WO2014009121A1 - Federpaket, maschine und schweisskopf - Google Patents

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WO2014009121A1
WO2014009121A1 PCT/EP2013/062774 EP2013062774W WO2014009121A1 WO 2014009121 A1 WO2014009121 A1 WO 2014009121A1 EP 2013062774 W EP2013062774 W EP 2013062774W WO 2014009121 A1 WO2014009121 A1 WO 2014009121A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spring
spring assembly
compression spring
adjusting nut
welding
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/062774
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Kaussler
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP13730554.6A priority Critical patent/EP2872283A1/de
Priority to CN201380047604.5A priority patent/CN104640665A/zh
Priority to MX2015000493A priority patent/MX2015000493A/es
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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
    • B23K11/30—Features relating to electrodes
    • B23K11/31—Electrode holders and actuating devices therefor
    • B23K11/318—Supporting devices for electrode holders

Definitions

  • the invention relates to a spring assembly, which, for example, in a welding head to carry out resistance welding, resistance soldering or hot riveting, wherein the workpieces to be joined by resistance heating at the same time exerted compressive force (welding force) on a joint (in welding the so-called ) are joined together materially or by solder.
  • spring packs can also be used for any other purposes, for example in stamping tools.
  • resistance welding two electrically conductive workpieces are heated by an electrical current flow until they melt. The melt solidifies after the flow of current and forms a welded joint. In this case, the formation of an intimate connection is possibly supported by compression during and after the flow of current (resistance - pressure welding). Resistance welding generally takes place without supply of additional material.
  • Resistance spot welding as a special form of resistance welding is used, for example, to join steel sheets in bodywork and vehicle construction. But it also serves to weld aluminum or other metals, eg. As in the manufacture of capacitors, terminals of coils and motor windings or contact sets for relay and line circuit breaker. Resistance spot welding offers the advantage of concentrating a high energy in the form of electric current in a short time on a small area of a workpiece, whereby a non-detachable connection is created under application of high pressure, which is applied pneumatically or electromechanically.
  • soldering In resistance soldering, an electrical current closure at a soldering point generates heat. It is suitable for soldering parts of unequal mass, for example of small parts Sheets that have a high thermal conductivity. The solder joint forms an electrical resistance and heats up directly.
  • Welding heads are known for the described fields of application. These carry an electrode, which are movably mounted in the direction of a counter electrode. The workpieces to be joined are first positioned between the two electrodes and then pressed by a movement of the electrode of the welding head on the counter electrode. During the bonding process, a required process temperature and welding force lead to a softening of the material, which leads to a so-called repositioning of the welding head due to the pressure of the electrodes on the workpieces. From the prior art, a welding head with a drive and with an electrode which is movably mounted, known. "Micro welding head with adjustable electrode force", available on the Internet at
  • the welding force can be adjusted between 0.7 and 200 Newton.
  • a welding head with a drive and an electrode, which is movably mounted is also available from the document "Constant Force Head by MacGregor" on the Internet at htt: // www. macgregorsystems. com / files / downloads / Constant% 2 QFo rce% 20Weld% 20Head.pdf on 05.10.2010, known.
  • a welding force ie, the pressing force exerted by the electrode on the workpieces
  • a force sensor is positioned between the electrode and a workpiece carrier receptacle to measure the welding force.
  • this direct type of measurement is different and expensive for each application.
  • WO 2012045763 AI a resistance welding head for resistance welding and soldering is known. Due to its physical structure, this resistance welding head is able to absorb very large forces above 2000 N. The flow of force from a pneumatic cylinder to the electrode is in line with one another. Therefore, no moments of force occur.
  • the movable part of the welding head has a low mass, which favors a quick readjustment. The welding force is measured directly in the force flow and can be queried continuously. She stays during the
  • the welding head is designed according to a platform concept and can be mounted in any position.
  • the repositioning is realized by a compression spring.
  • the welding head is suitable for carrying out resistance welding. Due to its physical structure, it is able to convert even very large forces with a fast setting behavior and to keep the change in the welding force during the process negligibly small.
  • the Nachsetz is realized via a compression spring. This welding head is shown in Figures 1, 2a, 2b, 3 and 4 of the present application.
  • the invention has for its object to provide a device, a machine and a welding head, which is a quick conversion of a machine, in particular a
  • a spring package which contains a compression spring. Furthermore, the spring pack has a
  • the spring assembly is set up for installation in a machine by clamping in a suitable installation position, wherein the two end elements are adapted to the clamping pressure to transmit in the direction of the compression spring axis on the compression spring.
  • the spring package enables quick and easy installation or replacement in any machine as it is easy and quick to change. It provides great flexibility in terms of a range of spring forces required.
  • the particularly quick and easy installation of the spring package is explained by the fact that the spring assembly is designed for installation by simply clamping in a suitable installation position.
  • the spring package must therefore be used only in a suitable installation position. Further assembly steps such as screwing are not mandatory.
  • the spring assembly contains a guide pin as a guide whose length corresponds approximately to the sum of the heights of the compression spring, the first end element and the second end element.
  • This provides a spring assembly with a particularly short guide pin whose length is reduced by at least half in comparison to the guide pin known from WO 2012045763 A1.
  • This makes it possible to construct the spring package modular and self-contained and quickly insert or replace in a machine.
  • the short guide pin allows easy removal of the spring assembly from its mounting position. Compared to the known from WO 2012045763 AI construction of the welding head of the short guide pin requires a completely different construction of the machine that receives the spring assembly.
  • the bias of the compression spring between 500 N and 2,000 N is adjustable.
  • the preload of the compression spring is between 1,500 N and 4,000 N adjustable.
  • the bias of the compression spring between 3,500 N and 7,000 N is adjustable.
  • the preload of the compression spring between 5000 N and 10,000 N adjustable.
  • the first closing element is designed to enter into a force fit, a form fit or a frictional connection and a form fit when clamping in the installed position.
  • the second closing element is set up to engage in trapping in the installed position, a traction, a positive connection or a frictional connection and a positive connection.
  • the spring assembly is only clamped in the installed position. This is sufficient if the spring pack is in a closed chamber. If the spring assembly is freely accessible at least in one direction, a positive connection is recommended, at least with one of the two end elements, in order to prevent the spring assembly from springing out in view of the high pressure forces.
  • the first end element is an insert and the second end element is an adjusting nut.
  • the bias of the compression spring is adjustable by rotation of the adjusting nut, wherein the adjusting nut is rotatable in particular when installed.
  • the preload of the compression spring can be adjusted at any time, ideally even when installed.
  • the spring assembly includes a guide pin as a guide, which at least at its first End has a cavity with an internal thread, at least at its second end has an external thread, and is limited at the second end by a stop whose diameter exceeds the diameter of the external thread.
  • the stop of the guide pin is made of a non-conductive plastic. This has the advantage that the spring pack can be electrically isolated from an environment.
  • the insert is held at the first end of the guide pin by a screw, in particular a hex screw, which is screwed into the internal thread of the guide pin.
  • the adjusting nut is provided with an internal thread and screwed to the second end of the guide pin before the stop on the external thread of the guide pin.
  • the compression spring is clamped between the washer and the adjusting nut. Between the compression spring and the guide pin a protective sleeve is inserted.
  • the protective sleeve protects the compression spring against mechanical damage and also provides a guide for the compression spring ready.
  • the short design of the guide pin which corresponds in its length to the sum of the heights of the compression spring, the washer and the adjusting nut, allows quick and easy installation and removal of the modular spring package.
  • the adjusting nut has a recess or recess, which corresponds in its diameter to an outer diameter of the compression spring and is adapted for receiving and / or fixing one end of the compression spring.
  • An outer layer of the adjusting nut is made of a non - conductive plastic. This has the advantage that the adjusting nut also contributes to the electrical insulation of the spring assembly.
  • the compression spring is a cylindrical torsion spring, which is manufactured in particular from spring steel or beryllium copper. Support surfaces on both axial ends of the spring assembly are arranged substantially parallel to each other. The clamping pressure acts as a normal force on the bearing surfaces.
  • a welding force applied to a workpiece by a welding head after installation of the spring assembly in the welding head by the adjusting nut in dependence on the compression spring in about 500 N and 2,000 N, approximately between 1,500 N and 4,000 N, approximately between 3,500 N and 7,000 N, or approximately between 5,000 N and 10,000 N adjustable.
  • the welding force in each case falls only slightly higher than the bias of the spring package, when the spring assembly is only slightly suppressed by a drive of the welding head with a dynamic travel of 1.5mm to 2mmm.
  • the cylinder force of a pneumatic cylinder of the drive should be greater than the maximum bias of the spring pack to overcome this and to be able to overpress the spring pack.
  • the cylinder force is not chosen to be much higher than the maximum preload of the spring pack by reducing a number of cylinder packs connected in series or down-controlling a cylinder's pressurized air. If very different spring assemblies are used, the cylinder force should be above the maximum preload of 10,000N.
  • the spring pack can be used in a welding head.
  • an adjusting nut is fitted over a first end of a guide pin and screwed onto an external thread of the guide pin to a stop at a second end of the guide pin.
  • a protective sleeve is placed over the first end of the guide pin and the protective sleeve on the adjusting nut used.
  • An insert washer is inserted over the first end of the guide pin and placed on the compression spring.
  • a screw in particular a hex screw, is screwed into an internal thread at the first end of the guide pin, whereby the washer is fastened to the guide pin and the compression spring is compressed via the washer, whereby a bias voltage is applied to the compression spring.
  • To increase the bias of the adjusting nut is screwed back in the direction of the first end of the guide pin.
  • the machine has an installation position for receiving the spring assembly. It also has a first component which is set up to transmit pressure to the first end element and is shaped to produce a positive connection with the first end element.
  • the machine further comprises a second component which is set up to produce a direct or indirect non-positive and / or positive connection with the second terminating element.
  • the second component is in particular configured to produce an indirect frictional connection with the second terminating element by means of an element inserted between the second component and the second terminating element, which forms a frictional connection both with the second component and with the second terminating element.
  • the machine is set up for clamping the spring assembly in the installed position by means of the first component and the second component.
  • the machine has the advantage that the spring assembly is securely held by the first component during clamping by means of the positive connection. This ensures that the spring package does not jump out under any circumstances, even if high pressure forces act on the spring assembly.
  • the machine has a recess through which the spring assembly, in particular for adjusting the bias of the compression spring on the adjusting nut, remains accessible from the outside in the installed state.
  • This embodiment has the advantage that the spring pack can be removed quickly and easily through the recess. Furthermore, the recess offers the advantage that the adjustment of the bias of the compression spring on the adjusting nut can also be carried out in the installed state.
  • the first component has a central recess, which is dimensioned for receiving one end of a rigid axially arranged in the spring assembly guide pin upon compression of the spring assembly.
  • the first component is a head of a piston rod of a drive and forms a positive connection with the first end element.
  • the piston rod is guided by a spring locking screw, which forms a back stop for the head of the piston rod.
  • the second component is a frame in which the spring assembly is inserted.
  • the spring locking screw has a stop and an external thread and is screwed into the frame such that the head of the piston rod is pressed by the spring locking screw onto the spring assembly and applies an additional pretension to the compression spring of the spring assembly.
  • This embodiment has the advantage that the head of the piston rod forms a positive connection with the first end element. For example, this encompasses the head of the piston rod slightly the washer of the spring assembly. This ensures that the spring pack does not pop out under any circumstances.
