in the direction of the component 34, namely by the full stroke 28, up to the head welding position.
  • the end position of the element 32 is shown in FIG. 1 at 32 ′, in FIG. 2 at T 2 .
  • the element 32 ′ is located at a distance 48 from the component 34 that is smaller than the maximum stroke 38 of the lifting device 36.
  • the lifting device 36 is actuated so that the element 32 is moved towards the component 34 until it contacts the component 34 at the time T 3 .
  • This movement is preferably carried out at a constant speed.
  • the distance covered is detected by the distance sensor 34.
  • element 32 contacts component 34, so that a circuit originating from measuring voltage V is closed. This is detected by the control device 46 and the lifting device 36 is stopped.
  • the contact position between element 32 and component 34 present at this point in time is used as the “zero position” for the further welding process.
  • the exact relative position between element 32 and component 34 is consequently known via the displacement sensor 44 over the entire subsequent welding process.
  • the welding process can therefore be carried out independently of any tolerances in the positioning by the robot 12 or by the pneumatic Order 24 with the desired positional relationship between element 32 and component 34.
  • the relative position between element 32 and component 34 is “calibrated” before each welding operation.
  • a stud welding process takes place in a manner known per se.
  • a pilot current is applied to the element 32.
  • the element 32 is then raised relative to the component 34 so that an arc is drawn.
  • the actual welding current is switched on, by means of which the energy of the arc is increased so that the end face of the element 32 and the associated location of the component 34 are melted.
  • This lifting process is carried out solely by the lifting device 36.
  • the pneumatic arrangement 24 is not actuated here.
  • the lifting device 36 returns the element 32 to the component. As soon as electrical contact is made again at T, the arc is short-circuited and the welding current is switched off.
  • an infeed process generally takes place somewhat below the surface of the component 34, so that the mutual melting takes place well.
  • the entire melt solidifies and the actual welding process is completed at time T 5 .
  • the holding device releases element 32.
  • the lifting device 36 is switched off.
  • the holding device 30 is consequently returned to the retracted rest position by the spring 40.
  • the pneumatic arrangement 24 is controlled by the control device 46 in such a way that the welding head 22 returns to the retracted initial position.
  • the stud welding system 10 is again in the position shown in FIG. 1.
  • a new element 32 is then fed to the holding device 30 and the Robot 12 is controlled so that the welding head base 20 comes into a suitable basic welding position for the welding process of the new element 32.
  • FIG. 3 shows a similar path-time diagram, which differs from the path-time diagram of FIG. 2 only in two aspects.
  • the welding head 50 can be mounted on a welding head base 20 by means of a carriage 21 instead of the welding head 22.
  • a carriage 21 instead of the welding head 22.
  • the construction and operation of a stud welding system with the welding head 50 can be identical to that of the stud welding system 10 of FIG. 1. Consequently, for this second embodiment Reference is made to the description of the stud welding system 10, and only the differences are explained below.
  • the welding head 50 has a holding device 52 for an element 32 and a lifting device 54.
  • the lifting device 54 serves to move the holding device 52 with respect to the welding head 50 in the direction of an axis 26 in order to return the element 32 to or from the component 34.
  • the lifting device 54 has a permanent magnet 56 which contains an annular bore.
  • the holding device 52 has a blind hole 60 which is adapted to the circular bore 58, so that an end of the holding device 52 facing away from the component 34 forms a sleeve section 62 which is inserted into the circular bore 58.
  • a coil 64 is formed on the outer circumference of the sleeve section 62.
  • the coil 64 is connected to a power unit 66, which in turn is controlled by a control unit 68, for example by pulse width modulation.
  • a displacement sensor 70 is also provided, which measures the displacement of the holding device 52 in relation to the welding head 50.
  • a compression spring 72 is arranged between the permanent magnet 56 and a flange 74 of the holding device 52 projecting on the component side.
  • the compression spring 72 biases the holding device 52 into a rest position, and in contrast to the embodiment of FIG. 1, the rest position is in the feed direction, so that the holding device 52 is at its maximum extended in relation to the welding head 50 in the rest position.
  • the holding device 52 can be drawn into the welding head 50 with respect to this rest position, against the pretension of the compression spring 72.
  • a code reader 78 rigidly connected to the welding head 50 sweeps over a linear coding 76 on the holding device 52.
  • the code reader 78 consequently emits an actual path signal 80 to the control device 68.
  • the control device 68 compares the actual signal 80 with a desired signal 82 and outputs an actuating signal 84 to the power unit 66.
  • control device 68 It is understood that a suitable controller is consequently present in the control device 68.
  • the operation of the stud welding system with the alternative welding head 50 is basically identical to the operation of the stud welding system 10 of FIG. 1, with the following exceptions:
  • T 2 the holding device 52 is consequently in the fully retracted position and at a maximum distance from the component 34.
  • the further operation between T 2 and T 5 is identical to the operation of the embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • the element 32 can be approached to the component 34 in a highly dynamic and high precision.
  • the combination of control device 46 or 68, displacement sensor 44 or 70 and lifting device 36 or 54 is then used to determine the relative position between element 32 and component 34.
  • FIG. 1 An alternative embodiment is shown in dashed lines in FIG. 1, in which the component 34A can be adjusted by a stroke 28A by means of a schematically indicated adjustment arrangement.
  • This configuration represents an alternative to the arrangement of a carriage 21 on the welding head base 20. If there is consequently such an adjusting device for the component 34A, it is possible to rigidly fix the welding head to the welding head base 20.
  • the component 34 before, during and after the welding process is not touched by other elements of the welding head, but only by the element 32 itself.

