DE10127112A1

DE10127112A1 - Schweißkopf

Info

Publication number: DE10127112A1
Application number: DE10127112A
Authority: DE
Inventors: Leander Reischmann
Original assignee: Leander Reischmann
Current assignee: KOMBI TEC GMBH, 87527 SONTHOFEN, DE
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2002-08-01
Also published as: DE50103796D1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schweißkopf (20) mit einer Zustellwelle (2) und einer über einen Zylinder (7) beweglichen Elektrode. Hierbei ist die Erfassung verschiedener Parameter über einen Drucksensor (9) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schweißkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Schweißköpfe werden in Einrichtungen zum Widerstandsschweißen eingesetzt. Bedingt durch die hohe Taktzahl, mit der Schweißköpfe in derartigen Einrichtungen in der Regel arbeiten, und die hohen Anforderungen an die Qualität der einzelnen Schweißungen ist es wichtig, die fehlerfreie Funktion eines Schweißkopfes zu überwachen. Aus dem Stand der Technik ist im Bereich der Mikroschweißtechnik für die Überwachung eines Schweißkopfes eine Wegmessung mittels Sensor bekannt. Hierdurch kann der Hub- bzw. der Verfahrweg der Elektrode gemessen werden. Aus dem Messwert kann beispielsweise auf den Einsinkweg einer Elektrode geschlossen werden. Nachteilig an einer derartigen Kontrolle ist, dass noch eine Vielzahl weiterer Parameter Einfluss auf die Qualität der Verschweißung haben, die durch die Wegmessung nicht erfasst werden können. Weiterhin ist es bekannt, bei großen Schweißköpfen mit dicken Elektroden im Bereich einer Elektrode einen Drucksensor anzuordnen. Nachteilig hierbei ist, dass der Sensor wegen seiner Nähe zur Schweißstelle hohen Temperaturen ausgesetzt ist und starken mechanischen Belastungen unterliegt, da jede Belastung der Elektrode unmittelbar auf diesen einwirkt. Eine gute Schweißung ist nur dann gewährleistet, wenn auch die Schweißmaschine keine Mängel aufweist. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die folgenden Verschleißteile des Schweißkopfes bei jeder Schweißung auf ihre Funktion zu überprüfen.

- Die Führungswelle, welche zur Kraftübertragung zwischen dem Kolben des Antriebszylinders und der Elektrode zum Einsatz kommt, muss auf Leichtgängigkeit überwacht werden.
- Die Nachsetzfeder ist auf Veränderungen wie Materialerschlaffung oder -bruch zu überwachen.
- Der Zustellzylinders ist auf Dichtheit und Reibung zu überwachen.
- Die zuverlässige Klemmung der Elektroden, z. B. insbesondere nach einem Elektrodenwechsel, ist ebenfalls zu überwachen.

Weiterhin sind Schweißköpfe mit Schweißzangen bekannt, bei denen die beiden beweglichen Schweißzangenelemente, an denen die Elektroden befestigt sind, auf zwei versetzt zueinander verlaufenden Führungen angeordnet sind. Nachteilig an derartigen Schweißzangen ist, dass die Schweißzangenelemente mit unterschiedlichen Momenten auf die Führungen wirken, welche die Momente weitestgehend aufnehmen, da der Abstand zwischen der jeweiligen Elektrode (hier greift die Kraft an) und der jeweiligen Führung unterschiedlich ist. Dies führt zu einer Hemmung des Leichtlaufs der Schweißzangenelemente, der sich negativ auf das optimale Zustellen der Elektroden an die zu schweißenden Teile auswirkt. Eine solche Anordnung der Schweißzangenelemente ist deshalb für die Überwachung von Führungswelle, Nachsetzfeder, Zustellzylinder und Klemmung der Elektroden bzw. des Schweißvorgangs ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Mikroschweißtechnik einen Schweißkopf zu entwickeln, der eine Überwachung der Leichtgängigkeit der Führungswelle, der Nachsetzfeder, der Funktion des Zustellzylinders, der Klemmung der Elektroden und somit des Schweißvorgangs mit einfachen Mitteln erlaubt und den Einsatz dieser Überwachung auch an mit einem Schweißkopf bestückten Schweißzangen erlaubt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.

