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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung zur Bereitstellung einer Bearbeitungskraft an einen Objektträger. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung.
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Aus der
JP H7-214339 ist eine Antriebseinrichtung für eine elektrische Schweißeinrichtung bekannt, die als Kombination eines elektrischen Gewindespindelantriebs mit einem pneumatischen Antrieb ausgebildet ist. Dabei ist der pneumatische Antrieb als Bestandteil des elektrischen Antriebs ausgebildet, wobei eine Schweißelektrode, die mit Hilfe der Antriebseinrichtung bewegt werden soll, mit dem pneumatischen Antrieb bewegungsgekoppelt ist. Eine Annäherung der Schweißelektrode an ein Werkstück erfolgt zunächst durch Bereitstellung einer Linearbewegung an die Schweißelektrode mit Hilfe des elektrischen Gewindespindelantriebs, wobei im Zuge dieser Linearbewegung eine formschlüssige Kopplung zwischen Gewindespindelantrieb und einem Arbeitskolben des pneumatischen Antriebs ausgenutzt wird. Sobald die Schweißelektrode am Werkstück anliegt, erfolgt eine Druckluftbeaufschlagung des Arbeitskolbens, um eine Arbeitskraft auf das Werkstück auszuüben.
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Die
EP 2644904 A1 offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung eines fluidisch betreibbaren Arbeitssystems, das einen Aktor mit einem Aktorgehäuse und einem im Aktorgehäuse beweglich aufgenommenen Aktorglied aufweist, die eine erste und mindestens eine zweite Arbeitskammer bestimmen, die zur Bereitstellung von einander entgegengesetzt wirkenden Aktorkräfte auf das Aktorglied ausgebildet sind, wobei eine Ventileinrichtung zur separaten Ansteuerung der beiden Arbeitskammern ausgebildet ist und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist und wobei die Steuereinrichtung die folgenden Schritte vorgibt: Bereitstellung eines ersten vorgebbaren Volumens eines druckbeaufschlagten Fluids an die erste Arbeitskammer, um das Aktorglied ausgehend von einer Startposition auf eine vorgebbare Zielgeschwindigkeit zu beschleunigen, Verschließen der ersten Arbeitskammer, Freigeben eines Abströmens eines zweiten vorgebbaren Volumens eines in der zweiten Arbeitskammer enthaltenen Fluids aus der zweiten Arbeitskammer, so dass eine Abbremsung des Aktorglieds auf eine vorgebbare Zielposition gewährleistet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebseinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung bereitzustellen, mit denen eine Stellbewegung zur Bereitstellung einer Bearbeitungskraft durchgeführt werden kann, die in vorteilhafter Weise an Erfordernisse einer Werkstückbearbeitung angepasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird für eine Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Antriebseinrichtung ist zur Bereitstellung einer Bearbeitungskraft an einen Objektträger ausgebildet und umfasst zwei Stellantriebe, die jeweils für eine Bereitstellung einer Stellbewegung längs eines jeweiligen Stellwegs ausgebildet sind, wobei die Stellantriebe eine Reihenschaltung bilden, so dass eine kombinierte Stellbewegung für einen den Stellantrieben zugeordneten Objektträger durch Überlagerung eines ersten Stellwegs eines ersten Stellantriebs mit einem zweiten Stellweg eines zweiten Stellantriebs bestimmt wird, wobei der erste Stellantrieb als Pneumatikantrieb, insbesondere als pneumatischer Linearantrieb, mit einstellbarer Elastizität ausgebildet ist. Eine derartige Antriebseinrichtung kann insbesondere zum Antrieb einer in C-Konfiguration oder in X-Konfiguration ausgebildeten Schweißzange eingesetzt werden.