  • the piston rod is provided with a fine thread.
  • an upper lock nut is screwed to stop with an upper adjusting nut, the upper adjusting nut strikes against a component of the machine when returning the piston rod, whereby a stroke of the piston rod is limited.
  • a lower lock nut is screwed onto the piston rod to a stop with a lower adjusting nut, with the lower adjusting nut striking against a component of the machine when the piston rod is moved, thereby limiting the stroke of the piston rod.
  • the development provides a stroke limitation for a pneumatic cylinder of the drive of the machine.
  • the exporting force of the spring package can be precisely defined.
  • the stroke limitation solves the problem that in a drive with several pneumatic cylinder packages, which are screwed one above the other, concatenated and connected in series, the lowest cylinder can not drive to the limit due to the tolerances of the cylinder.
  • the welding head has the characteristics of the machine.
  • the spring pack installed in the welding head offers the advantage that the compression spring controls the Nachsetzweg the welding head and at the same time keeps the welding force during the process almost constant.
  • the compression spring thus enables an optimal and very fast Nachsetz the electrode during welding.
  • the welding head can therefore be used for the most demanding non-ferrous metal welds.
  • the new welding head with the spring assembly allows a very rapid replacement of the compression spring.
  • the weld head is configured to set a weld force between 500 N and 10,000 N by equipping with different spring packs. This makes it possible to retrofit the welding head in the sense of a process substitution for resistance soldering or hot riveting, since the forces required for this process differ significantly.
  • the spring pack allows this a particularly simple spring change.
  • the spring assembly allows a stepless fine adjustment of the welding force by a variable bias.
  • a cylinder force of a pneumatic cylinder of a drive of the welding head is not sufficient to overpress a spring assembly with a high bias, so advantageously additional cylinder packs can be screwed as cells above the pneumatic cylinder and connected in series with this.
  • the spring pack is incorporated in the weld head.
  • An electrode of the welding head is placed on a workpiece.
  • a welding pressure is repeatedly measured by means of a force sensor which is arranged between the spring assembly and the second component. The preload of the compression spring is adjusted until the measured weld pressure equals a setpoint.
  • the welding head can be used for welding, in particular resistance welding, resistance pressure welding or resistance spot welding, for soldering, in particular resistance soldering, or for hot riveting.
  • Figure 1 is a view of a welding head from the prior
  • Figure 2a is a front view with a section through the
  • FIG. 2b a side view of the welding head from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a first detail view of the welding head from FIG. 1
  • FIG. 4 shows a second detail view of the welding head from FIG. 1
  • FIG. 5 shows a spring assembly
  • FIG. 6 shows a welding head with built-in spring assembly
  • Figure 7 shows the spring assembly of Figure 5 in a detailed
  • Figure 8 shows the components of the spring package
  • FIG. 9 shows a spring assembly in the installed state in a machine
  • FIG. 10 shows a stroke limitation for a pneumatic cylinder
  • FIG. 11 shows an operating method for a welding head with built-in spring assembly
  • FIG. 12 shows an expansion of the spring assembly from a machine
  • FIG. 13 shows a welding head with water and electrical connection
  • FIG. 14 shows a welding head with electrical insulation
  • FIG. 15 shows an adjusting nut with electrical insulation
  • 16 shows a welding head with built-in spring assembly.
  • FIG. 1 shows a known from WO 2012045763 AI
  • a sensor 8 a spacer sleeve 21, a piston rod 20 and an electrode guide 31 are shown.
  • Figure 1 shows the assembly of said elements in detail.
  • FIG. 1 shows a force sensor 7, which is arranged between the elastic element 4 and the electrode 3.
  • the force sensor 7 thus lies in the direct flow of force between the drive 2, the elastic element 4 and the electrode 3.
  • a stop pin 72 is connected to a guide shaft 75 of the elastic element 4. It allows in conjunction with an adjusting nut 73 which is fixedly mounted by means of a rotation over O-ring on an extension of the drive 2, a simple installation and removal of the force sensor. 7
  • a second adjusting nut 74 which is mounted on the guide shaft 75, serves to set a bias of the elastic element 4.
  • FIG. 2 a shows a front view of the welding head 1 from FIG. 1 with a section through the welding head 1. Shown again are a drive 2, an electrode 3 and an elastic element 4, which are linearly arranged on a line of action 5. Furthermore, a spacer sleeve 20 and electrode guides 30 can be easily recognized. In addition to a cylinder stroke Z, a spring travel F and an electrode stroke E 2a also shows a bias voltage V, around which the elastic element 4 is biased.
  • FIG. 2 a shows a force sensor 7, which is arranged between the elastic element 4 and the electrode 3.
  • the force sensor 7 thus lies in the direct flow of force between the drive 2, the elastic element 4 and the electrode 3.
  • a stop pin is connected to a guide shaft 75 of the elastic element 4.
  • an adjusting nut 73 which is fixedly mounted on an extension of the drive 2 by means of an anti-rotation device via an O-ring, it allows for simple installation and removal of the force sensor 7.
  • the second adjusting nut 74 which is mounted on the guide shaft 75 is, behaves as described above.
  • FIG. 2b shows the welding head 1 from FIG. 1 in a side view.
  • an elastic element 4 and an electrode 3 which are again arranged linearly in a line of action 5
  • FIG. 2b also shows a spacer sleeve 21, a sensor 8 and a connection for a voltage measuring line 50.
  • the connection serves for a voltage measuring line 50 in this case, a measurement of a voltage drop between the electrodes.
  • the other elements have the same function as described above.
  • FIG. 3 shows a first detailed view of the welding head 1 from FIG. 1.
  • the guide shaft 75 which serves as a guide for the pressure spring
  • the guide shaft 75 which may also be referred to as a guide pin, extends far beyond the compression spring through other components of the welding head 1 such as the adjusting nut 73 shown in Figures 3 and 4, which cooperates with a stop pin 72.
  • Figure 4 shows the construction for transmitting power to the compression spring of the welding head 1 in detail.
  • FIG. 5 shows a spring assembly 100 which at least partially replaces the components of the welding head known from the prior art, as shown in FIG. 3 and FIG. 4, and also has distinct advantages. Shown are, in addition to a compression spring 104, an insert 102, which is fixed by means of a hexagon screw 101 and, together with an adjusting nut 120, applies a prestress to the compression spring 104.
  • Compression springs are components which give way under load and return to their original shape after relieving, thus behaving elastically restoring.
  • the restoring force of a compression spring is according to the Hooke's law proportional to a displacement of a force application point against a Kraftzugraum, in which the compression spring acts.
  • FIG. 6 shows a welding head 1 in which the spring assembly 100 from FIG. 5 is inserted.
  • the spring assembly 100 is here inserted into a frame 180.
  • An electrode 3 and a drive 2 of the welding head 1 are also clearly visible.
  • the spring assembly 100 is additionally compressed by means of a fixed spring screw 130 by pressing a head of a piston rod onto the spring assembly 100.
  • FIG. 7 shows a spring assembly 100 in a detailed illustration.
  • a compression spring 104 is limited by an adjusting nut 120 with an internal thread 122 and by an insert 102 in the axial direction.
  • the washer 102 is by means of a hex screw 101 to a guide pin 110 attached.
  • the hexagon screw 101 is screwed into an internal thread 111 of the guide pin 110 and presses on the washer 102, the compression spring 104 together. This leads to a defined pretensioning of the pressure spring 104.
  • a protective sleeve 103 lies loosely on the adjusting nut 120. The protective sleeve 103 is shorter than the compression spring 104 under maximum force.
  • the outside of the protective sleeve 103 is hardened to avoid material removal by friction with the compression spring 104. It also serves as the lead.
  • the guide pin 110 has on its underside a stop 113 and an external thread 112.
  • the adjusting nut 120 is screwed with its internal thread 122 on the external thread 112 of the guide pin 112. To increase the bias of the compression spring 104, the adjusting nut 120 is screwed upwards.
  • An overall height 105 of the spring assembly 100 results from the sum of the heights of the adjusting nut 120, the compression spring 104 and the insert 102. The total height 105 corresponds approximately to the length of the guide pin 110th
  • FIG. 8 shows the components of the spring assembly 100 from FIG. 7. Shown in detail are the hexagon screw 101, the washer 102, the protective sleeve 103, the compression spring 104, the guide pin 110 with internal thread 111, external thread 112 and stop 113. Further, the adjusting nut 120 is located.
  • Figure 9 shows a spring package 100 in the installed state in a machine.
  • the spring assembly 100 with its components insert 102, guide pin 110, compression spring 104,
  • Protective sleeve 103 and adjusting nut 120 is first inserted into a frame 180.
  • a force sensor 7 is located between the underside of the spring assembly 100 and the frame 180.
  • the frame 180 is installed, for example, in a welding head or any other machine.
  • a spring locking screw 130 is screwed into the frame 180 until it stops. In this case, a head of a piston rod 20 is pressed by the fixed spring screw 130 onto the spring assembly 100, as a result of which the
  • Compression spring 104 is biased by the drawn in Figure 9 Vorspannweg 131 in addition.
  • the spring locking screw 130 has a stop, up to which it can be screwed into the frame 180 with an external thread.
  • the Vorspannweg 131 results from the difference in the length of the external thread of the spring locking screw 130 against the thickness of the frame 180th
  • the spring assembly 100 After tightening the spring locking screw 130, the spring assembly 100 forms a frictional connection with the head of the piston rod 20 and the force sensor 7. To connect the spring assembly 100 to the head of the piston rod 20, alternatively or additionally, a positive connection is provided in order to prevent the spring assembly 100 from springing out at high pressure forces.
  • the biasing force of the spring assembly 100 results from an addition of three spring travel:
  • Welding head on a workpiece as a function of measurements of the force sensor 7, which determines the currently set welding force.
  • Decisive for an executive force of the compression spring 104 is further a stroke limitation of a pneumatic cylinder of the machine, in which the spring assembly 100 is inserted.
  • the mechanical elements of such a stroke limitation are shown in FIG. Shown is a drive 2, which consists for example of three interlinked pneumatic cylinders as a powerhouse.
  • a piston rod 20 of the drive is provided with a fine thread 146, on which an upper lock nut 143 is screwed to stop with an upper adjusting nut 141.
  • the upper adjusting nut 141 strikes the drive 2 and thus forms a stroke limitation.
  • a lower lock nut 144 is screwed to stop with a lower adjusting nut 142, which strikes against a stop 145 of the machine in an extension of the piston rod 20 and thus also limits the stroke of the piston rod 20. Furthermore, the stroke limitation solves the problem that in a drive 2 with several pneumatic cylinder packages, which are screwed together, concatenated and connected in series, the lowest cylinder can not drive to the limit due to the tolerances of the cylinder.
  • FIG. 11 shows an operating method for a welding head with built-in spring assembly 100.
  • a frame 180, a force sensor 7 and a piston rod 20 and a spring-locking screw 130 cooperate here with the spring assembly 100 as described in FIG.
  • an electrode 3 of the welding head which is fixedly connected to the frame 180, as well as workpieces 6 are shown.
  • FIG. 11 shows the welding head in a first operating state 11, a second operating state 12, a third operating state 13 and a fourth operating state 14 Piston rod 20, the spring assembly 100, the force sensor 7 and the electrode 3 are arranged in a line of action.
  • the welding head is operated with the aim of welding the workpieces 6 together.