Durch den Einsatz der Kraftmessung zwischen Zylinder und Nachsetzfeder wird beim Widerstandsschweißen mit Mikroschweißtechnik durch eine Überwachung des Druckverlaufes und/oder des maximalem Druckes die Qualität jeder Schweißung kontrolliert. Hierdurch werden hohe Ausschussraten durch beispielsweise bei einer reinen Wegmessung unbemerkt gebliebene Fehler wie z. B. zu langsames Nachsetzen der Nachsetzfeder bzw. unzureichende Klemmung der daran befestigten Elektrode verhindert. Somit ist die Ausbringung einer mit einem derartigen Schweißkopf ausgestatteten Schweißmaschine erheblich verbessert. Der Gewährleistung einer kontinuierlichen Schweißkraft an den Elektroden kommt durch die oft unterschiedlichen Materialbeschaffenheiten der zu schweißenden Bauteile eine besondere Bedeutung zu. Das schnelle Nachsetzen der Elektroden während der Einleitung des Schweißstroms hängt von der Leichtgängigkeit der Führungswelle, der Funktion der Nachsetzfeder, der Funktion des Zustellzylinders und der sicheren Klemmung der Elektroden ab. Mittels des zentral angeordneten Drucksensors können alle genannten Funktionen des Schweißkopfes zu 100% kontrolliert werden. Somit ist eine Kontinuität der Qualität der Schweißungen garantiert und gleichzeitig über das "gut"- Signal der Kraftmessung eine Dokumentation jeder Schweißung für die Qualitätskontrolle möglich. Anders ausgedrückt erfolgt die Kraft- bzw. Druckmessung zwischen einem Druck ausübenden und einem Druck weiterleitenden Bauteil. Unter einem Druck ausübenden Bauteil ist z. B. der Zylinder bzw. dessen Kolben zu verstehen. Zu den Druck weiterleitenden Bauteilen gehört z. B. die Nachsetzfeder. Durch eine derartige Zwischenschaltung des Drucksensors ist es möglich, die Druck ausübenden Bauteile und die Druck weiterleitenden Bauteile zu überwachen, da beide mit dem Drucksensor in Verbindung stehen und auf diesen einwirken. Die Druck weiterleitenden Bauteile wirken praktisch mit einem Gegendruck auf den Sensor ein, der von der auf dem Werkstück aufliegenden Elektrode ausgeht. Somit ist der Sensor zwischen den Druck ausübenden und den Druck weiterleitenden Bauteilen eingespannt bzw. eingeklemmt.

Weiterhin ist die Einwirkung der von der Elektrode ausgehenden Belastungen auf den Sensor durch die Zwischenschaltung der Nachsetzfeder gedämpft. Hierdurch wird der Sensor geschont. Eine Überwachung von Zylinder und Führungswelle ist durch den direkten Kontakt des Sensors zu diesen Bauteilen möglich.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, die Messung der Elektrodenkraft direkt an der Elektrode, ohne Abhängigkeit von der Größe, d. h. dem Querschnitt und der Form der Elektrode und/oder der verwendeten Zylindergröße durchzuführen. Bislang war die direkte Messung nur bei großen Elektroden möglich. Im Gegensatz zu bekannten Systemen ist die Kraftmessung direkt. Bei bekannten Systemen für die Mikroschweißtechnik ist eine Kraftmessung nur indirekt über Pneumatikdruck und die Zylindergröße möglich (F = p × A). Da die Elektrodenkraft jedoch ein Verfahrensparameter ist, von dessen Einhaltung primär das Gelingen einer guten Schweißverbindung abhängt, ist die Kenntnis der genauen Elektrodenkraft wichtig und somit maßgeblich für eine gute Schweißung. Die direkte Kraftmessung ermöglicht auch eine Regelung der Elektrodenkraft beim Einsatz von sogenannten Servo-Druckregelventilen. Ein direkter Vergleich zwischen Istwert und Sollwert ist möglich. Damit ist die Voraussetzung für eine Kraftregelung geschaffen.

Weiterhin ermöglicht eine derartige Aufnahme der Elektrodenkraft eine 100%ige Dokumentation der Elektrodenkräfte.