Landscapes

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Abstract

Es werden vorgeschlagen ein Kurzzeit-Lichtbogenschweisssystem (10) und ein zugeordnetes Verfahren zum Schweissen von Elementen (32), wie z.B. Metallbolzen (32), auf Bauteile (34), wie z.B. Metallbleche (34), mit einem Roboter (12), der wenigstens einen Arm (16) aufweist, der in wenigstens zwei Koordinatenachsen (x, y, z) beweglich ist, einer Schweisskopfbasis (20), die an dem Roboterarm (16) festgelegt ist, einem Schweisskopf (22), der an der Schweisskopfbasis (20) beweglich gelagert ist und an dem eine Haltevorrichtung (30) zum Halten eines Elementes und eine Hubvorrichtung (36) zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung (30) relativ zu dem Schweisskopf (22) vorgesehen sind, und einem Messystem (44,46) zum Bestimmen der Relativlage zwischen einem Bauteil (34) und einem auf das Bauteil (34) aufzuschweissenden Element (32). Dabei weist das Messystem (44,46) eine Steuereinrichtung (46) auf, die die Hubvorrichtung (36) so ansteuert, dass das Element (32) auf das Bauteil (34) zu bewegt wird, bis es das Bauteil (34) kontaktiert, um so die Relativlage zu bestimmen.

Description

Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem und Verfahren zum Kurzzeit-Lichtbogenschweißen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kurzzeit-Lichtbogen- schweißsystem zum Schweißen von Elementen, wie z.B. Metallbolzen, auf Bauteile, wie z.B. Metallbleche, mit
- einem Roboter, der wenigstens einen Arm aufweist, der in wenigstens zwei Koordinatenachsen beweglich ist,
- einer Schweißkopfbasis, die an dem Roboterarm festgelegt ist,
- einem Schweißkopf, der an der Schweißkopfbasis beweglich gelagert ist und an dem eine Haltevorrichtung zum Halten eines Elementes und eine Hubvorrichtung zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung relativ zu dem Schweißkopf vorgesehen sind, und
- einem Meßsystem zum Bestimmen der Relativlage zwischen einem Bauteil und einem auf das Bauteil aufzuschweißenden Element .
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kurzzeit- Lichtbogenschweißen, insbesondere zum Bolzenschweißen, von
Elementen, wie z.B. Metallbolzen, auf Bauteile, wie z.B. Metallbleche.
Ein solches Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem und ein zugehöriges Verfahren sind allgemein bekannt.
Beim Kurzzeit-Lichtbogenschweißen wird ein Element auf ein Bauteil aufgeschweißt. Dabei wird ein Lichtbogen zwischen Element und Bauteil gebildet, der die Stirnflächen anschmelzt. Anschließend werden das Element und das Bauteil aufeinander zu bewegt, so daß sich die Schmelzen vermischen. Der Lichtbogen wird kurzgeschlossen und die Gesamtschmelze erstarrt.
Üblich ist es, den Lichtbogen zu ziehen. Dabei wird das Element zunächst auf das Bauteil aufgesetzt. Anschließend wird ein Pilotstrom eingeschaltet und das Element wird gegenüber dem Bauteil bis auf eine gewünschte Höhe angehoben, wobei ein Lichtbogen gezogen wird. Erst danach wird der Schweißstrom zugeschaltet.
Um gleichbleibend gute Schweißergebnisse zu erzielen, ist es unter anderem wichtig, die Relativstellung zwischen Element und Bauteil zu kennen, insbesondere das Element auf die richtige Höhe anzuheben, bevor der Schweißstrom zugeschaltet wird. Zu diesem Zweck erfolgt in der Regel vor je- dem Schweiß organg eine Messung der Relativstellung, insbesondere in Form einer Nullpositionsbestimmung.
Dies ist bei roboter-basierten Systemen von besonderer Bedeutung. Zwar sind moderne Roboter generell in der Lage, vergleichsweise präzise zu positionieren. Eine hohe Präzi- sion läßt sich jedoch insbesondere aufgrund der hohen bewegten Massen nicht mit sehr hoher Dynamik erzielen.
Bolzenschweißsysteme werden insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzt. Sie dienen dort vor allem dazu, Elemente wie Bolzen mit und ohne Gewinde, Ösen, Muttern, etc. auf das Karosserieblech aufzuschweißen. Diese Elemente dienen dann als Halteanker, um bspw. Innenraurαverkleidungen zu befestigen.
In der Kraftfahrzeugindustrie kommt es auf die Herstellungsgeschwindigkeit maßgeblich an. Innerhalb weniger Minu- ten sind Hunderte von Elementen an unterschiedlichen Positionen automatisiert mittels Roboter aufzuschweißen. Die Roboter müssen folglich mit hoher Dynamik bewegt werden. Daher ist es bekannt, am Arm eines Roboters eine Schweißkopfbasis anzubringen, die einen Schlitten trägt. Der Schlitten ist hochdynamisch mit hoher Präzision beweglich, üblicherweise mittels eines pneumatischen oder hydrauli- sehen Systems. An dem Schlitten ist der eigentliche Schweißkopf gelagert, der wiederum über eine Hubvorrichtung zum Bewegen des Elementes verfügt.
Aus der DE 41 208 11 AI ist eine Bolzenschweißvorrichtung bekannt, die einen Schraubengewindereluktanzmotor (SGRM) als Linearmotor zum axialen Verstellen eines Bolzenhalters verwendet. Zu diesem Zweck bildet das bewegte Organ des SGRM ein Verstellglied, dessen Bewegung auf den Bolzenhalter übertragen wird. Das nichtbewegte Organ bildet die Hal- terung der Bolzenschweißvorrichtung. Der SGRM ermöglicht es, die axiale Hin- und Herbewegung des Bolzenhalters hinsichtlich Einstellage und Geschwindigkeit definiert zu steuern.
In der Ruhelage liegt das bewegte Organ unter der Spannung einer Feder gegen einen mit der Halterung verbunden An- schlag an. Erst durch Ansteuerung des SGRM wird das bewegte Organ aus der Ruhelage in Richtung auf das Werkstück verstellt, das mit einem Schweißbolzen zu versehen ist. Dabei nimmt der Bolzenhalter nach einem vorbestimmten Weg eine Zwischenlage ein, bevor der Schweißbolzen auf das Werkstück auftrifft, womit durch Kontaktgabe der Schweißlichtbogen in bekannter Weise gezündet wird.