  • the piston rod 20 develops its driving force along the vertical over the spring assembly 100, the force sensor 7, the frame 180 and finally the electrode 3 on the workpieces 6.
  • a galvanic coating of the electrode 3 prevents corrosion of the electrode 3 and avoids contact resistance - changes.
  • the force sensor 7 is arranged between the spring assembly 100 and the frame 180. He is thus in the direct power flow between the piston rod 20, the spring assembly 100 and the
  • Electrode 3 instead of the force sensor 7, a spacer can be installed, which can be replaced by the force sensor 7 at a later time.
  • a force sensor also called a force transducer
  • a dome-shaped force sensor measures a deformation of its metal body by means of strain gauges whose electrical resistance changes with the deformation.
  • the welding head In the first operating state 11, the welding head is in a basic position. In the following it is assumed that the piston rod 20 is driven by a pneumatic cylinder, which is retracted in the first operating state 11.
  • the drive can also be a powerhouse, which consists of three pneumatic cylinders.
  • the pneumatic cylinder is in this case above the piston rod 20 in the idle state.
  • the welding head or its electrode 3 does not rest on the workpieces 6.
  • the spring package 100 only a force which results from the set bias or the three spring paths described in Figure 9 acts.
  • the force sensor 7 and the spring assembly 100 can be removed and replaced. if the assembly steps shown in FIG. 12 are carried out.
  • the piston rod 20 is fully extended within the scope of the stroke limitation of FIG.
  • the electrode 3 has covered an electrode stroke during the transition from the first operating state 11 to the second operating state 12 and placed on the workpieces 6. Since the electrode 3 already touches down on the workpieces 6 before the piston rod 20 abuts against the stop 145 (shown in FIG. 10) with its lower adjusting nut 142, the spring assembly 100 is still in addition to the prestress already present in the first operating state 11 a spring travel F compressed, which is shown in Figure 11.
  • the spring assembly 100 is thus suppressed in the second operating state 12.
  • the electrode 3 now presses with a defined welding force on the workpieces 6.
  • the welding force results from the biasing force, which is composed of the three spring paths described in Figure 9, and the spring travel F.
  • the spring travel F corresponds to the cylinder force, which over the piston rod 20 is applied to the spring assembly 100.
  • Biasing force and cylinder force thus determine the resultant force which is exerted by the spring assembly 100 on the workpieces 6.
  • the exact welding force can be determined in the second operating state 12 and adjusted with the aid of the adjusting nut 120 of the spring assembly 100 shown in the preceding figures.
  • the welding force can be set, for example, between 500 N and 10,000 N, wherein a plurality of spring assemblies with different degrees of compression springs can be provided and optionally used to cover this range of values.
  • the bias of the compression spring is set, for example, between 1.8 and 8.5 mm.
  • the spring travel F is set, for example, between 1 and 3 mm, preferably at 1.5 mm. Depending on the design, other limits and guide values for the welding force, the spring travel F and the preload may result.
  • a Beros 162 shown in FIG. 16
  • the welding process itself takes place between the second operating state 12 and the third operating state 13 and is already completed in the latter. During the welding process, the workpieces heat up and become doughy. In this case, the electrode 3 is lowered by a Nachsetzweg N in the
  • the fourth operating state 14 shows the case in which the piston rod 20 is fully extended as part of its stroke limitation, but no workpieces 6 are present, for which reason the electrode 3 is pushed into the void. In this case, therefore, there is no compression of the spring assembly 100 by the spring travel F, ie the spring assembly 100 is not acted upon in the fourth operating state 14. This can be detected by the Bero 162 of Figure 16 and is used to control whether workpieces are present for welding. The spring travel F is equal to 0 in this case. This can be achieved by the Bero 162 from FIG. 16, whereupon the welding current is not released.
  • the electrode 3 moves as long as synchronous to the movement of the piston rod 20, as it rests against any workpiece 6. As soon as the electrode 3 bears against a workpiece 6, it is decoupled from the piston rod 20 and moves relative to the movement of the piston rod 20. This is made possible by the spring assembly 100.
  • FIG. 12 shows a removal of a spring assembly 100 from a machine, for example from the welding head described above.
  • the construction of the elements shown here corresponds to the embodiments of Figures 9 and 11.
  • Force sensor 7 is inserted into a frame 180, in a first assembly step 61, a spring locking screw 130, which, as described in Figure 9, cooperates with the spring assembly 100 solved.
  • this coupling exerts no more power on the spring assembly 100.
  • the spring assembly 100 is now loose in the frame 180, in the second assembly step 62, the force sensor 7 can be pulled out, whereby the spring assembly 100 slips or falls to the bottom of the frame 180. Subsequently, the spring assembly 100 is removed in a third assembly step 63 itself from the frame 180 and optionally replaced.
  • FIG. 13 shows a welding head 1 with a power connection 171 and a water connection 172.
  • the connections are located at the rear side of the welding head 1.
  • the water connection 172 serves to water-cool the electrode 3 by means of a cooling-water feed-through.
  • Figure 14 shows a section of a welding head with a spring assembly 100, a frame 180 and an insulation 150, which ensures a correct current path through a workpiece during welding.
  • the insulation 150 is attached as an insulating pressure plate between the frame 180 and the lower part of the welding head with the electrode.
  • FIG. 15 shows a sectional view of an adjusting nut 120 with electrical insulation for use in the spring packs shown in FIG. 5, FIG. 6, FIG. 7, FIG. 9, FIG. 11, FIG. 12, FIG. 14 and FIG.
  • the adjusting nut 120 has a recess in which the lower end of the compression spring can be positioned. The diameter of the recess therefore corresponds to the spring outer diameter 121.
  • the adjusting nut 120 For screwing the adjusting nut 120 on the outer thread of the guide pin, the adjusting nut 120 has an internal thread 122.
  • the adjusting nut 120 consists of two layers.
  • the outer layer which is shown in FIG. 15 by hatching to the right, is made of a non-conductive plastic.
  • the stop 113 of the guide pin 110 shown in FIGS. 7 and 8 is made of the same material. Through all these measures, the current path through the spring assembly and in consequence the piston rod is excluded.
  • FIG. 16 shows a complete welding head 1 which operates with a quickly and easily replaceable spring assembly 100.
  • a drive 2 already shown in Figure 10 and explained upper adjusting nut 141, upper lock nut 143, lower adjusting nut 142 and lower lock nut 144 are shown.
  • the spring package 100 is inserted into a frame 180.
  • An adjusting nut of the spring assembly 100 is still accessible even when installed from the outside to adjust the bias.
  • a shim 165 is used in the welding head 1 shown. If necessary, this can be replaced by a force sensor.
  • An electrode 3 of the welding head 1 is held by an electrode holder 166.

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Abstract

Ein sehr kompaktes und modulares Federpaket ermöglicht unterschiedlichste Anwendungen. Eine Einstellung der Vorspannung des Federpakets ist auch im eingebauten Zustand noch ohne weiteres möglich. Der Einbau des Federpakets gestaltet sich durch einfaches Einklemmen in einer Einbauposition äußerst einfach und wird ggf. durch einen Formschluss ergänzt. Das Federpaket ermöglicht einen schnellen und einfachen Einbau bzw. Austausch in beliebigen Maschinen, da es leicht und schnell wechselbar ist. Es stellt eine große Flexibilität in Bezug auf eine Bandbreite benötigter Federkräfte, beispielsweise in unterschiedlichen Ausführungen zwischen 500 N und 10.000 N, bereit. Hierdurch können Maschinen für verschiedene Verfahren im Sinne der Verfahrenssubstitution einfach und schnell umgerüstet werden. Der Führungsbolzen des Federpakets ist im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verkürzt. Hierdurch wird es möglich, das Federpaket modular und in sich abgeschlossen zu konstruieren und schnell in eine Maschine einzusetzen bzw. auszutauschen.

Description

Beschreibung
Federpaket, Maschine und Schweißkopf Die Erfindung betrifft ein Federpaket, welches beispielsweise in einem Schweißkopf eine Durchführung des Widerstandsschweißens, Widerstandslötens oder Warmnietens unterstützt, wobei die zu verbindenden Werkstücke durch Widerstandserwärmung bei gleichzeitig ausgeübter Druckkraft (Schweißkraft) auf eine Fügestelle (beim Schweißen die sog. Schweißstelle) stoffschlüssig oder über Lot miteinander verbunden werden. Federpakete können jedoch auch für beliebige andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise in Stanzwerkzeugen. Beim Widerstandsschweißen werden zwei elektrisch leitfähige Werkstücke durch einen elektrischen Stromfluss bis zum Aufschmelzen erhitzt. Die Schmelze erstarrt nach dem Stromfluss und bildet eine Schweißverbindung. Hierbei wird die Bildung einer innigen Verbindung ggf. durch Zusammendrücken während und nach dem Stromfluss unterstützt (Widerstands - Press - schweißen) . Das Widerstandsschweißen erfolgt im Allgemeinen ohne Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes. Das Widerstands - Punkt - schweißen als Sonderform des Widerstandsschweißens wird beispielsweise zur Verbindung von Stahlblechen im Karosserie- und Fahrzeugbau verwendet. Es dient aber auch zum Verschweißen von Aluminium oder anderen Metallen, z. B. bei der Herstellung von Kondensatoren, Anschlüssen von Spulen und Motorwicklungen oder Kontaktsätzen für Relais- und Leitungs- Schutzschalter . Das Widerstands-Punktschweißen bietet den Vorteil, innerhalb kürzester Zeit eine hohe Energie in Form von elektrischem Strom auf eine kleine Fläche eines Werkstücks zu konzentrieren, wobei unter Zuführung von hohem Druck, welcher pneumatisch oder elektromechanisch aufgebracht wird, eine unlösbare Verbindung entsteht.
Beim Widerstandslöten erzeugt ein elektrischer Stromschluss an einer Lötstelle Wärme. Es eignet sich zum Verlöten von Teilen ungleicher Masse, beispielsweise von Kleinteilen auf Bleche, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Lötstelle bildet hierbei einen elektrischen Widerstand und erwärmt sich direkt.
Für die beschriebenen Anwendungsgebiete sind Schweißköpfe be- kannt . Diese tragen eine Elektrode, welche in Richtung einer Gegenelektrode beweglich gelagert sind. Die zu fügenden Werkstücke werden zunächst zwischen beiden Elektroden positioniert und anschließend durch eine Bewegung der Elektrode des Schweißkopfes auf die Gegenelektrode gedrückt. Während des Verbindungsprozesses kommt es durch eine erforderliche Prozesstemperatur und Schweißkraft zu einer Materialerweichung, welche durch den Druck der Elektroden auf die Werkstücke zu einem so genannten Nachsetzen des Schweißkopfes führt. Aus dem Stand der Technik ist ein Schweißkopf mit einem Antrieb und mit einer Elektrode, welche beweglich gelagert ist, bekannt, vgl. "Mikroschweißkopf mit einstellbarer Elektrodenkraft", im Internet erhältlich unter
www . isomatic . com/html/Deutsh/ksk . htm am 28.09.2010. Hierbei kann die Schweißkraft zwischen 0,7 und 200 Newton eingestellt werden .
Ein Schweißkopf mit einem Antrieb und einer Elektrode, welche beweglich gelagert ist, ist auch aus dem Dokument "Constant Force Weld Head by MacGregor" erhältlich im Internet unter htt : //www . macgregorsystems . com/files/downloads/Constant%2 QFo rce%20Weld%20Head.pdf am 05.10.2010, bekannt .
