DE10007838A1

DE10007838A1 - Verfahren zum Steuern einer Bolzenschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE10007838A1
Application number: DE2000107838
Authority: DE
Inventors: Ulrich Citrich; Juergen Madsak
Original assignee: Nelson Bolzenschweiss Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Nelson Bolzenschweiss Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2001-08-23

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Bolzenschweißvorrichtung, die einen Schweißkopf mit einem Linearantrieb, eine durch den Linearantrieb bewegliche Schweißachse (3) und einen an der Schweißachse (3) angebrachten Bolzenhalter (7) aufweist, in welchem ein zu verschweißender Bolzen (7) gehaltert ist, sieht folgende Schritte vor: der Linearantrieb verfährt die Schweißachse (3) mit einer sehr hohen Geschwindigkeit (v¶1¶) bis nahe an das Werkstück (11). Mit einer geringeren Tastgeschwindigkeit (v¶2¶) wird der Schweißbolzen bis zur Berührung mit dem Werkstück herangefahren, wodurch die Position des Werkstücks ermittelt wird. Nach dem Abheben und Verschweißen wird die Schweißachse (3) mit der Maximalgeschwindigkeit (v¶3¶) des Linearantriebs zurück in die Ausgangsstellung bewegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Bolzen schweißvorrichtung, die einen Schweißkopf mit einem Linearantrieb, eine durch den Linearantrieb axial bewegliche Schweißachse und einen an der Schweißachse angebrachten Bolzenhalter aufweist, in welchem ein zu verschweißender Bolzen gehaltert ist.

Die Schweißköpfe derartiger Bolzenschweißvorrichtungen werden üblicherweise an einen Industrieroboter angeflanscht, um zum Beispiel zahlreiche Schweißbolzen an eine Fahrzeugkarosserie anzuschweißen. Es besteht die Bestrebung, immer niedrigere Taktzeiten bei gleichbleibend hoher Schweißqualität zu erreichen.

Bislang bekannte Bolzenschweißvorrichtungen arbeiten üblicher weise mit einer Spule und einer in Gegenrichtung wirkenden Feder. Die Schweißachse wird bis zum Kontakt des Schweißbolzens mit dem Werkstück verfahren, wobei ein Stützfuß, der an der Bolzenschweißvorrichtung angebracht ist, ebenfalls das Werkstück berührt. Anschließend wird die Spule durch ein elektrisches Signal angesteuert und bewegt die Schweißachse entgegen der Vorschubrichtung, um den Bolzen um ein mechanisch eingestelltes Abhubmaß von der Werkstückoberfläche zu beab standen. Der Stützfuß dient dabei der Abstützung des Bolzenschweißkopfes. Beim Verfahren der Schweißachse entgegen der Vorschubrichtung wird die Feder vorgespannt und ein Lichtbogen mittels Hubzündung erzeugt. Die Spule wird nach Ablauf der Schweißzeit nicht mehr Strom durchflossen, so daß die vorgespannte Feder die Schweißachse und den Bolzen in Vorschubrichtung schlagartig nach vorne bewegt, und der Schweißbolzen taucht in das sich gebildete Schweißgut ein. Dieses Ver fahren ist sehr stark von den Umgebungsbedingungen (Toleranzen der Feder, Lage der Schweißachse zur horizontalen Ebene usw.) abhängig, was zu schwankenden Schweißqualitäten führt. Wenn der Bolzenschweiß kopf oder das Werkstück bei diesem Vorgang nicht zu stark belastet werden sollen, wird bei der bekannten Bolzenschweißvorrichtung die Schweißachse langsam in Richtung Werkstückoberfläche bewegt, bis es zum ersten Kontakt des Bolzens mit der Werkstückoberfläche kommt, um deren Lage zu bestimmen.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben einer Bolzen schweißvorrichtung, durch die geringere Taktzeiten und eine hohe Schweißqualität gewährleistet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