Unter einem Schweißkopf ist eine Baueinheit zu verstehen, die eine Elektrode und einen auf diese wirkenden Antrieb umfasst. Hierbei kommt vorzugsweise ein Linearantrieb zum Einsatz, welcher die Elektrode auf ein Werkstück zu und von diesem weg bewegt. Gegenüber der am Schweißkopf angeordneten Elektrode ist in der Regel eine zweite feststehende Elektrode angeordnet, auf der das zu schweißende Werkstück beim Schweißvorgang aufliegt. Bei einer Schweißzange handelt es sich um eine Vorrichtung, die wenigstens einen Antrieb aufweist, welcher zwei gegenüberliegende Elektroden aufeinander zu und voneinander weg bewegt. Somit umfasst eine Schweißzange die einzelnen Bauteile von ein oder zwei Schweißköpfen bzw. ist als Schweißkopf zu sehen, der einen gemeinsamen Antrieb für zwei Elektroden aufweist.

Durch die Anordnung der Schweißzangenelemente auf einer gemeinsamen Welle üben die Schweißzangen gleiche Momente auf die Welle aus. Hierdurch wird die Welle gleichmäßig belastet. Durch die Verbindung der Schweißzangenelemente zu einem C- Gestell bzw. zu einer Brücke werden die entgegengesetzten Momente weitestgehend im Gestell bzw. in der Brücke aufgefangen und bewirken kein Verkanten der Schweißzangenelemente auf der Welle, so dass ein optimaler Leichtlauf der Schweißzangenelemente auf der Welle bzw. Führung gewährleistet ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schweißkopfes mit Schweißzangenelementen,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Schweißkopfes,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch den in Fig. 2 gezeigten Schweißkopf entlang der Schnittlinie III- III,

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Kraftmesseinheit,

Fig. 5 die in Fig. 1 dargestellte Zylinderkupplung in Einzeldarstellung und

Fig. 6 das in Fig. 1 dargestellte Drehteil in Einzeldarstellung.

In Fig. 1 ist ein Schweißkopf 300 schematisch dargestellt. Der Schweißkopf 300 umfasst zwei Schweißzangenelemente 302, welche Elektroden 309 halten, zwei Führungsschlitten 305, ein Führungsmittel 306, das als gemeinsame Welle 307 ausgebildet ist, eine Antriebszylindereinheit 311, eine Nachsetzeinheit 308 mit einer Kraftmesseinrichtung 310 (siehe Fig. 2) und ein Gehäuse 315. Das Gehäuse 315 und die Welle 307 bilden eine Einheit 316, an der die anderen erwähnten Bauteile entlang der Welle 307 verfahrbar sind. In den Fig. 2 und 3 ist der in Fig. 1 gezeigte Schweißkopf 300 detaillierter dargestellt.

Alle dynamischen bzw. beweglichen Elemente des Schweißkopfes 300 sind auf der als Querwelle 201 ausgebildeten Welle 307 leicht verschiebbar bzw. schwimmend gelagert. Die Querwelle 201 ist mit dem Gehäuse 315 formschlüssig verbunden. Die beiden Querblöcke 202 und 203 bilden ein auf der Querwelle 201 verschiebbares C-förmiges Gestell 204 (siehe insbesondere Fig. 1). Durch den Führungswagen 205 (siehe Fig. 2) ist es zusätzlich mittels des Pneumatikzylinders 312 möglich, nur den Querblock 203 nach rechts zu verschieben. An der Unterseite der Querblöcke 202 und 203 bzw. an einem ersten Schweißzangenelement 303 und einem zweiten Schweißzangenelement 304 ist eine Nachsetzeinheit 308 mit Kraftmessung 310 und Elektrodenhalter 209 bzw. ein Elektrodenhalter 208 angeflanscht. Der Schweißkopf 300 kann je nach Bedarf auch mit zwei Nachsetzeinheiten oder mit zwei Elektrodenhaltern ohne Nachsetzeinheit ausgerüstet werden. Eine Führungswelle 220 der Nachsetzeinrichtung 308 ist durch einen Querbolzen 212 formschlüssig mit dem Schweißzangenelement 302 verbunden und durch einen Zustellzylinder 221 mit einer Kolbenstange 222 in Pfeilrichtung x, x' verschiebbar. Der Querbolzen 212 ist mit zwei Kugellagern 213 ausgerüstet und dient als Verdrehsicherung für die Führungswelle 220. Alle Längenmessungen bzw. Wegmessungen werden am Querbolzen 212 abgenommen, weil dieser durch seinen Formschluss mit der Führungswelle 220 sichere bzw. unverfälschte Daten an das Längenmesssystem bzw. Wegmesssystem liefert. Durch die zusätzliche Kunststoffhülse 217 ist außerdem gewährleistet, dass die Kugelkäfige 218 bzw. 219 der Führungswelle 220 bei jedem Hub der Nachsetzeinheit 308 in ihre Ausgangsstellungen gedrückt werden. Es wird somit ein Blockieren der Nachsetzeinheit 308 durch Verrutschen der Kugelkäfige 218 bzw. 219 verhindert. Die Elektrodenhalter 208, 209 bzw. die kühlbaren Elektrodenhalter 210, 211 sind um 180 Grad um eine Längsachse y schwenkbar. Somit ist ein Widerstandsschweißen auch bei schwer zugänglichen Schweißstellen, durch einfaches Einstellen bzw. Verschwenken der Elektrodenhalter 208, 209 bzw. 210, 211 ermöglicht. Zwischen den Elektroden 309 sind im Betrieb des Schweißkopfes 300 zu verschweißende Schweißteile 301 angeordnet. Durch ein Entfernen des Verbindungsbolzens 214 kann beim Schweißkopf 300 die C-Gestellfunktion aufgehoben werden, das heißt das C-Gestell 204 geteilt werden. Durch das Anbringen eines zweiten Zustellzylinder 216 (gestrichelt dargestellt) können die Querblöcke 202 und 203 bzw. die Führungsschlitten 305 bzw. die Schweißzangenelemente 302 dann unabhängig voneinander betrieben werden.