In diesem Stand der Technik wird eine Einstellung und Kon- trolle einer Schweißkraft, d.h. der von der Elektrode auf die Werkstücke ausgeübten Druckkraft, indirekt durch einen Druckminderer an einem pneumatischen Zylinder des Antriebs vorgenommen. Alternativ wird ein Kraftsensor zwischen der Elektrode und einer Werkstückträgeraufnahme positioniert, um die Schweißkraft zu messen. Diese direkte Art der Messung ist jedoch für jede Anwendung unterschiedlich und aufwendig. Aus der WO 2012045763 AI ist ein Widerstandsschweißkopf zum Widerstandsschweißen und -löten bekannt. Dieser Widerstands - schweißkopf ist durch seinen physikalischen Aufbau in der Lage, auch sehr große Kräfte über 2000 N aufzunehmen. Der Kraftfluss ausgehend von einem Pneumatikzylinder zur Elektrode liegt auf einer Linie. Daher treten keine Kraftmomente auf. Der bewegliche Teil des Schweißkopfes hat eine geringe Masse, wodurch ein schnelles Nachsetzen begünstigt wird. Die Schweißkraft wird direkt im Kraftfluss gemessen und lässt sich dabei kontinuierlich abfragen. Sie bleibt während des
Schweißvorgangs nahezu konstant und ist sehr genau einstellbar. Der Schweißkopf ist nach einem Plattformkonzept aufgebaut und lässt sich in jeder beliebigen Lage montieren. Das Nachsetzen wird über eine Druckfeder realisiert. Der Schweiß- köpf eignet sich zur Durchführung von Widerstandsschweißun- gen. Aufgrund seines physikalischen Aufbaus ist er in der Lage, auch sehr große Kräfte mit einem schnellen Nachsetzverhalten umzusetzen sowie die Veränderung der Schweißkraft während des Prozesses vernachlässigbar klein zu halten. Das Nachsetzverhalten wird über eine Druckfeder realisiert. Dieser Schweißkopf ist in den Figuren 1, 2a, 2b, 3 und 4 der vorliegenden Anmeldung gezeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung, eine Maschine und einen Schweißkopf anzugeben, welche eine schnelle Umrüstung einer Maschine, insbesondere eines
Schweißkopfes, für unterschiedliche Anwendungen erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Federpaket gelöst, welches eine Druckfeder enthält. Weiterhin besitzt das Federpaket eine
Führung, welche in axialer Richtung innerhalb der Druckfeder angeordnet ist und diese zwischen einem ersten Abschlusselement und einem zweiten Abschlusselement unter einer Vorspannung hält. Der Abstand zwischen den beiden Abschlusselementen und damit die Vorspannung der Druckfeder einstellbar. Das Federpaket ist zum Einbau in eine Maschine durch Einklemmen in einer geeigneten Einbauposition eingerichtet, wobei die beiden Abschlusselemente dazu eingerichtet sind, den Klemmdruck in Richtung der Druckfederachse auf die Druckfeder zu übertragen .
Das Federpaket ermöglicht einen schnellen und einfachen Ein- bau bzw. Austausch in beliebigen Maschinen, da es leicht und schnell wechselbar ist. Es stellt eine große Flexibilität in Bezug auf eine Bandbreite benötigter Federkräfte bereit.
Hierdurch können Maschinen für verschiedene Verfahren im Sinne der Verfahrenssubstitution einfach und schnell umgerüstet werden.
Der besonders schnelle und einfache Einbau des Federpakets erklärt sich dadurch, dass das Federpaket zum Einbau durch einfaches Einklemmen in einer geeigneten Einbauposition ein- gerichtet ist . Das Federpaket muss also nur in eine geeignete Einbauposition eingesetzt werden. Weitere Montageschritte wie Verschrauben sind nicht zwingend erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform enthält das Federpaket einen Füh- rungsbolzen als Führung, dessen Länge in etwa der Summe der Bauhöhen der Druckfeder, des ersten Abschlusselements sowie des zweiten Abschlusselements entspricht.
Hierdurch wird ein Federpaket mit einem besonders kurzen Füh- rungsbolzen bereitgestellt, dessen Länge im Vergleich zu dem aus der WO 2012045763 AI bekannten Führungsbolzen um mindestens die Hälfte reduziert ist. Hierdurch wird es möglich, das Federpaket modular und in sich abgeschlossen zu konstruieren und schnell in eine Maschine einzusetzen bzw. auszutauschen. Der kurze Führungsbolzen ermöglicht ein einfaches Herausnehmen des Federpakets aus seiner Einbauposition. Gegenüber der aus der WO 2012045763 AI bekannten Bauweise des Schweißkopfes erfordert der kurze Führungsbolzen eine gänzlich andere Konstruktion der Maschine, die das Federpaket aufnimmt.
In einer Weiterbildung ist die Vorspannung der Druckfeder zwischen 500 N und 2.000 N einstellbar. Alternativ ist die Vorspannung der Druckfeder zwischen 1.500 N und 4.000 N ein- stellbar. In einer anderen Variante ist die Vorspannung der Druckfeder zwischen 3.500 N und 7.000 N einstellbar. Alternativ ist die Vorspannung der Druckfeder zwischen 5.000 N und 10.000 N einstellbar.
Die Weiterbildung zeigt die große Bandbreite sowie die hohen Federkräfte, welche durch das Federpaket bereitgestellt werden können. Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Abschlusselement eingerichtet, bei dem Einklemmen in der Einbauposition einen Kraftschluss , einen Formschluss oder einen Kraftschluss und einen Formschluss einzugehen. Das zweite Abschlusselement ist eingerichtet, bei dem Einklemmen in der Einbauposition einen Kraftschluss, einen Formschluss oder einen Kraftschluss und einen Formschluss einzugehen.
Wird jeweils nur ein Kraftschluss hergestellt, so ist das Federpaket lediglich in der Einbauposition eingeklemmt. Dies ist ausreichend, sofern sich das Federpaket in einer geschlossenen Kammer befindet. Sofern das Federpaket zumindest in einer Richtung frei zugänglich ist, empfiehlt sich ein Formschluss zumindest mit einem der beiden Abschlusselemente, um einem Herausspringen des Federpakets angesichts der hohen Druckkräfte vorzubeugen.
In einer Weiterbildung ist das erste Abschlusselement eine Einlegscheibe und das zweite Abschlusselement eine Einstellmutter. Die Vorspannung der Druckfeder ist durch Drehung der Einstellmutter einstellbar, wobei die Einstellmutter insbesondere im eingebauten Zustand drehbar ist.
Durch die Einstellmutter kann die Vorspannung der Druckfeder jederzeit, idealerweise auch im eingebauten Zustand, einge- stellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform enthält das Federpaket einen Führungsbolzen als Führung, welcher zumindest an seinem ersten Ende einen Hohlraum mit einem Innengewinde aufweist, zumindest an seinem zweiten Ende ein Außengewinde aufweist, und an dem zweiten Ende durch einen Anschlag begrenzt wird, dessen Durchmesser den Durchmesser des Außengewindes übersteigt.
In einer Weiterbildung ist der Anschlag des Führungsbolzens aus einem nicht-leitenden Kunststoff gefertigt. Dies hat den Vorteil, dass das Federpaket elektrisch gegenüber einer Umgebung isoliert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Einlegscheibe an dem ersten Ende des Führungsbolzens durch eine Schraube, insbesondere eine Sechskantschraube, gehalten, welche in das Innengewinde des Führungsbolzens eingeschraubt ist. Die Ein- Stellmutter ist mit einem Innengewinde versehen und an dem zweiten Ende des Führungsbolzens vor dem Anschlag auf das Außengewinde des Führungsbolzens aufgeschraubt. Die Druckfeder ist zwischen der Einlegscheibe und der Einstellmutter eingespannt. Zwischen der Druckfeder und dem Führungsbolzen ist eine Schutzhülse eingelegt.
Die Schutzhülse schützt die Druckfeder vor mechanischen Beschädigungen und stellt weiterhin eine Führung für die Druckfeder bereit. Die kurze Bauform des Führungsbolzens, welcher in seiner Länge der Summe der Bauhöhen der Druckfeder, der Einlegscheibe und der Einstellmutter entspricht, ermöglicht einen schnellen, einfachen Ein- und Ausbau des modularen Federpakets . In einer Weiterbildung weist die Einstellmutter eine Aussparung oder Vertiefung auf, welche in ihrem Durchmesser einem Außendurchmesser der Druckfeder entspricht und für eine Aufnahme und/oder eine Fixierung eines Endes der Druckfeder eingerichtet ist. Eine äußere Schicht der Einstellmutter ist aus einem nicht - leitenden Kunststoff gefertigt. Dies hat den Vorteil, dass auch die Einstellmutter zur elektrischen Isolierung des Federpakets beiträgt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Druckfeder eine zylinderförmige Torsionsfeder, welche insbesondere aus Federstahl oder Berylliumkupfer gefertigt ist. Auflageflächen an beiden axialen Enden des Federpakets sind im Wesentlichen zueinander parallel angeordnet. Der Klemmdruck wirkt als Normal-Kraft auf die Auflageflächen ein.
In einer Weiterbildung ist eine durch einen Schweißkopf auf ein Werkstück aufgebrachte Schweißkraft nach Einbau des Federpakets in den Schweißkopf durch die Einstellmutter in Abhängigkeit von der Druckfeder in etwa zwischen 500 N und 2.000 N, in etwa zwischen 1.500 N und 4.000 N, in etwa zwischen 3.500 N und 7.000 N, oder in etwa zwischen 5.000 N und 10.000 N einstellbar.
Die Schweißkraft fällt hierbei jeweils nur unwesentlich höher als die Vorspannung des Federpakets aus, wenn das Federpaket durch einen Antrieb des Schweißkopfs nur geringfügig mit einem dynamischen Federweg von 1,5mm bis 2mmm überdrückt wird. Die Zylinderkraft eines pneumatischen Zylinders des Antriebs sollte größer als die maximale Vorspannung des Federpakets sein, um diese überwinden und das Federpaket Überdrücken zu können. Vorteilhafterweise wird die Zylinderkraft jedoch nicht wesentlich höher als die maximale Vorspannung des Fe- derpakets gewählt, indem eine Anzahl von in Reihe geschalteten Zylinderpaketen reduziert oder eine Druckluft des Zylinders heruntergeregelt wird. Werden ganz unterschiedliche Federpakete verwendet, sollte die Zylinderkraft über der maximalen Vorspannung von 10.000 N liegen.
Das Federpaket kann in einem Schweißkopf verwendet werden.
Bei dem Herstellungsverfahren für ein Federpaket wird eine Einstellmutter über ein erstes Ende eines Führungsbolzens aufgesteckt und auf ein Außengewinde des Führungsbolzens bis an einen Anschlag an einem zweiten Ende des Führungsbolzens aufgeschraubt. Eine Schutzhülse wird über das erste Ende des Führungsbolzens und die Schutzhülse auf die Einstellmutter eingesetzt. Eine Einlegscheibe wird über das erste Ende des Führungsbolzens gesteckt und auf die Druckfeder gelegt. Eine Schraube, insbesondere eine Sechskantschraube, wird in ein Innengewinde am ersten Ende des Führungsbolzens einge- schraubt, wodurch die Einlegscheibe am Führungsbolzen befestigt und die Druckfeder über die Einlegscheibe zusammengedrückt wird, wodurch eine Vorspannung auf die Druckfeder aufgebracht wird. Zur Erhöhung der Vorspannung wird die Einstellmutter in Richtung des ersten Endes des Führungsbolzens zurückgeschraubt.