Die US-A-5, 252, 802 offenbart eine weitere Bolzenschweißvorrichtung mit einem Gehäuse, das als Handpistole ausgebildet ist. Ein Positionsmotor bringt zunächst das Gehäuse in eine Position, bei der ein Bolzen in der Nähe eines Bauteiles angeordnet ist. In dem Gehäuse ist ein Linearmotor vorgesehen, um einen Hubschaft axial zu bewegen, der den Bolzen trägt. Zur Steuerung des Linearmotors ist ein Wegmeßsystem vorgesehen. Zum Bestimmen der Relativlage zwischen Bolzen und Werkstück wird der Linearmotor angesteuert, um den Bolzen mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf das Werkstück zu zu bewegen. Sobald der Bolzen das Werkstück berührt, schließt ein elektrischer Kontakt.
Ferner ist es aus der WO 96/11767 bekannt, den Bolzenhalter in Richtung auf das Werkstück elastisch vorzuspannen, und mittels eines Linearmotors gegen die Vorspannung axial zu bewegen.
Zur Ermittlung der Relativlage zwischen Bolzen und Werk- stück ist es auch bekannt (bspw. aus "Neue TUCKER Technologie. Bolzenschweißen mit System", Emhart Tucker, Sept. 1999) , eine Nullposition mittels eines Stützfußes zu bestimmen.
Schließlich offenbart die WO96/05015 eine Bolzenschweißvor- richtung ohne Stützfuß, bei der ein Schweißkopf insgesamt mittels eines Versteilantriebes verstellbar ist. An dem Schweißkopf ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, die einen Bolzen hält. Eine Verstellvorrichtung dient dazu, die Haltevorrichtung axial gegenüber dem Schweißkopf zu verschie- ben. Die Versteilvorrichtung kann ein servopneumatischer oder ein servohydraulischer Arbeitszylinder sein. Die Relativstellung zwischen Haltevorrichtung und Schweißkopf wird mittels eines Wegmeßsystems erfaßt.
Zum Bestimmen einer Nullposition zwischen Bolzen und Werk- stück wird der Schweißkopf bis zu einer Endposition in Richtung auf das Werkstück verfahren. Im Verlauf dieser Bewegung trifft der Bolzen auf das Werkstück auf. Da der Bolzen ab diesem Zeitpunkt der Bewegung des Schweißkopfes nicht mehr folgen kann, wird ab dann die Haltevorrichtung gegenüber dem Schweißkopf entgegen der Anpreßbewegung verschoben. Diese Verschiebung wird von dem Wegmeßsystem gemessen, und so die Endlage des Schweißkopfes exakt erfaßt. Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kurzzeit-Lichtbogen- schweißsystem und Verfahren zum Kurzzeit-Lichtbogenschweißen anzugeben, mit dem hohe Positioniergeschwindigkeiten bei hoher Präzision möglich sind.
Diese Aufgabe wird bei einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem gelöst, wie eingangs genannt, wobei das Meßsystem eine Steuereinrichtung aufweist, die die Hubvorrichtung so ansteuert, daß das Ele- ment auf das Bauteil zu bewegt wird, bis es das Bauteil kontaktiert, um so die Relativlage zu bestimmen.
Ferner wird die Aufgabe bei dem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Kurzzeit-Lichtbogenschweißen, insbesondere zum Bolzenschweißen, von Elementen, wie z.B. Metallbolzen, auf Bauteile, wie z.B. Metallbleche, mit den Schritten:
a) Ansteuern eines Roboters mit einem Arm so, daß eine an dem Arm festgelegte Schweiß öpfbasis mit einem Schweißkopf in eine Basis-Schweißposition gelangt,
b) Ansteuern eines den Schweißkopf an der Schweißkopfbasis lagernden Schlittens oder Verfahren eines Bauteils in Bezug auf die Schweißkopfbasis so, daß der Schweißkopf in eine Kopf-Schweißposition gelangt,
c) Ansteuern einer Hubvorrichtung des Schweißkopfes so, daß eine Haltevorrichtung mit einem daran gehaltenen Element auf das Bauteil zu bewegt wird,
d) Erfassen der Hubvorrichtungs-Position, bei der das Element das Bauteil kontaktiert. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem zum Schweißen von Elementen, wie z.B. Metallbolzen, auf Bauteile, wie z.B. Metallbleche, mit einem Schweißkopf, an dem eine Haltevorrichtung zum Halten eines Elementes und eine Hubvorrichtung zum Zu- und Rückstellen der Haltevbrrichtung relativ zu dem Schweißkopf vorgesehen sind, und einem Meßsystem zum Bestimmen der Relativlage zwischen einem Bauteil und einem auf das Bauteil aufzuschweißenden Element, wobei das Meßsystem eine Steuereinrichtung aufweist, die die Hubvorrichtung so ansteuert, daß das Element auf das Bauteil zu bewegt wird, bis es das Bauteil kontaktiert, um so die Relativlage zu bestimmen, und wobei der Schweißkopf elastische Mittel aufweist, um die Haltevorrichtung in eine Stellrichtung elastisch vorzuspannen.
Die obige Aufgabe wird durch den ersten Aspekt der Erfindung vollkommen gelöst. Durch die Kombination eines Roboters und eines Schweißkopfes, der über eine Schweißkopfbasis beweglich an dem Roboterarm festgelegt ist, lassen sich hohe Positioniergeschwindigkeiten bei hoher Präzision erzielen. Durch die Maßnahme, das Meßsystem zum Bestimmen der Relativlage zwischen Bauteil und Element so auszugestalten, daß insbesondere kein Stützfuß notwendig ist, kann die Geschwindigkeit weiter erhöht werden. Ferner hat dies den Vorteil, daß das Bauteil durch keine Hilfsmittel kontaktiert wird. Insofern sind Beschädigungen des Bauteiles im Umgebungsbereich der Schweißung ausgeschlossen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Roboterarm in drei Koordinatenachsen beweglich.