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Jeder der beiden Stellantriebe kann wahlweise als Linearantrieb oder als Drehantrieb ausgebildet sein, wobei bevorzugt eine Kombination von zwei Linearantrieben vorgesehen ist. Die beiden Stellantriebe sind kinematisch in Reihe geschaltet, so dass bezogen auf einen Befestigungsort, an dem einer der beiden Stellantriebe festgelegt ist, eine Bewegung des Objektträgers, der dem anderen Stellantrieb zugeordnet ist, als kumulative Überlagerung der Stellbewegungen der beiden Stellantriebe erfolgt. Dabei können die Stellbewegungen der beiden Stellantriebe in unterschiedliche, insbesondere einander entgegengesetzte Raumrichtungen ausgerichtet sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Stellbewegungen beider Stellantriebe in einer gemeinsamen Raumrichtung ausgerichtet sind. Somit ergibt sich der kombinierte Stellweg für den Objektträger als Summe der Stellwege der beiden Stellantriebe. Dabei kann frei vorgegeben werden, ob die Stellantriebe für die Bewegung des Objektträgers in zeitlicher Abfolge nacheinander betrieben werden oder zumindest zeitweilig gleichzeitig betrieben werden. Durch die Ausgestaltung des ersten Stellantriebs als Pneumatikantrieb kann eine Elastizität des ersten Stellantriebs ausgenutzt werden, die bei geeigneter Gestaltung des Stellantriebs aufgrund der Verwendung eines gasförmigen und damit kompressiblen Fluids, insbesondere Druckluft, als Arbeitsfluid inhärent ist. Diese Elastizität, die durch eine Auswahl eines Arbeitsdrucks für das Arbeitsfluid einstellbar ist, erleichtert eine Annäherung des Objektträgers an ein Werkstück, da aufgrund der Elastizität des ersten Stellantriebs eine Beschädigung des Werkstücks durch den Objektträger oder ein am Objektträger aufgenommenes Werkzeug vermieden oder verhindert werden kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn der zweite Stellantrieb als elektrischer Antrieb, insbesondere als elektrischer Linearantrieb, ausgebildet ist, der selbsthemmende Eigenschaften aufweist und/oder mit einer Bremseinrichtung versehen ist, um eine zeitweilige Festlegung eines beweglich an einem zweiten Antriebsgehäuse des zweiten Stellantriebs gelagerten zweiten Antriebselements des zweiten Stellantriebs gegenüber dem zweiten Antriebsgehäuse zu ermöglichen. Beispielhaft kann das Antriebsgehäuse als Motorgehäuse eines Elektromotors ausgebildet sein, während das Antriebselement als drehbar am Motorgehäuse gelagerte Antriebswelle ausgebildet ist. Der vom zweiten Stellantrieb bereitstellbare zweite Stellweg ist vorzugsweise erheblich größer als der erste Stellweg, der vom ersten Stellantrieb bereitgestellt wird. Besonders bevorzugt beträgt der zweite Stellweg ein Mehrfaches des ersten Stellwegs. Hierdurch wird ein energieeffizienter Betrieb der Antriebseinrichtung unterstützt, da ein elektrischer Antrieb für lange Stellwege auch ohne aufwendige Ansteuerungsmaßnahmen einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Demgegenüber ist vorgesehen, dass der erste Stellantrieb für die Durchführung von präzisen Stellbewegungen und/oder zur Bereitstellung von hohen Kräften ausgebildet ist. Um angesichts der kinematischen Reihenschaltung der beiden Stellantriebe und der dadurch gegebenen Möglichkeit zur Überlagerung der Stellbewegungen der Stellantriebe eine präzise Positionierung und/oder eine präzise Krafteinleitung mit Hilfe des ersten Stellantriebs zu ermöglichen, kann der zweite Stellantrieb nach Erreichen einer vorgebbaren Zielposition festgesetzt werden. Diese Festsetzung kann in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des zweiten Stellantriebs entweder inhärent durch dessen selbsthemmende Auslegung stattfinden. Diese selbsthemmende Auslegung führt dazu, dass bei Einleitung von äußeren Kräften auf den zweiten Stellantrieb keine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und dem Antriebsgehäuse des zweiten Stellantriebs stattfindet. Dies kann beispielsweise bei einem Gewindespindelantrieb mit geeigneter Spindelsteigung verwirklicht werden.