Die Maschine besitzt eine Einbauposition zur Aufnahme des Federpakets. Sie weist ferner ein erstes Bauelement auf, welches zur Übertragung von Druck auf das erste Abschlusselement eingerichtet und zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung mit dem ersten Abschlusselement geformt ist. Die Maschine umfasst ferner ein zweites Bauelement, welches zur Herstellung einer unmittelbaren oder mittelbaren kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung mit dem zweiten Ab- Schlusselement, eingerichtet ist. Das zweite Bauelement ist insbesondere eingerichtet zur Herstellung einer mittelbaren kraftschlüssigen Verbindung mit dem zweiten Abschlusselement mittels eines zwischen dem zweiten Bauelement und dem zweiten Abschlusselement eingelegten Elements, welches sowohl mit dem zweiten Bauelement als auch mit dem zweiten Abschlusselement eine kraftschlüssige Verbindung eingeht. Ferner ist die Maschine eingerichtet zum Einklemmen des Federpakets in der Einbauposition mithilfe des ersten Bauelements und des zweiten Bauelements.
Die Maschine hat den Vorteil, dass das Federpaket mithilfe der formschlüssigen Verbindung sicher durch das erste Bauelement während des Einklemmens gehalten wird. Somit ist sichergestellt, dass das Federpaket unter keinen Umständen heraus - springt, auch wenn hohe Druckkräfte auf das Federpaket einwirken . Gemäß einer Ausführungsform besitzt die Maschine eine Aussparung, durch welche das Federpaket, insbesondere zur Einstellung der Vorspannung der Druckfeder über die Einstellmutter, auch im eingebauten Zustand von außen zugänglich bleibt.
Diese Ausführungsform hat zum einen den Vorteil, dass das Federpaket durch die Aussparung schnell und einfach ausgebaut werden kann. Weiterhin bietet die Aussparung den Vorteil, dass die Einstellung der Vorspannung der Druckfeder über die Einstellmutter auch im eingebauten Zustand durchgeführt werden kann .
In einer Weiterbildung weist das erste Bauelement eine zentrische Aussparung auf, welche für eine Aufnahme eines Endes eines starren axial im Federpaket angeordneten Führungsbolzens bei Kompression des Federpakets dimensioniert ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Bauelement ein Kopf einer Kolbenstange eines Antriebs und bildet mit dem ersten Abschlusselement einen Formschluss. Die Kolbenstange ist durch eine Federfeststellschraube geführt, welche für den Kopf der Kolbenstange einen rückseitigen Anschlag bildet. Das zweite Bauelement ist ein Rahmen, in welchen das Federpaket eingesetzt ist. Die Federfeststellschraube weist einen An- schlag und ein Außengewinde auf und ist in den Rahmen derart eingeschraubt, dass der Kopf der Kolbenstange durch die Federfeststellschraube auf das Federpaket gedrückt wird und eine zusätzliche Vorspannung auf die Druckfeder des Federpakets aufbringt .
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Kopf der Kolbenstange einen Formschluss mit dem ersten Abschlusselement bildet. Beispielsweise umgreift hierzu der Kopf der Kolbenstange geringfügig die Einlegscheibe des Federpakets. Somit ist sichergestellt, dass das Federpaket unter keinen Umständen herausspringt. In einer Weiterbildung ist die Kolbenstange mit einem Feingewinde versehen. Auf der Kolbenstange ist eine obere Kontermutter auf Anschlag mit einer oberen Stellmutter geschraubt, wobei die obere Stellmutter bei Rückführung der Kolbenstange gegen ein Bauteil der Maschine anschlägt, wodurch ein Hub der Kolbenstange begrenzt wird. Eine untere Kontermutter ist auf der Kolbenstange auf Anschlag mit einer unteren Stellmutter geschraubt, wobei die untere Stellmutter bei Vorschub der Kolbenstange gegen ein Bauteil der Maschine anschlägt, wo- durch der Hub der Kolbenstange begrenzt wird.
Die Weiterbildung stellt eine Hubbegrenzung für einen pneumatischen Zylinder des Antriebs der Maschine bereit. Hierdurch kann die ausführende Kraft des Federpakets genau definiert werden. Weiterhin löst die Hubbegrenzung das Problem, dass bei einem Antrieb mit mehreren pneumatischen Zylinderpaketen, welche übereinander verschraubt, miteinander verkettet und seriell geschaltet sind, der unterste Zylinder aufgrund der Toleranzen der Zylinder nicht bis auf Anschlag fahren kann.
Der Schweißkopf weist die Merkmale der Maschine auf.
Das im Schweißkopf eingebaute Federpaket bietet den Vorteil, dass die Druckfeder den Nachsetzweg des Schweißkopfes regelt und gleichzeitig die Schweißkraft während der Prozessdauer nahezu konstant hält. Die Druckfeder ermöglicht somit ein optimales und sehr schnelles Nachsetzverhalten der Elektrode während des Schweißens . Der Schweißkopf kann daher für anspruchsvollste Buntmetall-Schweißungen verwendet werden.
Wollte man den aus der WO 2012045763 AI bekannten Schweißkopf für einen neuen Einsatz umgerüstet, so müsste man dessen Druckfeder durch eine andere ersetzen. Dies erfordert im Stand der Technik ein aufwändiges Auseinanderbauen des
Schweißkopfes. Demgegenüber ermöglicht der neue Schweißkopf mit dem Federpaket einen sehr zügigen Austausch der Druckfeder . Gemäß einer Ausführungsform ist der Schweißkopf zur Einstellung einer Schweißkraft zwischen 500 N und 10.000 N durch Ausrüstung mit unterschiedlichen Federpaketen eingerichtet. Hierdurch wird es möglich, den Schweißkopf im Sinne einer Verfahrenssubstitution auch zum Widerstandslöten oder Warmnieten umzurüsten, da die hierfür benötigten Kräfte der Verfahren sich deutlich unterscheiden. Das Federpaket ermöglicht hierzu einen besonders einfachen Federwechsel. Insbesondere lässt das Federpaket hierbei durch eine veränderbare Vorspannung eine stufenlose Feineinstellung der Schweißkraft zu.
Sofern eine Zylinderkraft eines pneumatischen Zylinders eines Antriebs des Schweißkopfs nicht ausreicht, um ein Federpaket mit einer hohen Vorspannung zu Überdrücken, so können vorteilhafterweise zusätzliche Zylinderpakete als Zellen über dem pneumatischen Zylinder verschraubt und mit diesem in Reihe geschaltet werden. Bei dem Kalibrierungsverfahren für den Schweißkopf ist das Federpaket in den Schweißkopf eingebaut. Eine Elektrode des Schweißkopfes wird auf ein Werkstück aufgesetzt. Daraufhin wird ein Schweißdruck mithilfe eines Kraftsensors, welcher zwischen dem Federpaket und dem zweiten Bauelement angeordnet ist, wiederholt gemessen. Die Vorspannung der Druckfeder wird eingestellt, bis der gemessene Schweißdruck einem Sollwert entspricht .
Der Schweißkopf kann zum Schweißen, insbesondere Widerstands - schweißen, Widerstands -Pressschweißen oder Widerstands- Punktschweißen, zum Löten, insbesondere Widerstandslöten, oder zum Warmnieten verwendet werden.
Dies bietet den Vorteil, dass der Schweißkopf durch Verfah- renssubstitution als Ressource für unterschiedliche Technologien genutzt werden kann. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Ansicht eines Schweißkopfes aus dem Stand der
Technik mit einer Zerlegung in seine Bestandteile,
Figur 2a eine Frontalansicht mit einem Schnitt durch den
Schweißkopf aus Figur 1, Figur 2b eine Seitenansicht auf den Schweißkopf aus Figur 1,
Figur 3 eine erste Detailansicht des Schweißkopfes aus Figur 1, Figur 4 eine zweite Detailansicht des Schweißkopfes aus Figur 1,
Figur 5 ein Federpaket, Figur 6 einen Schweißkopf mit eingebautem Federpaket,
Figur 7 das Federpaket aus Figur 5 in einer detaillierten
Darstellung, Figur 8 die Bestandteile des Federpakets,
Figur 9 ein Federpaket im eingebauten Zustand in einer Maschine, Figur 10 eine Hubbegrenzung für einen pneumatischen Zylinder,
Figur 11 ein Betriebsverfahren für einen Schweißkopf mit eingebautem Federpaket,
Figur 12 einen Ausbau des Federpakets aus einer Maschine, Figur 13 einen Schweißkopf mit Wasser- und Stromanschluss , Figur 14 einen Schweißkopf mit elektrischer Isolierung,
Figur 15 eine Einstellmutter mit elektrischer Isolierung,
Figur 16 einen Schweißkopf mit eingebautem Federpaket .
Figur 1 zeigt einen aus der WO 2012045763 AI bekannten
Schweißkopf 1 mit einem Antrieb 2, einer Elektrode 3 und ei- nem elastischen Element 4, beispielsweise einer Druckfeder, welche auf einer Wirkungslinie 5 angeordnet sind. Zusätzlich sind auch ein Sensor 8, eine Distanzhülse 21, eine Kolbenstange 20 und eine Elektrodenführung 31 eingezeichnet. Figur 1 zeigt die Montage der genannten Elemente im Detail.
Weiterhin zeigt Figur 1 einen Kraftsensor 7, welcher zwischen dem elastischen Element 4 und der Elektrode 3 angeordnet ist. Der Kraftsensor 7 liegt somit im direkten Kraftfluss zwischen dem Antrieb 2, dem elastischen Element 4 und der Elektrode 3. Ein Anschlagstift 72 ist mit einer Führungswelle 75 des elastischen Elements 4 verbunden. Er ermöglicht im Zusammenspiel mit einer Stellmutter 73, die mittels einer Verdrehsicherung über O-Ring an einer Verlängerung des Antriebs 2 fest montiert ist, einen einfachen Ein- und Ausbau des Kraftsensors 7.
Eine zweite Stellmutter 74, welche auf der Führungswelle 75 montiert ist, dient dazu, eine Vorspannung des elastischen Elements 4 einzustellen.
Figur 2a zeigt eine Frontalansicht des Schweißkopfes 1 aus Figur 1 mit einem Schnitt durch den Schweißkopf 1. Gezeigt sind erneut ein Antrieb 2, eine Elektrode 3 und ein elastisches Element 4, welche auf einer Wirkungslinie 5 linear an- geordnet sind. Weiterhin gut zu erkennen sind eine Distanz - hülse 20 und Elektrodenführungen 30. Zusätzlich zu einem Zylinderhub Z, einem Federweg F und einem Elektrodenhub E ist in Figur 2a auch eine Vorspannung V eingezeichnet, um welche das elastische Element 4 vorgespannt wird.
Weiterhin zeigt Figur 2a einen Kraftsensor 7, welcher zwi- sehen dem elastischen Element 4 und der Elektrode 3 angeordnet ist. Der Kraftsensor 7 liegt somit im direkten Kraftfluss zwischen dem Antrieb 2, dem elastischen Element 4 und der Elektrode 3. Ein Anschlagstift ist mit einer Führungswelle 75 des elastischen Elements 4 verbunden. Er ermöglicht im Zusam- menspiel mit einer Stellmutter 73, die mittels einer Verdrehsicherung über O-Ring an einer Verlängerung des Antriebs 2 fest montiert ist, einen einfachen Ein- und Ausbau des Kraftsensors 7. Die zweite Stellmutter 74, welche auf der Führungswelle 75 montiert ist, verhält sich wie zuvor beschrie- ben.