In Fig. 4 ist ein Schweißkopf 20 bzw. eine Kraftmesseinrichtung für einen Schweißkopf dargestellt. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 1, in dem eine Welle 2 gelagert ist, in der wiederum ein Stößel 14 in einem Kugellager 12 geführt ist und einem Zylinder 7. Ein Kraftmesssensor 9 ist in der Nachsetzfederzustellwelle 2 eingebaut. Das Gehäuse 1 ist so ausgelegt, dass es als Austauschkomponente zum Schweißkopf 20 angeflanscht werden kann. Ein Lager 10 tangiert die Welle 2 mit leichtem Spiel, um die für das Anschlusskabel 8 des Sensors 9 erforderliche Verdrehsicherung der Welle 2 zu garantieren. Der Sensor 9 wird mittels einer Zylinderschraube 100 und einer Zentrierbuchse 101 zwischen Drehteilen 3 und 5 eingespannt und kalibriert. In die Welle 2 ist an einer Unterseite das Kugellager 12 eingepresst, in welchem der Stößel 14 bei Betrieb des Zustellzylinders 7 (es wird jetzt die Nachsetzfeder gedrückt) die Kraft an den Sensor 9 weiterleitet. Das Drehteil 3 ist an der Unterseite ballig, um etwaige Kraftnebenschlüsse zu verhindern. Auf ein am Stößel 14 angeordnetes Drehteil 16 ist eine Feder 17 in der letzten Windung aufgepresst. In das Drehteil 16 ist außerdem ein 0- Ring 15 eingepresst, welcher der Feder 17 einen seitlichen Lageausgleich ermöglicht und andererseits einen schnellen Austausch der Feder 17 garantiert. An einem freien Ende 19 der Feder 17 ist eine nicht dargestellte Elektrode angeordnet. Die Zylinderkupplung 6 (siehe auch Fig. 5) ist in einen Zylinderkolben des Zylinders 7 eingeschraubt und weist einen Bund auf. Der Austausch des Zylinders 7 ist somit sehr einfach. Hierzu werden Befestigungsschrauben 102 am Zylinder 7 gelöst, dieser nach oben gezogen und dann seitlich aus der T-Nut des Drehteils 5 (siehe auch Fig. 6) herausgezogen. Der Sensor 9 ist in die hülsen- bzw. rohrförmige Welle 2 eingeschraubt und mit dieser im Gehäuse 1 in Pfeilrichtung x bzw. x' um einen Hub a verfahrbar. Im Bereich des Anschlusskabels 8 weist die Welle 2 einen Schlitz oder eine Ausnehmung auf. Der Stößel 14 steht über das Drehteil 3 mit dem Sensor 9 bzw. der Welle 2 in Verbindung. Hierdurch wirken alle zwischen Zylinder 7 und Elektrode auftretenden Druckkräfte auf den Sensor 9, wobei die Verbindung zwischen Elektrode und Sensor 9 im Wesentlichen durch den Stößel 14 und die Feder 17 hergestellt ist.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Welle