Derartige Roboter sind insbesondere bei der Anwendung des Aufschweißens von Metallelementen auf Karosseriebleche von Kraftfahrzeugen von Vorteil. Denn in diesem Anwendungsgebiet besteht die Anforderung, die Bolzen an beliebigen Or- ten und folglich in den unterschiedlichsten Stellungen an das Karosserieblech aufzuschweißen.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Schweißkopfbasis einen Schlitten aufweist, an dem der Schweißkopf montiert ist.
Ein Schlitten, bzw. allgemein gesagt eine Vorrichtung zum Ausüben einer Bewegung entlang einer Achse, ist insofern von Vorteil, als mit diesem hochdynamische Bewegungen bei vergleichsweiser hoher Präzision erzielt werden können.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Schlitten pneu- matisch angetrieben ist.
Hierbei ist von Vorteil, daß Pneumatikenergie in den gattungsgemäßen Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystemen meist ohnehin verfügbar ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Schweißkopf elastische Mittel auf, um die Haltevorrichtung in eine Stellrichtung elastisch vorzuspannen.
Durch diese Maßnahme kann die Hubvorrichtung zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung in den meisten Betriebszu- ständen energielos gehalten werden. Folglich ergibt sich ein geringer Energieverbrauch.
Dieses Merkmal bildet zugleich eines der Kernmerkmale gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Der zweite Aspekt der Erfindung ist auf die Ausgestaltung eines Schweißkopfes gerichtet, unabhängig davon, ob der Schweißkopf an einem Ro- boter und/oder einer Schweißkopfbasis beweglich angeordnet ist. Entscheidend ist bei dem zweiten Aspekt der Erfindung die Kombination eines stützfußlosen Meßsystems mit elastischen Mitteln zum elastischen Vorspannen der Haltevorrichtung in eine Stellrichtung. Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung ist es folglich vorteilhaft, daß die Messung der Relativlage zwischen Bauteil und Element ohne Berührung des Bauteiles durch Hilfsmittel erfolgen kann. Ferner kann die Hub orrichtung, die zur Be- Stimmung der Relativlage verwendet wird, in den meisten Be- triebszuständen energielos gehalten werden, da die Haltevorrichtung in einer Stellrichtung in eine geeignete Ruheposition elastisch vorgespannt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform spannen die elastischen Mittel die Haltevorrichtung in Rückstellrichtung vor.
Da die Hubvorrichtung zum Bestimmen der Relativlage zwischen Bauteil und Element in Zustellrichtung angesteuert wird, befindet sich die Haltevorrichtung in ihrer elastisch vorgespannten Ruhelage immer in der richtigen Ausgangsposition, so daß insgesamt ein besonders niedriger Energieverbrauch erzielt wird. Ferner läßt sich unter bestimmten Voraussetzungen eine im Vergleich zu anderen Ausgestaltungen höhere Dynamik erzielen.
Bei einer alternativen Ausführungsform spannen die elastischen Mittel die Haltevorrichtung in Zustellrichtung vor.
Bei dieser Ausführungsform läßt sich im eigentlichen Schweißvorgang in Zustellrichtung eine höhere Dynamik erzielen.
Bei dieser Ausführungsform ist es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens so, daß das Einziehen der Haltevorrichtung während des Annäherns des Schweißkopfes in die Kopf-Schweißposition gegen die Vorspannkraft der elastischen Mittel erfolgt.
Im Gegensatz hierzu ist es bei der Ausführungsform, bei der die elastischen Mittel die Haltevorrichtung in Rückstell- richtung vorspannen, so, daß die Bewegung der Haltevorrichtung im Verfahrensschritt (c) gegen die VorSpannkraft der elastischen Mittel erfolgt.
Insgesamt ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor- zugsweise so, daß die Haltevorrichtung nach dem Schweißvorgang das Element freigibt und die Hubvorrichtung ausgeschaltet wird, so daß die Haltevorrichtung durch die elastischen Mittel in eine Ruheposition vorgespannt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem weist das Meßsystem vorzugsweise einen Wegsensor auf, der den Weg der Haltevorrichtung relativ zu dem Schweißkopf erfaßt.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach-stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kurzzeit- Lichtbogenschweißsystems;
Fig. 2 ein schematisches Weg-Zeit-Diagramm, das die Re- lativlage zwischen einem Bauteil und einem auf das Bauteil aufzuschweißenden Element (bzw. dessen Haltevorrichtung) über der Zeit darstellt, wobei die Position des Bauteiles durch die Zeit- Achse definiert ist; wobei das Weg-Zeit-Diagramm sich beim Betrieb der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kurzzeit-LichtbogenschweißSystems gemäß Fig. 1 ergibt;
Fig. 3 ein Weg-Zeit-Di gramm ist, das sich beim Betrieb einer alternativen Ausführungsform eines Kurz- zeit-Lichtbogenschweißsystems ergibt, wie es in
Fig. 4 schematisch dargestellt ist; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schweißkopfes einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kurzzeit-LichtbogenschweißSystems ist.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystems generell mit 10 bezeichnet.
Das Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem 10, das im folgenden kurz Bolzenschweißsystem 10 genannt wird, beinhaltet einen Roboter 12. Der Roboter 12 weist einen Drehkopf 14 auf, mittels dessen ein ein- oder mehrgelenkiger Arm 16 verdreht werden kann. Insgesamt ist der Roboter 12 dazu ausgelegt, das Ende des Armes in drei Koordinatenachsen x, y, z frei zu bewegen.
An dem Ende des Roboterarms 16 ist eine Schweißkopfbasis 20 angebracht. Die Schweißkopfbasis 20 trägt einen Schlitten 21, der relativ zu der Schweißkopfbasis 20 in Richtung einer Achse 26 hin- und herbewegt werden kann. An dem Schlit- ten 21 ist ein Schweißkopf 22 montiert.