a) der Linearantrieb verfährt die Schweißachse mit einer Geschwindigkeit v₁ in Vorschubrichtung bis der Bolzen von einer Werk stückoberfläche noch geringfügig entfernt ist.
b) der Linearantrieb verfährt anschließend die Schweißachse mit einer Tastgeschwindigkeit v2, die geringer als die Geschwindigkeit v1 ist, in Vorschubrichtung bis zur Berührung des Bolzens mit dem Werk stück.
c) der Linearantrieb verfährt nun die Schweißachse um eine Strecke entgegen der Vorschubrichtung, um den Bolzen von dem Werkstück abzuheben.
d) zwischen Bolzen und Werkstück wird ein Lichtbogen mittels Hub zündung generiert.
e) schließlich verfährt der Linearantrieb die Schweißachse ge steuert in Vorschubrichtung, um ein Eintauchen des Bolzens in ein sich gebildetes Schweißgut zu erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die Zustellung der Schweißachse in den Schritten a) und b), bis die Werkstückoberfläche berührt und damit eingemessen ist, mit zwei unterschiedlichen Ge schwindigkeiten erfolgt. Während bislang die Zustellung in Vorschub richtung nur mit der Tastgeschwindigkeit v₂ erfolgte, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren diese Zustellung in wenigstens zwei unter schiedliche Schritte aufgeteilt, so daß nur die letzte Zustell bewegung, bis es zum Berühren des Bolzens mit dem Werkstück kommt, mit der niedrigen Tastgeschwindigkeit gefahren wird. Durch die hohe Geschwindigkeit v1 läßt sich Zeit gewinnen, so daß insgesamt die Takt zeit reduziert wird.

Vorzugsweise erfolgt das Verfahren im Schritt e) Weg gesteuert, so daß unabhängig von Toleranzen in der Länge des Bolzens der Bolzen immer mit einer optimalen Geschwindigkeit und um ein definiertes Maß zum Werkstück bewegt wird. Zu beachten ist auch, daß derselbe Linear antrieb die Schweißachse in beide Richtungen verfahren kann, so daß die bislang verwendete Feder zum Zustellen des Bolzens beim Schweiß vorgang entfällt. Der Linearantrieb ist ein elektrischer Antrieb, vor zugsweise ein nach dem Tauchspulenprinzip arbeitender Antrieb, der eine gute Wegsteuerung erlaubt.

Weiter ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß nach Schritt e) und dem Anschweißen des Bolzens am Werktstück in einem Schritt f) die Schweißachse mit einer Maximalgeschwindigkeit v₃ ent gegen der Vorschubrichtung in eine Ausgangsstellung zurückgefahren wird. Auch hierdurch wird die Taktzeit reduziert.

Die Geschwindigkeit v₁ ist vorzugsweise mehr als dreimal so groß wie die Geschwindigkeit v₂.

Darüber hinaus wird im Schritt a) der Schweißbolzen bis auf einen Abstand von etwa 1-3 cm von der Werkstückoberfläche an diese heran bewegt, wobei der Abstand stets in bezug auf die Lagetoleranzen der Werkstückoberfläche und die Toleranzen des Schweißbolzens abgestimmt sein muß und in bezug auf die Summentoleranzen ein möglichst geringer Wert vorgegeben wird.

Die Geschwindigkeit v1 soll wenigstens 75% der Maximalgeschwin digkeit des Linearantriebs betragen, was ebenfalls der geringen Takt zeit zugute kommt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt einen Schweißkopf der erfindungsgemäßen Bolzen schweißvorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, in verschiedenen Schritten, wobei ein Weg-Zeit-Diagramm die Bewegung der Schweißachse verdeutlicht.

Fig. 2 zeigt den Linearantrieb der Bolzenschweißvorrichtung.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den vorderen Teil des Schweißkopfes nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Bolzenschweißkopf dargestellt, der einen nach dem Tauchspulenprinzip arbeitenden Linearantrieb (vgl. auch Fig. 2) aufweist, welcher eine axial bewegliche Schweißachse 3 in Vorschub richtung V und in Gegenrichtung R bewegen kann. An der Schweißachse 3 ist ein Bolzenhalter 5 vorgesehen, welcher einen zu verschweißenden Bolzen 7 haltert.

In Fig. 2 ist der Linearantrieb besser zu erkennen. Das rück wärtige Ende der Schweißachse 3 ist mit einem starken Permanent magneten 9 verbunden, der in zwei hintereinander angeordnete Spulen 11, 13, ragt. Die beiden Spulen sind elektrisch in Reihe geschaltet, haben aber entgegengesetzte Wicklungsrichtungen. Die Spulen 11, 13 erzeugen zwei in entgegengesetzte Richtungen wirkende Magnetfelder, die den Permanentmagneten 9 in Richtung V oder in Gegenrichtung R verschieben.