Figur 2b zeigt den Schweißkopf 1 aus Figur 1 in einer Seitenansicht. Neben einem Antrieb 2, einem elastischen Element 4 und einer Elektrode 3, welche erneut in einer Wirkungslinie 5 linear angeordnet sind, zeigt Figur 2b auch eine Distanzhülse 21, einen Sensor 8 und einen Anschluss für eine Spannungsmessleitung 50. Der Anschluss für eine Spannungsmessleitung 50 dient hierbei einer Messung eines Spannungsabfalls zwischen den Elektroden. Die anderen Elemente haben die gleiche Funktion wie zuvor beschrieben.
Figur 3 zeigt eine erste Detailansicht des Schweißkopfes 1 aus Figur 1. In der Darstellung ist die Führungswelle 75, welche als Führung für die Druckfeder dient, hervorgehoben. Die Führungswelle 75, welche auch als Führungsbolzen bezeichnet werden kann, erstreckt sich weit über die Druckfeder hinaus durch andere Bauelemente des Schweißkopfes 1 wie etwa die in Figur 3 und 4 gezeigte Stellmutter 73, welche mit einem Anschlagstift 72 zusammenwirkt. Dies führt dazu, dass die Druckfeder in der Praxis nur mit größtem Aufwand ausgetauscht werden kann, da zahlreiche Bauteile des Schweißkopfes 1 hierfür auseinandergebaut und zerlegt werden müssen. Figur 4 zeigt die Konstruktion zur Kraftübertragung auf die Druckfeder des Schweißkopfes 1 im Detail.
Figur 5 zeigt ein Federpaket 100, welches die in Figur 3 und Figur 4 gezeigten Bauelemente des aus dem Stand der Technik bekannten Schweißkopfes zumindest teilweise ersetzt und darüber hinaus deutliche Vorteile aufweist. Gezeigt sind neben einer Druckfeder 104 eine Einlegscheibe 102, welche mithilfe einer Sechskantschraube 101 fixiert ist und gemeinsam mit ei- ner Einstellmutter 120 eine Vorspannung auf die Druckfeder 104 aufbringt .
Druckfedern sind Bauteile, welche unter Belastung nachgeben und nach Entlastung in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, sich also elastisch rückstellend verhalten. Die rücktreibende Kraft einer Druckfeder ist nach dem Hookeschen Gesetz proportional zu einer Verschiebung eines Kraftangriffspunktes entgegen einer Kraftzugrichtung, in welche die Druckfeder wirkt. Figur 6 zeigt einen Schweißkopf 1, in welchen das Federpaket 100 aus Figur 5 eingesetzt ist. Das Federpaket 100 ist hierbei in einen Rahmen 180 eingesetzt. Deutlich sichtbar sind weiterhin eine Elektrode 3 und ein Antrieb 2 des Schweißkopfes 1. Das Federpaket 100 wird mithilfe einer Federfeststeil - schraube 130 zusätzlich komprimiert, indem diese einen Kopf einer Kolbenstange auf das Federpaket 100 drückt. Hierdurch wird ein definierter Betrag an Kraft auf den Kopf der Kolbenstange und das Federpaket 100 ausgeübt, wodurch sich ein Kraftschluss ergibt. Der Kopf der Kolbenstange bildet ferner einen Formschluss mit dem Federpaket 100, wodurch sichergestellt ist, dass dieses nicht aus dem Schweißkopf 1 heraus - springt .
Figur 7 zeigt ein Federpaket 100 in einer detaillierten Dar- Stellung. Eine Druckfeder 104 wird durch eine Einstellmutter 120 mit einem Innengewinde 122 und durch eine Einlegscheibe 102 in axialer Richtung begrenzt. Die Einlegscheibe 102 ist mithilfe einer Sechskantschraube 101 an einem Führungsbolzen 110 befestigt. Hierzu wird die Sechskantschraube 101 in ein Innengewinde 111 des Führungsbolzens 110 eingeschraubt und drückt über die Einlegscheibe 102 die Druckfeder 104 zusammen. Dies führt zu einer definierten Vorspannung der Druckfe- der 104. Eine Schutzhülse 103 liegt lose auf der Einstellmutter 120. Die Schutzhülse 103 ist kürzer als die Druckfeder 104 unter maximaler Krafteinwirkung. Die Außenseite der Schutzhülse 103 ist gehärtet, um Materialabtrag durch Reibung mit der Druckfeder 104 zu vermeiden. Sie dient zusätzlich als Federführung. Der Führungsbolzen 110 weist an seiner Unterseite einen Anschlag 113 sowie ein Außengewinde 112 auf. Die Einstellmutter 120 ist mit ihrem Innengewinde 122 auf das Außengewinde 112 des Führungsbolzens 112 aufgeschraubt. Zur Erhöhung der Vorspannung der Druckfeder 104 wird die Einstell- mutter 120 nach oben geschraubt. Eine Gesamthöhe 105 des Federpakets 100 ergibt sich aus der Summe der Bauhöhen der Einstellmutter 120, der Druckfeder 104 sowie der Einlegscheibe 102. Die Gesamthöhe 105 entspricht in etwa der Länge des Führungsbolzens 110.
Figur 8 zeigt die Bestandteile des Federpakets 100 aus Figur 7 . Im Einzelnen gezeigt sind die Sechskantschraube 101, die Einlegscheibe 102, die Schutzhülse 103, die Druckfeder 104, der Führungsbolzen 110 mit Innengewinde 111, Außengewinde 112 sowie Anschlag 113. Ferner ist die Einstellmutter 120 eingezeichnet .
Figur 9 zeigt ein Federpaket 100 im eingebauten Zustand in einer Maschine. Das Federpaket 100 mit seinen Bestandteilen Einlegscheibe 102, Führungsbolzen 110, Druckfeder 104,
Schutzhülse 103 und Einstellmutter 120 wird zunächst in einen Rahmen 180 eingesetzt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen der Unterseite des Federpakets 100 und dem Rahmen 180 ein Kraftsensor 7 . Der Rahmen 180 ist bei- spielsweise in einem Schweißkopf oder einer beliebigen anderen Maschine verbaut . Nach dem Einsetzen des Kraftsensors 7 und des Federpakets 100 in den Rahmen 180 wird eine Federfeststellschraube 130 bis auf Anschlag in den Rahmen 180 eingeschraubt. Hierbei wird ein Kopf einer Kolbenstange 20 durch die Federfeststeil - schraube 130 auf das Federpaket 100 gedrückt, wodurch die
Druckfeder 104 um den in Figur 9 eingezeichneten Vorspannweg 131 zusätzlich vorgespannt wird. Die Federfeststellschraube 130 besitzt hierzu einen Anschlag, bis zu welchem sie mit einem Außengewinde in den Rahmen 180 eingeschraubt werden kann. Der Vorspannweg 131 ergibt sich aus der Differenz der Länge des Außengewindes der Federfeststellschraube 130 gegenüber der Dicke des Rahmens 180.
Nach dem Anziehen der Federfeststellschraube 130 bildet das Federpaket 100 mit dem Kopf der Kolbenstange 20 sowie dem Kraftsensor 7 einen Kraftschluss . Zur Verbindung des Federpakets 100 mit dem Kopf der Kolbenstange 20 bietet sich alternativ oder ergänzend ein Formschluss an, um ein Herausspringen des Federpakets 100 bei hohen Druckkräften zu verhindern.
Die Vorspannkraft des Federpakets 100 ergibt sich aus einer Addition von drei Federwegen:
- dem Federweg, welcher sich durch Kompression der Druckfeder 104 bei Einschrauben der Sechskantschraube ergibt, vgl. hierzu die Beschreibung zu Figur 7,
- dem Federweg, welcher sich aus der Kompression der
Druckfeder 104 durch Einschrauben der Federfeststellschraube 130 ergibt, und
- dem Federweg, welcher zusätzlich durch die Einstellmutter 120 am Federpaket 100 eingestellt werden kann.
Im eingebauten Zustand ist lediglich der letzte Federweg durch Verstellung der Einstellmutter 120 einstellbar. Bei Verwendung des Federpakets 100 in einem Schweißkopf erfolgt die Einstellung der Vorspannung nach einem Aufsetzen des
Schweißkopfes auf ein Werkstück in Abhängigkeit von Messungen des Kraftsensors 7, welcher die aktuell eingestellte Schweißkraft ermittelt. Entscheidend für eine ausführende Kraft der Druckfeder 104 ist des Weiteren eine Hubbegrenzung eines pneumatischen Zylinders der Maschine, in welche das Federpaket 100 eingesetzt ist. Die mechanischen Elemente einer solchen Hubbegrenzung sind in Figur 10 dargestellt. Gezeigt ist ein Antrieb 2, welcher beispielsweise aus drei miteinander verketteten pneumatischen Zylindern als Kraftpaket besteht. Eine Kolbenstange 20 des Antriebs ist mit einem Feingewinde 146 versehen, auf welchem eine obere Kontermutter 143 auf Anschlag mit einer oberen Stellmutter 141 geschraubt ist. Die obere Stellmutter 141 schlägt am Antrieb 2 an und bildet somit eine Hubbegrenzung. Weiterhin ist eine untere Kontermutter 144 auf Anschlag mit einer unteren Stellmutter 142 geschraubt, welche bei ei- nem Ausfahren der Kolbenstange 20 gegen einen Anschlag 145 der Maschine anschlägt und somit den Hub der Kolbenstange 20 ebenfalls begrenzt. Weiterhin löst die Hubbegrenzung das Problem, dass bei einem Antrieb 2 mit mehreren pneumatischen Zylinderpaketen, welche übereinander verschraubt, miteinander verkettet und seriell geschaltet sind, der unterste Zylinder aufgrund der Toleranzen der Zylinder nicht bis auf Anschlag fahren kann.
Hierdurch wird auch das Problem gelöst, dass bei einer Ver- kettung von drei pneumatischen Zylindern der unterste Zylinder nicht bis auf Anschlag fahren kann.
Figur 11 zeigt ein Betriebsverfahren für einen Schweißkopf mit eingebautem Federpaket 100. Ein Rahmen 180, ein Kraftsen- sor 7 und eine Kolbenstange 20 sowie eine Federfeststellschraube 130 wirken hierbei mit dem Federpaket 100 wie bei Figur 9 beschrieben zusammen. Zusätzlich gezeigt sind eine Elektrode 3 des Schweißkopfes, welche mit dem Rahmen 180 fest verbunden ist, sowie Werkstücke 6.
Figur 11 zeigt den Schweißkopf in einem ersten Betriebszustand 11, einem zweiten Betriebszustand 12, einem dritten Betriebszustand 13 sowie einem vierten Betriebszustand 14. Die Kolbenstange 20, das Federpaket 100, der Kraftsensor 7 und die Elektrode 3 sind in einer Wirkungslinie angeordnet. Der Schweißkopf wird mit dem Ziel betrieben, die Werkstücke 6 miteinander zu verschweißen.