Eine Pneumatikanordnung 24 dient dazu, den Schweißkopf 22 in Bezug auf die Schweißkopfbasis 20 mittels des Schlittens 21 hin- und herzubewegen. Bei 28 ist der Hub gezeigt, um den die Pneu atikanordnung 24 den Schweißkopf 22 in Bezug auf die Schweißkopfbasis 20 bewegen kann.
Der Schweißkopf 22 weist eine Haltevorrichtung 30 auf, die dazu ausgelegt ist, ein Metallelement wie einen Bolzen 32 lösbar zu halten. Zu diesem Zweck weist die Haltevorrichtung geeignete Spannmittel auf, die in Fig. 1 nicht näher dargestellt sind.
In Fig. 1 ist ferner ein Metallbauteil, wie ein Blech 34 zeigt, das im wesentlichen senkrecht zu der Achse 26 ausgerichtet ist.
Der Schweißkopf 22 weist ferner eine Hubvorrichtung 36 auf, die durch einen Linearmotor, insbesondere einen elektrischen Linearmotor, gebildet ist.
Die Hubvorrichtung 36 dient dazu, die Haltevorrichtung 30 in Bezug auf den Schweißkopf 22 in einer axialen Richtung zu versetzen, die parallel zu der Achse 22 ausgerichtet ist. Die Hubvorrichtung 30 hat einen Hub 38, der beispielsweise im Bereich zwischen 8 mm und 20 mm, insbesondere im Bereich zwischen 10 mm und 15 mm liegen kann.
Im Vergleich hierzu kann der Hub 28 der Pneumatikanordnung 24 im Bereich zwischen 2 cm und 10 cm betragen, insbesondere im Bereich zwischen 4 cm und 6 cm.
Ferner ist die Haltevorrichtung 30 in Bezug auf den Schweißkopf 22 in Richtung vom Bauteil 34 weg, also in Rückstellrichtung vorgespannt, mittels einer Druckfeder 40. Die Druckfeder 40 greift einerseits an dem Schweißkopf 22 bzw. dem beweglichen Teil des Schlittens 21 und andererseits an der Haltevorrichtung 30 an. Ferner weist der Schweißkopf 22 einen Wegsensor 44 auf, der in Fig. 1 lediglich schematisch angedeutet ist. Der Wegsensor 44 dient dazu, die Relativposition zwischen Haltevorrichtung 30 und Schweißkopf 22 zu erfassen. Zu diesem Zweck kann der Wegsensor 44 einen Code-Leser an der Haltevorrichtung 30 aufweisen, der eine lineare Codierung an dem Schweißkopf 22 liest.
Ferner ist eine Steuereinrichtung 46 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 46 ist verbunden mit dem Roboter 12 sowie mit der Pneumatikanordnung 24, der Hubvorrichtung 36 und dem Wegsensor 44.
Die Steuereinrichtung 46 dient dazu, die beweglichen Elemente des Bolzen-Schweißsystems 10 koordiniert zueinander zu steuern bzw. deren Bewegung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung auf der Grundlage der Signale des Wegsensors 44 zu regeln.
Ferner dient, wie nachstehend noch erläutert werden wird, die Steuereinrichtung 46 dazu, die Relativlage zwischen dem Element 32 und dem Bauteil 34 vor einem Schweißvorgang zu bestimmen.
Zu diesem Zweck ist die Steuereinrichtung 46 elektrisch über nicht näher dargestellte Leitungen mit dem Bolzen 32 verbunden. Ferner ist in Fig. 1 angedeutet, daß die Steuereinrichtung 46 dazu in der Lage ist, an den Bolzen 32 eine Meßspannung V anzulegen. Das Bauteil 34 kann beispielsweise geerdet sein, so daß über eine geeignete Strom-Meßvorrichtung erfaßt werden kann, sobald das Element 32 das Bauteil 34 elektrisch kontaktiert.
Im folgenden wird der Betrieb des Bolzen-Schweißsystems der Fig. 1 anhand des Weg-Zeit-Diagramms der Fig. 2 erläutert. Vor einem Zeitpunkt Tx wird der Roboter 12 angesteuert, um die Schweißkopfbasis 20 mittels des Drehkopfes 14 und des Roboterarms 16 in eine Basis-Schweißposition zu verbringen, was bei Tx erreicht ist. Die Basis-Schweißposition der Schweißkopfbasis 20 ist in Fig. 1 dargestellt. In dieser Position befindet sich die Schweißkopfbasis 20 in einem bestimmten Abstand über dem Bauteil 34, wobei die Achse 26 senkrecht auf der gewünschten Schweißposition des Bauteils 34 steht.
Ab Ti wird die Pneumatikanordnung 24 betätigt, so daß der Schweißkopf 22 in Richtung auf das Bauteil 34 ausgefahren wird, und zwar um den vollen Hub 28, bis in die Kopf- Schweißposition. Die Endposition des Elementes 32 ist in Fig. 1 bei 32' gezeigt, in Fig. 2 bei T2 . Dabei befindet sich das Element 32' in einem Abstand 48 von dem Bauteil 34, der kleiner ist als der maximale Hub 38 der Hubvorrichtung 36.
Ab T2 wird die Hubvorrichtung 36 betätigt, so, daß das Element 32 auf das Bauteil 34 zubewegt wird, bis es zum Zeit- punkt T3 das Bauteil 34 kontaktiert. Diese Bewegung erfolgt vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit. Dabei wird der zurückgelegte Weg mittels des Wegsensors 34 erfaßt. Zum Zeitpunkt T3 kontaktiert das Element 32 das Bauteil 34, so daß ein von der Meßspannung V ausgehender Stromkreis ge- schlössen wird. Dies wird durch die Steuereinrichtung 46 erfaßt und die Hubvorrichtung 36 wird gestoppt.