Die magnetische Kraft, die auf den Permanentmagneten 9 ausgeübt wird, wird durch die Stärke des durch die Spulen 11, 13 fließenden Stromes bestimmt. Die Polarität bestimmt die Bewegungsrichtung. Über einen bolzenspezifischen Ladekopf 15 werden die Bolzen zugeführt. Die Schweißachse 3 kann in den Richtungen V und R weggesteuert mit unter schiedlichsten Geschwindigkeiten verfahren werden. Diese Geschwindig keiten sind frei programmierbar.

Der Bolzenschweißkopf ist entweder an einem Roboter oder an einer sonstigen Halterung befestigt und hat in der Ausgangsposition einen gewissen Abstand S₀ von der Oberfläche des Werkstücks 11.

Im folgenden wird das Verfahren erläutert, mit dem die Bolzen schweißvorrichtung einen Bolzen innerhalb eines Taktes am Werkstück 11 anschweißt. Aus der Ausgangsposition wird der Linearantrieb so betätigt, daß sich die Schweißachse 3 mit einer sehr hohen Geschwin digkeit v₁, die mehr als 75% der Maximalgeschwindigkeit beträgt, die mit dem Linearantrieb zu erzielen ist, in Vorschubrichtung V auf das Werkstück 11 zubewegt. Die Bolzenschweißvorrichtung ist so pro grammiert, daß in einem Abstand S1 von 1-3 cm von der Werkstückober fläche der Linearantrieb abrupt langsamer wird und mit einer Tastge schwindigkeit v₂, die deutliche geringer als die Geschwindigkeit v₁ ist, der Bolzen 7 in Richtung V weiterbewegt wird, bis der Bolzen das Werkstück 11 berührt. Über eine Kontaktschaltung wird dieses Berühren sofort detektiert. Die Position der Schweißachse 3 wird eingelesen und gespeichert, und der Linearantrieb 3 wird, nachdem ein Schweißstrom angelegt wird, sofort in die entgegengesetzte Richtung betätigt, so daß die Schweißachse 3 um eine vorgegebene Strecke (Abhub S₂) in Rich tung R verfahren wird und eine Hubzündung erfolgt. Dieses Abheben erfolgt ebenfalls Weg gesteuert und zwar mit einer Geschwindigkeit v₄, die größer als die Geschwindigkeit v₂ ist. Wie dem Diagramm in Fig. 1 zu entnehmen ist, verweilt die Schweißachse eine bestimmte Zeit in dieser Position. Schließlich fährt die Schweißachse in Vorschub richtung V mit einer Geschwindigkeit v₅ um das Maß des Abhubs plus ein Eintauchmaß. Der Bolzen taucht in das Schweißgut ein und wird mit dem Werkstück 11 verbunden. Auch dieses Verfahren der Schweißachse 3 beim Eintauchvorgang erfolgt Weg gesteuert.

Die Schweißachse 3 verbleibt für eine gewisse Zeit in dieser Stellung und wird schließlich mit einer Geschwindigkeit v₃, die die Maximalgeschwindigkeit des Linearantriebs bildet, in Richtung R zurück in die Ausgangsstellung bewegt.

Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, sind die Geschwindigkeiten v₁, v₄, v₅ und v₃ sehr hoch, wodurch die Zeit niedrig gehalten wird.

Die Geschwindigkeit v₁ ist dabei mehr als dreimal so groß wie die Geschwindigkeit v₂.

In Fig. 3 ist der vordere Teil des Schweißkopfes näher darge stellt. Der Bolzenhalter 5 in Form einer mehrfach geschlitzten Hülse ist mittels einer Überwurfmutter 21 am Schweißkopf 23 befestigt. Im Inneren des Schweißkopfes 23 ist ein Ladestift 25, der axial ver schieblich ist, aufgenommen. Ein Zuführkanal 27 dient der automa tischen Zuführung von Bolzen 7, die bei zurückgefahrenem Ladestift in Richtung Bolzenhalter 5 mittels Druckluft transportiert werden. Nach dem Laden, vor dem Berühren des Bolzens mit dem Werkstück, ist ein nicht definierter Abstand X zwischen dem Bolzen 7 und der vorderen Stirnseite des Ladestifts 25 vorhanden. Dieser Abstand X kann zu fol gendem Fehler beim Ermitteln der Lage des Werkstücks führen. Wird die Schweißachse mit dem Bolzen 7 gegen das Werkstück gedrückt, wird der Bolzen 7 um ein geringes Maß axial in Richtung R verschoben werden. Die Lage des Werkstücks in axialer Richtung wird dann aber um dieses Maß fehlerhaft bestimmt.