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Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass dem zweiten Stellantrieb eine Bremseinrichtung zugeordnet ist, die auf mechanischem oder elektromechanischem Wege die gewünschte Festsetzung des zweiten Stellantriebs bewirkt. Eine mechanische Bremseinrichtung kann beispielhaft derart ausgebildet sein, dass der zweite Stellantrieb im Zuge einer Zustellbewegung zur Annäherung des Objektträgers an das Werkstück bei Erreichen einer vorgebbaren Funktionsstellung eine Raststellung einnimmt, in der durch geeignete Rastmittel eine Rückstellung aufgrund äußerer Kräfte verhindert wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass zur Aufhebung der Raststellung zunächst eine weitere, geringfügige Zustellbewegung des zweiten Stellmittels erforderlich ist, durch die die Rastmittel außer Eingriff gebracht werden, so dass das zweite Stellmittel anschließend eine Rückstellbewegung durchführen kann. Eine elektromechanische Bremse kann beispielsweise mit einem Magnetsteller und einem davon angetriebenen Bremskörper ausgebildet sein, der auf das zweite Stellmittel einwirkt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem ersten Stellantrieb eine Ventileinrichtung zur Bereitstellung wenigstens eines Fluidstroms an den ersten Stellantrieb sowie eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Ventileinrichtung zugeordnet sind. Die Steuereinrichtung ist mit wenigstens einer dem ersten Stellantrieb zugeordneten ersten Sensoreinrichtung aus der Gruppe Drucksensor, Volumenstromsensor, Positionssensor elektrisch verbunden. Hierdurch wird eine Regelung der Stellbewegung eines beweglich an einem ersten Antriebsgehäuse des ersten Stellantriebs gelagerten ersten Antriebselements des ersten Stellantriebs gegenüber dem ersten Antriebsgehäuse anhand eines Sensorsignals der ersten Sensoreinrichtung ermöglicht. Die Aufgabe der Ventileinrichtung besteht darin, einen Fluidstrom zum und vom ersten Stellantrieb zu beeinflussen, durch den die Stellbewegung des ersten Stellantriebs bewirkt wird. Die Ventileinrichtung umfasst ein Ventil oder mehrere Ventile, beispielsweise Magnetventile oder Piezoventile. Das oder die Ventile können mit elektrischen Steuersignalen von der Steuereinrichtung angesteuert werden, um den benötigten Fluidstrom ausgehend von einer Fluidquelle zum ersten Stellantrieb und/oder vom ersten Stellantrieb zu einem Fluidauslass zu bewirken. Bei der Steuereinrichtung kann es sich um einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor handeln, auf dem ein Programm zur Steuerung der Ventileinrichtung abläuft. Die Steuereinrichtung kann für einen Anschluss über eine Datenverbindung an eine übergeordnete Steuerung, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung ist elektrisch mit der ersten Sensoreinrichtung verbunden, die ihrerseits für eine Erfassung einer Position und/oder eines Bewegungszustands des ersten Stellmittels ausgebildet ist. Vorzugsweise bildet die Steuereinrichtung zusammen mit dem wenigstens einen ersten Sensormittel eine geschlossene Regelschleife, wobei wahlweise auf eine Position des ersten Stellantriebs und/oder auf einen Druck, insbesondere auf eine Kraft, des ersten Stellantriebs geregelt werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Stellantrieb einen mit der Steuereinrichtung elektrisch gekoppelten Elektromotor umfasst, der mit einer Getriebeanordnung bewegungsgekoppelt ist, wobei ein Getriebegehäuse das zweite Antriebsgehäuse bildet und eine Antriebswelle oder Antriebsspindel der Getriebeanordnung das zweite Antriebselement bildet und wobei die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Elektromotors ausgebildet ist. Wahlweise ist der zweite Stellantrieb als Drehantrieb oder als Linearantrieb ausgebildet. Bei einer Ausgestaltung als Linearantrieb ist exemplarisch vorgesehen, dass eine drehbar gelagerte Antriebswelle eines Elektromotors, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines mehrstufigen Getriebes, mit einer Gewindemutter drehfest verbunden ist. Die Gewindemutter ist beispielsweise drehbeweglich und ortsfest in einem Getriebegehäuse aufgenommen, das das zweite Antriebsgehäuse bildet. In die Gewindemutter greift eine Gewindespindel ein, die drehfest und linearbeweglich gelagert ist und die bei einer Rotation der Gewindemutter eine Linearbewegung ausführt, die an den zweiten Stellantrieb oder an den Objektträger weitergeleitet werden kann und die das zweite Antriebselement bildet. Exemplarisch ist die Gewindemutter als Gleitgewindemutter oder als Kugelumlaufmutter ausgebildet.