Ferner wird die zu diesem Zeitpunkt vorhandene Kontaktstellung zwischen Element 32 und Bauteil 34 als "Null-Position" für den weiteren Schweißvorgang herangezogen. Über den Weg- sensor 44 ist folglich über den gesamten folgenden Schweißvorgang jeweils die exakte Relativposition zwischen Element 32 und Bauteil 34 bekannt. Der Schweißvorgang kann folglich unabhängig von etwaig vorhandenen Toleranzen in der Positionierung durch den Roboter 12 bzw. durch die Pneumatikan- Ordnung 24 mit der gewünschten Lagebeziehung zwischen Element 32 und Bauteil 34 erfolgen. Mit anderen Worten erfolgt vor jedem Schweiß organg eine "Kalibrierung" der Relativlage zwischen Element 32 und Bauteil 34.
Ab T3 bis T5 erfolgt ein Bolzen-Schweißvorgang in an sich bekannter Weise. Dabei wird - nach Abtrennen der Meßspannung V - ein Pilotstrom an das Element 32 angelegt. Anschließend wird das Element 32 gegenüber dem Bauteil 34 angehoben, so daß ein Lichtbogen gezogen wird. Nachdem eine bestimmte Höhe erreicht ist, wird der eigentliche Schweißstrom zugeschaltet, durch den die Energie des Lichtbogens so erhöht wird, daß die Stirnseite des Elementes 32 und die zugeordnete Stelle des Bauteiles 34 angeschmolzen werden.
Dieser Hubvorgang erfolgt alleine durch die Hubvorrichtung 36. Die Pneumatikanordnung 24 wird hierbei nicht betätigt. Im folgenden stellt die Hubvorrichtung 36 das Element 32 wieder auf das Bauteil zu. Sobald wieder der elektrische Kontakt erzielt ist, bei T , wird der Lichtbogen kurzgeschlossen und der Schweißstrom wird abgeschaltet.
Anschließend erfolgt im allgemeinen noch ein Zustellvorgang etwas unter die Oberfläche des Bauteiles 34, so daß eine gute Durchmischung der wechselseitigen Schmelzen erfolgt. Die Gesamtschmelze erstarrt und der eigentliche Schweißvorgang ist zum Zeitpunkt T5 abgeschlossen. Zu diesem Zeit- punkt gibt die Haltevorrichtung das Element 32 frei. Ferner wird die Hubvorrichtung 36 abgeschaltet. Die Haltevorrichtung 30 wird folglich durch die Feder 40 in die eingezogene Ruheposition zurückversetzt. Ferner wird hiernach oder parallel hierzu die Pneumatikanordnung 24 von der Steuerein- richtung 46 so angesteuert, daß der Schweißkopf 22 wieder in die eingezogene Anfangsposition gelangt. Zum Zeitpunkt T6 befindet sich das Bolzen-Schweißsystem 10 wieder in der Position, die in Fig. 1 gezeigt ist. Anschließend wird ein neues Element 32 der Haltevorrichtung 30 zugeführt und der Roboter 12 wird so angesteuert, daß die Schweißkopfbasis 20 in eine geeignete Basis-Schweißposition für den Schweißvorgang des neuen Elementes 32 gelangt.
In Fig. 2 ist gezeigt, daß der Verlauf des Weg-Zeit-Dia- grammes von Tx bis T2 linear ist. Hierbei wird davon ausgegangen, daß der Roboter die Schweißkopfbasis 20 zunächst in die Basis-Schweißposition überführt und anschließend die Pneumatikanordnung 24 betätigt wird. In manchen Fällen kann die Bewegung der Pneumatikanordnung 24 der Bewegung des Ro- boterarms 16 auch überlagert werden. In diesem Fall würde sich zwischen Ti und T2 eine nicht-lineare Kurve ergeben. So ist beispielsweise zwischen T5 und T6 ein nicht-linearer Verlauf gezeigt. Dieser ergibt sich dadurch, daß nach dem Lösen der Haltevorrichtung 30 sich die Bewegungen wenig- stens der Hub-Vorrichtung 30 und der Pneumatikanordnung, ggf. auch die des Roboterarms 16 überlagern.
In Fig. 3 ist ein ähnliches Weg-Zeit-Diagramm gezeigt, das sich von dem Weg-Zeit-Diagramm der Fig. 2 lediglich in zwei Aspekten unterscheidet.
Zum einen ist der Verlauf des Diagramms zwischen i und T2 als nicht-lineare Kurve gezeigt. Zum anderen ergibt sich zwischen T5 und T6 ein anderer nicht-linearer Verlauf als bei der Kurve der Fig. 2.
Diese Unterschiede ergeben sich beim Betrieb einer alterna- tiven Ausführungsform eines Bolzenschweißsystems, dessen Schweißkopf in Fig. 4 generell mit 50 bezeichnet ist.
Der Schweißkopf 50 kann anstelle des Schweißkopfes 22 an einer Schweißkopfbasis 20 mittels eines Schlittens 21 montiert werden. Auch im übrigen kann der Aufbau und der Be- trieb eines Bolzenschweißsystems mit dem Schweißkopf 50 identisch sein, wie der Aufbau des Bolzenschweißsystems 10 der Fig. 1. Folglich wird für diese zweite Ausführungsform Bezug genommen auf die Beschreibung des Bolzenschweißsystems 10, und es werden nachstehend lediglich die Unterschiede erläutert.
Der Schweißkopf 50 weist eine Haltevorrichtung 52 für je- weils ein Element 32 sowie eine Hubvorrichtung 54 auf. Die Hubvorrichtung 54 dient dazu, die Haltevorrichtung 52 in Bezug auf den Schweißkopf 50 in Richtung einer Achse 26 zu bewegen, um das Element 32 auf das Bauteil 34 zu- oder von diesem rückzustellen.