Um diesen Fehler zu vermeiden, kann vorgesehen sein, daß nach dem Heranfahren des Bolzens mit der Geschwindigkeit v₁ der Linearantrieb die Schweißachse in Vorschubrichtung V bewegt, bis der Bolzen 7 gegen das Werkstück drückt und so weit in Richtung R verschoben wird, bis er den Ladestift 25, der einen Anschlag in axialer Richtung bildet, kon taktiert. Nun ist der Bolzen 7 eindeutig innerhalb des Schweißkopfes positioniert. Anschließend wird der Bolzen wieder in Richtung R um eine geringe Strecke, beispielsweise um die Strecke S₁ verfahren, um nochmals mittels der Abtastgeschwindigkeit v₂ in Vorschubrichtung V zum Werkstück verfahren zu werden. Wenn es nun zum Kontakt des Bolzens mit dem Werkstück kommt, ist die Lage des Werkstücks eindeutig bestimmt, und der Abhub, der Weg gesteuert erfolgt, führt zu einer genauen Einhaltung des Maßes S₂.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Bolzenschweißvorrichtung, die einen Schweißkopf mit einem Linearantrieb, eine durch den Linear antrieb axial bewegliche Schweißachse (3) und einen an der Schweiß achse (3) angebrachten Bolzenhalter (5) aufweist, in welchem ein zu verschweißender Bolzen (7) gehaltert ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) der Linearantrieb verfährt die Schweißachse (3) mit einer Ge schwindigkeit v₁ in Vorschubrichtung (V), bis der Bolzen (7) von einer Werkstückoberfläche noch geringfügig entfernt ist,
b) der Linearantrieb verfährt die Schweißachse (3) mit einer Tastgeschwindigkeit v₂, die geringer als die Geschwindigkeit v₁ ist, in Vorschubrichtung (V) bis zur Berührung des Bolzens (7) mit dem Werkstück (11),
c) der Linearantrieb verfährt die Schweißachse (3) um eine Strecke (S₁) entgegen der Vorschubrichtung (V), um den Bolzen (7) von dem Werkstück (11) abzuheben,
d) zwischen dem Bolzen (7) und dem Werkstück (11) wird ein Lichtbogen mittels Hubzündung erzeugt, und
e) der Linearantrieb verfährt die Schweißachse (3) gesteuert in Vorschubrichtung (V), um ein Eintauchen des Bolzens in ein sich gebildetes Schweißgut zu erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver fahren im Schritt e) weggesteuert erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt e) und dem Anschweißen des Bolzens (7) am Werkstück (11) in einem Schritt

a) die Schweißachse (3) mit einer Maximalgeschwindigkeit (v₃) entgegen der Vorschubrichtung (V) in eine Ausgangsstellung zurückge fahren wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb nach dem Tauchspulenprinzip arbeitet und in Vorschubrichtung (V) und in Gegenrichtung (R) die Schweißachse (3) antreibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißachse (3) ohne Abstützung am Werkstück (11) entgegengesetzt zur Vorschubrichtung (V) bewegt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit v₁ mehr als dreimal so groß wie die Tastgeschwindigkeit v₂ ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) der Bolzen (7) bis auf einen Abstand von 1-3 cm von der Werkstückoberfläche an diese heranbewegt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit v₁ wenigstens 75% der Maximal geschwindigkeit (v₃) des Linearantriebs ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schritten a) und b) der Linearantrieb die Schweißachse (3) in Vorschubrichtung (V) bewegt, bis durch Drücken des Bolzens (7) gegen die Werkstückoberfläche der Bolzen (7) entgegen der Vorschubrichtung (V) gegen einen Anschlag im Schweißkopf ver schoben wird, und daß der Linearantrieb anschließend den Bolzen (7) geringfügig von der Werkstückoberfläche anhebt.