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass dem zweiten Stellantrieb eine mit der Steuereinrichtung elektrisch verbundene zweite Sensoreinrichtung aus der Gruppe Kraftsensor, Encoder, Positionssensor zugeordnet ist, um der Steuereinrichtung eine Steuerung oder Regelung der Stellbewegung des zweiten Stellantriebs anhand eines Sensorsignals der zweiten Sensoreinrichtung zu ermöglichen. Der zweite Stellantrieb kann grundsätzlich gesteuert (open loop) betrieben werden, insbesondere wenn der zugeordnete Elektromotor als Schrittmotor ausgebildet ist, bei dem eine Anzahl von durchzuführenden Schritten vorgegeben werden kann, um eine Position für den Objektträger vorzugeben. Um eine vorteilhafte Einflussnahme auf den Bearbeitungsvorgang nehmen zu können, der mit Hilfe der Antriebseinrichtung durchgeführt werden kann, ist alternativ ein geregelter (closed loop) Betrieb des zweiten Stellantriebs vorzusehen. Hierzu wird eine zweite Sensoreinrichtung vorgesehen, die elektrisch mit der Steuereinrichtung verbunden ist und die ihrerseits für eine Erfassung einer Position und/oder eines Bewegungszustands des zweiten Stellmittels ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung für eine Steuerung oder Regelung des ersten Stellantriebs sowie für eine Steuerung oder Regelung des zweiten Stellantriebs während einer Annäherung eines den Stellantrieben zugeordneten Objektträgers an ein Werkstück sowie für eine Regelung, insbesondere eine Kraftregelung, des ersten Stellantriebs und eine Stillsetzung des zweiten Stellantriebs während einer Bearbeitung des Werkstücks mit einem am Objektträger aufgenommenen Werkzeug ausgebildet. In Abhängigkeit von der Ausführungsform des zweiten Stellantriebs kann dieser zur Annäherung des Objektträgers an das Werkstück mit Hilfe der Steuereinrichtung gesteuert oder geregelt angesteuert werden. Beispielhaft umfasst der zweite Stellantrieb einen Schrittmotor, bei dem durch Vorgabe einer Anzahl von durchzuführenden Schritten eine exakte Position für den Objektträger vorgegeben werden kann, ohne dass hierfür ein geregelter Betrieb (closed loop) erforderlich wäre. Sofern der zweite Stellantrieb beispielsweise einen bürstenkommutierten Elektromotor oder einen bürstenlosen Elektromotor umfasst, ist eine geregelte Ansteuerung durch die Steuereinrichtung vorteilhaft, um eine präzise Positionierung des Objektträgers zu gewährleisten. Für die eigentliche Werkstückbearbeitung, die mit Hilfe des ersten Stellantriebs durchgeführt wird, ist zur Einhaltung eines vorgebbaren Kraftintervalls und/oder Positionsintervalls stets eine geregelte Ansteuerung des als Pneumatikantrieb ausgebildeten ersten Stellantriebs vorgesehen. Ferner ist der zweite Stellantrieb während der Bearbeitung des Werkstücks stillgesetzt, entweder durch aktive Ansteuerung mit Hilfe der Steuereinrichtung oder durch die Aktivierung einer Ansteuerung durch die Steuereinrichtung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass einer der Stellantriebe mit seinem Antriebsgehäuse an einem Träger festgelegt ist und dass das Antriebsgehäuse des jeweils anderen Stellantriebs mit dem Antriebselement des am Träger festgelegten Stellantriebs verbunden ist. Bei dem Träger kann es sich beispielhaft um ein Maschinengestell handeln, wobei die Antriebseinrichtung dazu vorgesehen ist, Druckkräfte oder Zugkräfte auf ein am Maschinengestell aufgenommenes Werkstück auszuüben. Hierzu ist eine mechanische Reihenschaltung der beiden Stellantriebe vorgesehen, bei der eine Bewegung eines der Stellantriebe zu einer Verlagerung des gesamten anderen Stellantriebs führt. Alternativ könnte auch vorgesehen werden, dass die beiden Stellantriebe einander gegenüberliegend angeordnet sind und einen Arbeitsspalt begrenzen, in dem das Werkstück aufgenommen werden kann, und dass eine Einspannung des Werkstücks zunächst durch eine Ansteuerung des zweiten Stellantriebs erfolgt, der das Werkstück beispielsweise gegen das Antriebselement des ersten Stellantriebs presst, um dann in einem weiteren Schritt nach Stillsetzung des zweiten Stellantriebs eine Bearbeitung des Werkstücks mit Hilfe des ersten Stellantriebs durchzuführen.