Die Hubvorrichtung 54 weist einen Permanentmagneten 56 auf, der eine Kreisringbohrung beinhaltet.
Die Haltevorrichtung 52 weist ein an die Kreisringbohrung 58 angepaßtes Sackloch 60 auf, so daß ein dem Bauteil 34 abgewandtes Ende der Haltevorrichtung 52 einen Hülsenab- schnitt 62 bildet, der in die Kreisringbohrung 58 eingeführt ist.
Am Außenumfang des Hülsenabschnittes 62 ist eine Spule 64 ausgebildet. Die Spule 64 ist mit einem Leistungsteil 66 verbunden, das wiederum von einer Steuereinheit 68 ange- steuert wird, bspw. durch Pulsbreitenmodulation.
Ferner ist ein Wegsensor 70 vorgesehen, der den Weg der Haltevorrichtung 52 in Bezug auf den Schweißkopf 50 mißt.
Eine Druckfeder 72 ist zwischen dem Permanentmagneten 56 und einem bauteilseitig vorstehenden Flansch 74 der Halte- Vorrichtung 52 angeordnet. Die Druckfeder 72 spannt die Haltevorrichtung 52 in eine Ruhelage vor, und im Gegensatz zu der Ausführungsform der Fig. 1 liegt die Ruhelage in Zustellrichtung, so daß die Haltevorrichtung 52 in der Ruhestellung gegenüber dem Schweißkopf 50 maximal ausgezogen ist. Durch Erregung der Spule 64 kann die Haltevorrichtung 52 gegenüber dieser Ruhestellung in den Schweißkopf 50 eingezogen werden, gegen die Vorspannung der Druckfeder 72. Dabei überstreicht ein starr mit dem Schweißkopf 50 verbun- dener Code-Leser 78 eine lineare Codierung 76 an der Haltevorrichtung 52. Der Code-Leser 78 gibt folglich ein Weg- Ist-Signal 80 an die Steuereinrichtung 68 ab. Die Steuereinrichtung 68 vergleicht das Ist-Signal 80 mit einem Soll- Signal 82 und gibt ein Stell-Signal 84 an das Leistungsteil 66 ab.
Es versteht sich, daß in der Steuereinrichtung 68 folglich ein geeigneter Regler vorhanden ist.
Der Betrieb des Bolzenschweißsystems mit dem alternativen Schweißkopf 50 ist dem Grunde nach identisch zu dem Betrieb des Bolzenschweißsystems 10 der Fig. 1, mit folgenden Ausnahmen:
Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ergibt sich im Zeitraum zwischen Ti und T2 ein nicht-linearer Verlauf des Weges des Elementes 32 über der Zeit. Dies liegt daran, daß der Bewegung der Pneumatikanordnung 24 eine Bewegung der Hubvorrichtung 54 in die entgegengesetzte Richtung überlagert wird. Denn während der Annäherung des Schweißkopfes 50 an das Bauteil 34 wird zunächst die Haltevorrichtung 52 mit dem daran gehaltenen Element 32 gegen die Zustellrichtung und gegen die Kraft der Feder 72 eingezogen.
Im Zeitpunkt T2 befindet sich die Haltevorrichtung 52 folglich in der vollständig eingezogenen und maximal von dem Bauteil 34 beabstandeten Position. Der weitere Betrieb zwischen T2 und T5 ist identisch zu dem Betrieb der Ausfüh- rungsfor der Fig. 1 und 2.
Ab dem Zeitpunkt T5 , nachdem die Haltevorrichtung 52 das Element 32 freigegeben hat, erfolgt eine Überlagerung der Bewegungen der Pneumatikanordnung 24 und der Haltevorrichtung 52 mittels der Feder 72, die die Haltevorrichtung 52 in die ausgezogene Ruheposition vorspannt. Ferner kann dieser Bewegung bereits eine Bewegung des Roboterarms 16 über- lagert sein.
Bei beiden Ausführungsformen läßt sich das Element 32 hoch dynamisch und mit hoher Präzision an das Bauteil 34 annähern. Anschließend wird die Kombination aus Steuereinrichtung 46 bzw. 68, Wegsensor 44 bzw. 70 und Hubvorrichtung 36 bzw. 54 dazu genutzt, um die Relativlage zwischen Element 32 und Bauteil 34 zu bestimmen.
Folglich können aufeinanderfolgende Schweißvorgänge mit gleichbleibend hoher Qualität unabhängig von der Präzision der Positionierung des Schweißkopfes 22 bzw. 50 durchge- führt werden.
In Fig. 1 ist noch eine alternative Ausführungsform gestrichelt dargestellt, bei der das Bauteil 34A mittels einer schematisch angedeuteten Verstellanordnung um einen Hub 28A verstellbar ist.
Diese Ausgestaltung stellt eine Alternative zu der Anordnung eines Schlittens 21 an der Schweißkopfbasis 20 dar. Falls folglich eine derartige Versteilvorrichtung für das Bauteil 34A vorhanden ist, ist es möglich, den Schweißkopf starr an der Schweißkopfbasis 20 festzulegen.
Ferner kann es in manchen Fällen hinreichend sein, das Ende des Roboterarmes direkt in eine Position zu bringen, bei der das Element 32 sich in der angenäherten Position befindet, die in Fig. 1 mit 32' bezeichnet ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Haltevorrichtung 30 bzw. 52 gegen- über dem Schweißkopf 22 bzw. 50 mittels elastischer Mittel, wie der Feder 40 bzw. 72, elastisch in eine Ruhestellung vorgespannt ist. Die oben genannten Bereichsangaben für den Hub der Pneumatikanordnung 28 (bzw. 28 A) und der Hubvorrichtung 36 bzw. 54 sind dazu ausgelegt, eine besonders hohe Dynamik bei möglichst hoher Präzision der Positionierung zu erzielen.