Die Kolbenstange 20 entfaltet ihre Antriebskraft entlang der Senkrechten über das Federpaket 100, den Kraftsensor 7 , den Rahmen 180 und schließlich die Elektrode 3 auf die Werkstücke 6. Ein galvanischer Überzug der Elektrode 3 verhindert eine Korrosion der Elektrode 3 und vermeidet Kontaktwiderstands - Veränderungen .
Der Kraftsensor 7 ist zwischen dem Federpaket 100 und dem Rahmen 180 angeordnet. Er liegt somit im direkten Kraftfluss zwischen der Kolbenstange 20, dem Federpaket 100 und der
Elektrode 3. Anstelle des Kraftsensors 7 kann auch ein Distanzstück verbaut werden, welches sich zu einem späteren Zeitpunkt durch den Kraftsensor 7 ersetzen lässt. Ein Kraftsensor (auch als Kraftaufnehmer bezeichnet) misst eine Kraft, die auf ihn wirkt. Beispielsweise misst ein do- senförmiger Kraftsensor eine Verformung seines Metallkörpers mithilfe von Dehnungsmessstreifen, deren elektrischer Widerstand sich mit der Verformung ändert.
Im ersten Betriebszustand 11 befindet sich der Schweißkopf in einer Grundstellung. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Kolbenstange 20 von einem pneumatischen Zylinder angetrieben wird, welcher im ersten Betriebszustand 11 einge- fahren ist. Der Antrieb kann auch ein Kraftpaket sein, welches aus drei pneumatischen Zylindern besteht. Der pneumatische Zylinder befindet sich hierbei oberhalb der Kolbenstange 20 im Ruhezustand. Der Schweißkopf bzw. dessen Elektrode 3 liegt nicht auf den Werkstücken 6 auf. Im Federpaket 100 wirkt nur eine Kraft, welche sich aus der eingestellten Vorspannung bzw. den drei bei bei Figur 9 beschriebenen Federwegen ergibt. Im ersten Betriebszustand 11 können der Kraftsensor 7 und das Federpaket 100 entnommen und ausgetauscht wer- den, sofern die in Figur 12 gezeigten Montageschritte durchgeführt werden.
Im zweiten Betriebszustand 12 ist die Kolbenstange 20 im Rah- men der Hubbegrenzung aus Figur 10 vollständig ausgefahren. Die Elektrode 3 hat beim Übergang vom ersten Betriebszustand 11 in den zweiten Betriebszustand 12 einen Elektrodenhub zurückgelegt und auf die Werkstücke 6 aufgesetzt. Da die Elektrode 3 auf die Werkstücke 6 bereits aufsetzt, bevor die Kol- benstange 20 mit ihrer unteren Stellmutter 142 an den Anschlag 145 (in Figur 10 gezeigt) anschlägt, wird das Federpaket 100 zusätzlich zu der bereits im ersten Betriebszustand 11 vorhandenen Vorspannung noch um einen Federweg F zusammengedrückt, der in Figur 11 eingezeichnet ist.
Das Federpaket 100 ist im zweiten Betriebszustand 12 folglich überdrückt. Die Elektrode 3 drückt nun mit einer definierten Schweißkraft auf die Werkstücke 6. Die Schweißkraft ergibt sich hierbei aus der Vorspannkraft, welche sich aus den drei bei Figur 9 beschriebenen Federwegen zusammensetzt, und dem Federweg F. Der Federweg F entspricht hierbei der Zylinderkraft, welche über die Kolbenstange 20 auf das Federpaket 100 aufgebracht wird. Vorspannkraft und Zylinderkraft bestimmen somit die resultierende Kraft, welche von dem Federpaket 100 auf die Werkstücke 6 ausgeübt wird. Wenn der Kraftsensor 7 in den Rahmen 180 eingesetzt ist, lässt sich im zweiten Betriebszustand 12 die genaue Schweißkraft bestimmen und mit- hilfe der in den vorangegangenen Figuren gezeigten Einstellmutter 120 des Federpakets 100 einstellen. Je nach Ausführung des Federpakets 100 lässt sich die Schweißkraft beispielsweise zwischen 500 N und 10.000 N einstellen, wobei zur Abdeckung dieses Wertebereichs mehrere Federpakete mit unterschiedlich starken Druckfedern bereitgestellt und wahlweise verwendet werden können.
Die Vorspannung der Druckfeder wird beispielsweise zwischen 1,8 und 8,5 mm eingestellt. Der Federweg F wird beispielsweise zwischen 1 und 3 mm, vorzugsweise bei 1,5 mm, eingestellt. Je nach Konstruktion können sich auch andere Grenz- und Richtwerte für die Schweißkraft, den Federweg F und die Vorspannung ergeben. Mithilfe eines Beros 162 (in Figur 16 gezeigt) lässt sich bestimmen, ob eine Relativbewegung der Elektrode 3 gegenüber der Kolbenstange 20, d.h. eine Überdrü- ckung des Federpakets 100 stattgefunden hat. Bei positiver Abfrage des Beros 162 (siehe Figur 16) wird ein Schweißstrom freigegeben, wodurch eine Verschweißung der Werkstücke 6 erfolgt .
Der Schweißvorgang selbst findet zwischen dem zweiten Betriebszustand 12 und dem dritten Betriebszustand 13 statt und ist in letzterem bereits abgeschlossen. Während des Schweißvorgangs erwärmen sich die Werkstücke 6 und werden teigig. Dabei sinkt die Elektrode 3 um einen Nachsetzweg N in die
Werkstücke 6 ein. Somit ergibt sich eine Nachsetzbewegung der Elektrode 3 in das nachgebende Material der Werkstücke 6. Entsprechend verringert sich die Kompression des Federpakets 100 ausgehend vom Federweg F um den Nachsetzweg N. Durch den Aufbau des Schweißkopfes geht das Nachsetzen sehr schnell, und der Einbruch der Schweißkraft wird dabei minimal gehalten. Mit der Reduzierung des Federwegs F hat sich auch die Kraft der Druckfeder des Federpakets 100 um den entsprechenden Betrag reduziert. Dieser Kraftverlust ist aufgrund der kurzen Wege im Millimeterbereich beim Nachsetzen zu vernachlässigen .
Der vierte Betriebszustand 14 zeigt den Fall, dass die Kolbenstange 20 im Rahmen ihrer Hubbegrenzung vollständig ausge- fahren ist, wobei jedoch keine Werkstücke 6 vorhanden sind, weshalb die Elektrode 3 ins Leere geschoben wird. In diesem Fall findet also keine Kompression des Federpakets 100 um den Federweg F statt, d.h. das Federpaket 100 ist im vierten Betriebszustand 14 nicht beaufschlagt. Dies kann durch den Bero 162 aus Figur 16 detektiert werden und dient zur Kontrolle, ob Werkstücke zum Schweißen vorhanden sind. Der Federweg F ist in diesem Fall gleich 0. Dies lässt sich durch den Bero 162 aus Figur 16 feststellen, woraufhin der Schweißstrom nicht freigegeben wird.
Zusammenfassend bewegt sich die Elektrode 3 solange synchron zur Bewegung der Kolbenstange 20, wie sie an keinem Werkstück 6 anliegt. Sobald die Elektrode 3 an einem Werkstück 6 anliegt, wird sie von der Kolbenstange 20 entkoppelt und bewegt sich relativ zu der Bewegung der Kolbenstange 20. Dies wird durch das Federpaket 100 ermöglicht.
Figur 12 zeigt einen Ausbau eines Federpakets 100 aus einer Maschine, beispielsweise aus dem zuvor beschriebenen Schweißkopf. Die Konstruktion der gezeigten Elemente entspricht hierbei den Ausführungsbeispielen der Figuren 9 und 11. Zum Ausbau des Federpakets 100, welches gemeinsam mit einem
Kraftsensor 7 in einen Rahmen 180 eingesetzt ist, wird in einem ersten Montageschritt 61 eine Federfeststellschraube 130, welche, wie in Figur 9 beschrieben, mit dem Federpaket 100 zusammenwirkt, gelöst. Damit übt diese Kupplung keine Kraft mehr auf das Federpaket 100 aus. Da das Federpaket 100 nun lose im Rahmen 180 liegt, kann im zweiten Montageschritt 62 der Kraftsensor 7 herausgezogen werden, wodurch das Federpaket 100 auf den Boden des Rahmens 180 rutscht oder fällt. Daraufhin wird das Federpaket 100 in einem dritten Montage- schritt 63 selbst aus dem Rahmen 180 entnommen und gegebenenfalls ausgetauscht.
Der Einbau des Federpakets 100 bzw. des Kraftsensors 7 erfolgt dementsprechend in umgekehrter Reihenfolge der Montage- schritte. Abschließend muss dann die Federfeststellschraube 130 nach dem Einsetzen des Kraftsensors 7 wieder bis auf Anschlag angezogen werden.
Figur 13 zeigt einen Schweißkopf 1 mit einem Stromanschluss 171 und einem Wasseranschluss 172. Die Anschlüsse befinden sich an der Rückseite des Schweißkopfes 1. Der Wasseranschluss 172 dient einer Wasserkühlung der Elektrode 3 mittels Kühlwasserdurchführung . Figur 14 zeigt einen Ausschnitt eines Schweißkopfs mit einem Federpaket 100, einem Rahmen 180 sowie einer Isolierung 150, welche beim Schweißen einen korrekten Stromweg durch ein Werkstück gewährleistet. Die Isolierung 150 ist als isolierende Druckplatte zwischen dem Rahmen 180 und dem unteren Teil des Schweißkopfes mit der Elektrode angebracht.
Figur 15 zeigt eine Schnittdarstellung einer Einstellmutter 120 mit elektrischer Isolierung zur Verwendung in den in Figur 5, Figur 6, Figur 7, Figur 9, Figur 11, Figur 12, Figur 14 und Figur 16 gezeigten Federpaketen. Die Einstellmutter 120 weist eine Vertiefung auf, in welcher das untere Ende der Druckfeder positioniert werden kann. Der Durchmesser der Ver- tiefung entspricht daher dem Feder-Außendurchmesser 121. Zum Aufschrauben der Einstellmutter 120 auf dem Außengewinde des Führungsbolzens besitzt die Einstellmutter 120 ein Innengewinde 122. Zur elektrischen Isolation des Federpakets besteht die Einstellmutter 120 aus zwei Schichten. Die äußere Schicht, welche in Figur 15 durch eine nach rechts abfallende Schraffur gezeigt ist, besteht aus einem nicht-leitenden Kunststoff. Aus dem gleichen Material ist der in den Figuren 7 und 8 ge- zeigte Anschlag 113 des Führungsbolzens 110 gefertigt. Durch all diese Maßnahmen wird der Stromweg durch das Federpaket und in der Folge die Kolbenstange ausgeschlossen.
Figur 16 zeigt einen vollständigen Schweißkopf 1, welcher mit einem schnell und einfach wechselbaren Federpaket 100 arbeitet. Neben einem Antrieb 2 sind die bereits in Figur 10 gezeigte und erläuterte obere Stellmutter 141, obere Kontermutter 143, untere Stellmutter 142 und untere Kontermutter 144 dargestellt. Weiterhin ist ein Bero 162 mit einer Rändel- schraube 161 zum Einstellen des Beros 162 für eine Teilabfrage wie im Kontext der Figur 11 eingezeichnet. Das Federpaket 100 ist in einen Rahmen 180 eingesetzt. Eine Einstellmutter des Federpakets 100 ist selbst in eingebautem Zustand noch von außen zur Einstellung der Vorspannung zugänglich. Anstelle eines Kraftsensors ist im gezeigten Schweißkopf 1 eine Ausgleichsscheibe 165 eingesetzt. Diese kann bei Bedarf durch einen Kraftsensor ausgetauscht werden. Eine Elektrode 3 des Schweißkopfes 1 wird von einem Elektrodenhalter 166 gehalten.