3

Drehteil

4

-

5

Drehteil

6

Zylinderkupplung

7

Zustellzylinder

7

a Kolbenstange von

7

8

Anschlusskabel

9

Kraftmesssensor

10

Lager

11

-

12

Kugellager

13

-

14

Stößel

15

O-Ring

16

Drehteil

17

Feder

18

-

19

Ende

20

Schweißkopf

100

Zylinderschraube

101

Zentrierbuchse

102

Befestigungsschraube

201

Querwelle

202

Querblock

203

Querblock

204

C-Gestell

205

Führungswagen

206

-

207

-

208

Elektrodenhalter

209

Elektrodenhalter

210

kühlbarer Elektrode

211

kühlbarer Elektrodenhalter

212

Querbolzen

213

Kugellager

214

Bolzen

215

-

216

-

217

Kunststoffhülse

218

Kugelkäfig

219

Kugelkäfig

220

Führungswelle =

2

221

Zustellzylinder =

7

222

Kolbenstange =

7

a

300

Schweißkopf

301

Schweißteil

302

Schweißzangenelement

303

erstes Schweißzangenelement

304

zweites Schweißzangenelement

305

Führungsschlitten

306

Führungsmittel

307

gemeinsame Welle

308

Nachsetzeinheit =

17

309

Schweißelektrode

310

Kraftmesseinrichtung =

9

311

Antriebszylindereinheit

312

Antriebszylinder

313

Kolbenstange

314

Zylindergehäuse

315

Gehäuse

316

Einheit

Claims

1. Schweißkopf zur Verbindung von Schweißteilen (301) mittels Widerstandsschweißens mit einer Zustellwelle (2, 220) und einer über einen Zylinder (7, 221) beweglichen Elektrode (309), dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (9, 310) zwischen einer Kolbenstange (7a, 222) des Zustellzylinders (7, 221) und einer Feder (17) bzw. Nachsetzeinheit (308) angeordnet ist.

2. Schweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9, 310) als Drucksensor für die Kraftmessung ausgebildet ist.

3. Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9, 310) in einem Gehäuse (1) des Schweißkopfes (20) bzw. in der Nachsetzeinheit (17) angeordnet ist.

4. Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) die Welle (2) und den Stößel (14) wenigstens teilweise aufnimmt.

5. Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9) in der Welle (2) angeordnet ist.

6. Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9) fest mit der Welle (2) verbunden ist.

7. Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) als Nachsetzfederzustellwelle ausgebildet ist.

8. Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9) mittels einer Zylinderschraube (100) und einer Zentrierbuchse (101) zwischen Kontaktmittel (3, 5) eingespannt und kalibriert ist.

9. Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmittel als Drehteile (3, 5) ausgebildet sind.

10. Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (7a) des Zylinders (7) über eine C-Führung (6, 5) mit dem Sensor (9) bzw. der Welle (2) gekuppelt ist.

11. Schweißkopf (300) insbesondere nach Anspruch 1 zur Verbindung von Schweißteilen (301) mittels Widerstandsschweißens, wobei Schweißzangenelemente (302, 303, 304) an längsverschiebbaren Führungsschlitten (305) gegeneinander längsverschiebbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von unterschiedlichen Drehmomenten auf Führungsmittel (306), welche durch die auf die Schweißelektroden (309) wirkenden Kräfte verursacht sind, die Schweißzangenelemente (302, 303, 304) auf einer gemeinsamen Welle (307) gelagert sind.

12. Schweißkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (307) einen kreisrunden Querschnitt aufweist.

13. Schweißkopf nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschlitten (305) nahezu kraftfrei gegeneinander auf die Schweißteile (301) zufahrbar sind.

14. Schweißkopf nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Schweißzangenelement (302, 303, 304) eine eigene Nachsetzeinheit (308) zugeordnet ist, welche die Schweißelektroden (309) beim Schweißvorgang nachführt.

15. Schweißkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachsetzeinheit (308) eine Kraftmesseinrichtung (310) beinhaltet.

16. Schweißkopf nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißzangenelemente (302, 303, 304) schwimmend zueinander gelagert sind, wobei mittels einer Antriebszylindereinheit (311) das erste Schweißzangenelement (303) mittels der Kolbenstange (313) und das zweite Schweißzangenelement (304) mittels des Zylindergehäuses (314) der Antriebszylindereinheit (311) bzw. eines Antriebszylinders (312) bewegbar sind.