Insbesondere bei Anwendung in der Kraftfahrzeugindustrie, um Halteanker wie Bolzen mit und ohne Gewinde, Ösen, T-Bol- zen etc. auf Karosseriebleche zu schweißen, kommt es auf eine solche hohe Dynamik bei hoher Präzision im Rahmen einer automatisierten Fertigungsstraße besonders an.
Ferner ist es in den dargestellten Ausführungsformen von Vorteil, daß das Bauteil 34 vor, während und nach dem Schweißvorgang nicht von anderen Elementen des Schweißkopfes berührt wird, sondern lediglich von dem Element 32 selbst.

Claims

Patentansprüche
1. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem (10) zum Schweißen von Elementen (32), wie z.B. Metallbolzen (32), auf Bauteile (34), wie z.B. Metallbleche (34), mit
- einem Roboter (12) , der wenigstens einen Arm (16) aufweist, der in wenigstens zwei Koordinatenachsen (x, y, z) beweglich ist,
- einer Schweißkopfbasis (20), die an dem Roboterarm (16) festgelegt ist,
- einem Schweißkopf (22;50), der an der Schweißkopfbasis (20) beweglich gelagert ist und an dem eine Haltevorrichtung (30;52) zum Halten eines Elementes (32) und eine Hubvorrichtung (36; 54) zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung (30; 52) relativ zu dem Schweißkopf (22; 50) vorgesehen sind,' und
- einem Meßsystem (44, 46; 68, 70) zum Bestimmen der Relativlage zwischen einem Bauteil (34) und einem auf das Bauteil (34) aufzuschweißenden Element (32),
dadurch gekennzeichnet, daß
das Meßsystem (44, 6; 68, 70) eine Steuereinrichtung (46; 68) aufweist, die die Hubvorrichtung (36; 54) so ansteuert, daß das Element (32) auf das Bauteil (34) zu bewegt wird, bis es das Bauteil (34) kontaktiert, um so die Relativlage zu bestimmen.
2. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Roboterarm (16) in drei Koordinatenachsen (x, y, z) beweglich ist.
3. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißkopfbasis
(20) einen Schlitten (21) aufweist, an dem der Schweißkopf (22; 50) montiert ist.
4. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (21) pneuma- tisch angetrieben ist.
5. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (22;50) elastische Mittel (40;72) aufweist, um die Haltevorrichtung (30;52) in eine Stell- richtung elastisch vorzuspannen.
6. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 - 5, zum Schweißen von Elementen (32), wie z.B. Metallbolzen (32), auf Bauteile
(34), wie z.B. Metallbleche (34), mit einem Schweiß- köpf (22;50), an dem eine Haltevorrichtung (30;52) zum
Halten eines Elementes (32) und eine Hubvorrichtung
(36; 54) zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung
(30; 52) relativ zu dem Schweißkopf (22; 50) vorgesehen sind, und einem Meßsystem (44, 46; 68, 70) zum Bestimmen der Relativlage zwischen einem Bauteil (34) und einem auf das Bauteil (34) aufzuschweißenden Element (32), dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem
(44, 6; 68,70) eine Steuereinrichtung (46; 68) aufweist, die die Hubvorrichtung (36; 54) so ansteuert, daß das Element (32) auf das Bauteil (34) zu bewegt wird, bis es das Bauteil (34) kontaktiert, um so die Relativlage zu bestimmen, und daß das Meßsystem (22;50) elastische Mittel (40; 72) aufweist, um die Haltevorrichtung (30; 52) in eine Stellrichtung elastisch vorzuspannen.
7. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Mittel (40) die Haltevorrichtung (30) in Rückstellrichtung vorspannen.
8. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Mittel (72) die Haltevorrichtung (52) in Zustellrichtung vor- spannen.
9. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem (44, 6; 68, 70) einen Wegsensor (44;70) aufweist, der den Weg der Haltevorrichtung (30;52) relativ zu dem Schweißkopf (22; 50) erfaßt.
10. Verfahren zum Kurzzeit-Lichtbogenschweißen, insbesondere zum Bolzenschweißen, von Elementen (32), wie z.B. Metallbolzen (32), auf Bauteile (34), wie z.B. Metallbleche (34), mit den Schritten:
a) Ansteuern eines Roboters (12) mit einem Arm (16) so, daß eine an dem Arm (16) festgelegte Schweißkopfbasis (20) mit einem Schweißkopf (22;50) in eine Basis-Schweißposition gelangt (Ti) ,
b) Ansteuern eines den Schweißkopf (22; 50) an der Schweißkopfbasis (20) lagernden Schlittens (21) oder Verfahren eines Bauteils (34A) in Bezug auf die Schweißkopfbasis (20) so, daß der Schweißkopf (22;50) in eine Kopf-Schweißposition (T2) gelangt,
c) Ansteuern einer Hubvorrichtung (36; 54) des Schweißkopfes (22; 50) so, daß eine Haltevorrich- tung (30; 52) mit einem daran gehaltenen Element (32) auf das Bauteil (34) zu bewegt wird,
d) Erfassen der Hubvorric tungs-Position, bei der das Element (32) das Bauteil (34) kontaktiert (T3).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Hubvorrichtung (54) im Schritt a) oder im Schritt b) so angesteuert wird, daß die Haltevorrichtung (52) von dem Bauteil weg eingezogen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Einziehen der Haltevorrichtung (52) gegen eine Vorspannkraft von elastischen Mitteln (72) erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Bewegung der Haltevorrichtung (30) im Schritt c) gegen eine Vor- Spannkraft von elastischen Mitteln (40) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (30; 52) nach dem Schweißvorgang das Element (32) freigibt und die Hubvorrichtung (36; 54) ausgeschaltet wird, so daß die Haltevorrichtung (30; 52) durch die elastischen Mittel (40; 72) in eine Ruheposition vorgespannt wird.
EP02776918A 2001-08-02 2002-08-01 Kurzzeit-lichtbogenschweisssystem und verfahren zum kurzzeit-lichtbogenschweissen Withdrawn EP1417071A1 (de)

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