Die beschriebenen Ausführungsformen, Weiterbildungen und Aus- führungsbeispiele können frei miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche / Patent Claims
1. Federpaket (100) ,
mit einer Druckfeder (104),
- mit einer Führung, welche in axialer Richtung innerhalb der Druckfeder (104) angeordnet ist und diese zwischen einem ersten Abschlusselement und einem zweiten Abschluss- element unter einer Vorspannung hält,
wobei der Abstand zwischen den beiden Abschlusselementen und damit die Vorspannung der Druckfeder (104) einstellbar ist, und
eingerichtet zum Einbau in eine Maschine durch Einklemmen in einer geeigneten Einbauposition, wobei die beiden Abschlusselemente dazu eingerichtet sind, den Klemmdruck in Richtung der Druckfederachse auf die Druckfeder (104) zu übertragen .
2. Federpaket (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Führungsbolzen (110) als Führung, dessen Länge in etwa der Summe der Bauhöhen der Druckfeder (104) , des ersten Abschlusselements sowie des zweiten Abschlusselements entspricht.
3. Federpaket (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, - bei dem die Vorspannung der Druckfeder (104) zwischen 500N und 2.000N einstellbar ist, oder
bei dem die Vorspannung der Druckfeder (104) zwischen 1.500N und 4.000N einstellbar ist, oder
bei dem die Vorspannung der Druckfeder (104) zwischen 3.500N und 7.000N einstellbar ist, oder
bei dem die Vorspannung der Druckfeder (104) zwischen 5.000N und 10.000N einstellbar ist.
4. Federpaket (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, - bei dem das erste Abschlusselement eingerichtet ist, bei dem Einklemmen in der Einbauposition einen Kraftschluss, einen Formschluss oder einen Kraftschluss und einen Form- schluss einzugehen, und bei dem das zweite Abschlusselement eingerichtet ist, bei dem Einklemmen in der Einbauposition einen Kraftschluss, einen Formschluss oder einen Kraftschluss und einen Form- schluss einzugehen.
5. Federpaket (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das erste Abschlusselement eine Einlegscheibe (102) und das zweite Abschlusselement eine Einstellmutter (120) ist,
- wobei die Vorspannung der Druckfeder (104) durch Drehung der Einstellmutter (120) einstellbar ist, und wobei die Einstellmutter (120) insbesondere auch im eingebauten Zustand drehbar ist. 6. Federpaket (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Führungsbolzen (110) als Führung, welcher
zumindest an seinem ersten Ende einen Hohlraum mit einem Innengewinde (111) aufweist,
zumindest an seinem zweiten Ende ein Außengewinde (112) aufweist, und
an dem zweiten Ende durch einen Anschlag (113) begrenzt wird, dessen Durchmesser den Durchmesser des Außengewindes (112) übersteigt. 7. Federpaket (100) nach Anspruch 6,
bei dem der Anschlag (113) des Führungsbolzens (110) aus einem nicht - leitenden Kunststoff gefertigt ist.
8. Federpaket (100) nach Anspruch 5 und 6 oder 5 und 7, - bei dem die Einlegscheibe (102) an dem ersten Ende des
Führungsbolzen (110) durch eine Schraube, insbesondere eine Sechskantschraube (101), gehalten wird, welche in das Innengewinde (111) des Führungsbolzens (110) eingeschraubt ist ,
- bei dem die Einstellmutter (120) mit einem Innengewinde (122) versehen ist und an dem zweiten Ende des Führungs- bolzens (110) vor dem Anschlag (113) auf das Außengewinde (112) des Führungsbolzens (110) aufgeschraubt ist, bei dem die Druckfeder (104) zwischen der Einlegscheibe (102) und der Einstellmutter (120) eingespannt ist, und bei dem zwischen der Druckfeder (104) und dem Führungsbolzen (110) eine Schutzhülse (103) eingelegt ist.
9. Federpaket (100) nach Anspruch 5 oder 8,
bei dem die Einstellmutter (120) eine Aussparung oder Vertiefung aufweist, welche in ihrem Durchmesser einem Außendurchmesser der Druckfeder (104) entspricht und für eine Aufnahme und/oder eine Fixierung eines Endes der Druckfeder (104) eingerichtet ist, und
bei dem eine äußere Schicht der Einstellmutter (120) aus einem nicht - leitenden Kunststoff gefertigt ist. 10. Federpaket (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
bei dem die Druckfeder (104) eine zylinderförmige gewundene Torsionsfeder ist, welche insbesondere aus Federstahl oder Berylliumkupfer gefertigt ist,
- bei dem Auflageflächen an beiden axialen Enden des Federpakets (100) im Wesentlichen zueinander parallel angeordnet sind, und
bei dem der Klemmdruck als Normal-Kraft auf die Auflageflächen einwirkt.
11. Federpaket (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
bei der eine durch einen Schweißkopf (1) auf ein Werkstück (6) aufgebrachte Schweißkraft nach Einbau des Federpakets (100) in den Schweißkopf (1) durch die Einstellmutter
(120) in Abhängigkeit von der Druckfeder (104) in etwa zwischen 500N und 2.000N, in etwa zwischen 1.500N und
4000N, in etwa zwischen 3.500N und 7.000N oder zwischen in etwa 5.000N und 10.000N einstellbar ist.
12. Verwendung eines Federpakets (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche in einem Schweißkopf (1) .
13. Herstellungsverfahren für ein Federpaket (100),
bei dem eine Einstellmutter (120) über ein erstes Ende eines Führungsbolzens (110) aufgesteckt und auf ein Außengewinde (112) des Führungsbolzens (110) bis an einen An- schlag (113) an einem zweiten Ende des Führungsbolzens
(110) aufgeschraubt wird,
bei dem eine Schutzhülse (103) über das erste Ende des Führungsbolzens (110) lose auf die Einstellmutter (120) gelegt wird,
- bei dem eine Druckfeder (104) über das erste Ende des Führungsbolzens (110) und die Schutzhülse (103) auf die Einstellmutter (120) eingesetzt wird,
bei dem eine Einlegscheibe (102) über das erste Ende des Führungsbolzens (110) gesteckt und auf die Druckfeder (104) gelegt wird,
bei dem eine Schraube, insbesondere eine Sechskantschraube (101), in ein Innengewinde (111) am ersten Ende des Führungsbolzens (110) eingeschraubt wird, wodurch die Einlegscheibe (102) am Führungsbolzen (110) befestigt und die Druckfeder (104) über die Einlegscheibe (102) zusammengedrückt wird, wodurch eine Vorspannung auf die Druckfeder (104) aufgebracht wird, und
bei dem zur Erhöhung der Vorspannung die Einstellmutter (120) in Richtung des ersten Endes des Führungsbolzens (110) zurückgeschraubt wird.
14. Maschine ,
mit einer Einbauposition zur Aufnahme eines Federpakets (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
- mit einem ersten Bauelement, eingerichtet zur Übertragung von Druck auf das erste Abschlusselement und geformt zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung mit dem ersten Abschlusselement,
mit einem zweiten Bauelement, eingerichtet zur Herstellung einer unmittelbaren oder mittelbaren kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung mit dem zweiten Abschlusselement, insbesondere eingerichtet zur Herstellung einer mittelbaren kraftschlüssigen Verbindung mit dem zweiten Abschlusselement mittels eines zwischen dem zweiten Bauelement und dem zweiten Abschlusselement eingelegten Elements, welches sowohl mit dem zweiten Bauelement als auch mit dem zweiten Abschlusselement eine kraft- schlüssige Verbindung eingeht, und
eingerichtet zum Einklemmen des Federpakets (100) in der Einbauposition mithilfe des ersten Bauelements und des zweiten Bauelements. 15. Maschine nach Anspruch 14,
mit einer Aussparung, durch welche das Federpaket (100), insbesondere zur Einstellung der Vorspannung der Druckfeder (104) über die Einstellmutter (120), auch im eingebauten Zustand von außen zugänglich bleibt.
16. Maschine nach Anspruch 14 oder 15,
bei der das erste Bauelement eine zentrische Aussparung aufweist, welche für eine Aufnahme eines Endes eines starren axial im Federpaket (100) angeordneten Führungsbolzens (110) bei Kompression des Federpakets (100) dimensioniert ist .
17. Maschine nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
bei der das erste Bauelement ein Kopf einer Kolbenstange (20) eines Antriebs (2) ist und mit dem ersten Abschlusselement einen Formschluss bildet,
bei der die Kolbenstange (20) durch eine Federfeststellschraube (130) geführt ist, welche für den Kopf der Kolbenstange (20) einen rückseitigen Anschlag bildet,
- bei der das zweite Bauelement ein Rahmen (180) ist, in welchen das Federpaket (100) eingesetzt ist,
bei der die Federfeststellschraube (130) einen Anschlag und ein Außengewinde aufweist und in den Rahmen (180) derart eingeschraubt ist, dass der Kopf der Kolbenstange (20) durch die Federfeststellschraube (130) auf das Federpaket
(100) gedrückt wird und eine zusätzliche Vorspannung auf die Druckfeder (104) des Federpakets (100) aufbringt.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der die Kolbenstange (20) mit einem Feingewinde (146) versehen ist,
bei der auf der Kolbenstange (20) eine obere Kontermutter (143) auf Anschlag mit einer oberen Stellmutter (141) geschraubt ist, wobei die obere Stellmutter (141) bei Rückführung der Kolbenstange (20) gegen ein Bauteil der Maschine anschlägt, wodurch ein Hub der Kolbenstange (20) begrenzt wird, und
bei dem auf der Kolbenstange (20) eine untere Kontermutter (145) auf Anschlag mit einer unteren Stellmutter (142) geschraubt ist, wobei die untere Stellmutter (142) bei Vorschub der Kolbenstange (20) gegen ein Bauteil der Maschine anschlägt, wodurch der Hub der Kolbenstange (20) begrenzt wird .
9. Schweißkopf (1) mit den Merkmalen der Maschine nach einem der Ansprüche 14-18.
0. Schweißkopf (1) nach Anspruch 19, eingerichtet zur Einstellung einer Schweißkraft zwischen 500N und 10.000N durch Ausrüstung mit unterschiedlichen Federpaketen (100) .
1. Kalibrierungsverfahren für den Schweißkopf (1) nach Anspruch 19 oder 20,
bei dem ein Federpaket (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in den Schweißkopf eingebaut ist,
bei dem eine Elektrode (3) des Schweißkopfes (1) auf ein Werkstück (6) aufgesetzt wird,
bei dem ein Schweißdruck mithilfe eines Kraftsensors (7), welcher zwischen dem Federpaket (100) und dem zweiten Bauelement angeordnet ist, wiederholt gemessen wird, und bei dem die Vorspannung der Druckfeder (104) eingestellt wird, bis der gemessene Schweißdruck einem Sollwert entspricht .
22. Verwendung des Schweißkopfes (1) nach Anspruch 19 oder 20 zum Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen, Wider- Stands -Pressschweißen oder Widerstands-Punktschweißen, Löten, insbesondere Widerstandslöten, oder Warmnieten.
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