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Bevorzugt ist der Träger als Bestandteil einer Schweißzange ausgebildet und der Stellantrieb, der mit dem Antriebselement des am Träger festgelegten Stellantriebs verbunden ist, umfasst einen als Elektrodenhalter zur Aufnahme einer Schweißelektrode ausgebildeten Objektträger. Bei einer Verwendung der Antriebseinrichtung in einer Schweißzange wird der zweite Stellantrieb beispielhaft dazu eingesetzt, die Schweißzange aus einem Öffnungszustand in einen zumindest nahezu geschlossenen Zustand zu überführen, bei dem die einander gegenüberliegend angeordneten Schweißelektroden mit einer Druckkraft, die innerhalb eines vorgebbaren Druckkraft-Intervalls liegt, an den flächig überlappenden Schweißteilen anliegt. Anschließend wird der Schweißvorgang durch Zufuhr von elektrischer Energie an die Schweißelektroden und durch geeignete Ansteuerung des ersten Stellantriebs mit Hilfe der Steuereinrichtung durchgeführt.
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Zweckmäßig ist es, wenn der erste Stellantrieb als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet ist, der zwei fluidisch getrennt ausgebildete, größenvariable Arbeitskammern umfasst, wobei jeder der Arbeitskammern ein Arbeitsanschluss zugeordnet ist, der mit fluidisch mit der Ventileinrichtung verbunden ist, wobei jedem der Arbeitsanschlüsse eine erste Sensoreinrichtung zugeordnet ist oder wenn der erste Stellantrieb als einfachwirkender, federvorgespannter Pneumatikzylinder ausgebildet ist, der eine größenvariable Arbeitskammer umfasst, der ein Arbeitsanschluss zugeordnet ist, der mit fluidisch mit der Ventileinrichtung verbunden ist, wobei dem Arbeitsanschluss eine erste Sensoreinrichtung zugeordnet ist. Ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder erfordert sowohl für eine Zustellbewegung als auch für eine Rückstellbewegung eine aktive Zufuhr von Arbeitsfluid an wenigstens eine der jeweils zwei Arbeitskammern. Dabei kann ein dynamisches Verhalten des derart ausgebildeten ersten Stellantriebs in vorteilhafter Weise an die Erfordernisse der Bearbeitung des Werkstücks angepasst werden, da über die zur Verfügung gestellten Arbeitsfluidströme unter Zuhilfenahme der Sensorsignale der Sensoreinrichtungen, die den beiden Arbeitskammern zugeordnet sind, eine exakte Positionierung des Stellantriebs möglich ist. Bei einer Ausgestaltung des ersten Stellantriebs als, insbesondere federvorgespannter, einfachwirkender Pneumatikzylinder ist lediglich eine erste Sensoreinrichtung am einzigen Arbeitsanschluss der einzigen Arbeitskammer erforderlich, hierdurch kann der erste Stellantriebs kostengünstig aufgebaut und betrieben werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Verfahren gelöst, das zum Betreiben einer Antriebseinrichtung nach einem der Vorrichtungsansprüche ausgebildet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass während einer Annäherung eines den Stellantrieben zugeordneten Objektträgers an ein Werkstück ein fluidischer Arbeitsdruck in wenigstens einer Arbeitskammer des ersten Stellantriebs innerhalb eines vorgebbaren ersten Druckintervalls eingestellt wird, das derart gewählt ist, dass eine Anpresskraft des Objektträgers bei einem Erstkontakt mit dem Werkstück kleiner als eine maximale Stellkraft des zweiten Stellantriebs ist und dass während einer nachfolgenden Bearbeitung des Werkstücks ein fluidischer Arbeitsdruck in wenigstens einer Arbeitskammer des ersten Stellantriebs innerhalb eines vorgebbaren zweiten Druckintervalls eingestellt wird, das derart gewählt ist, dass eine Anpresskraft des Objektträgers auf das Werkstück größer als eine maximale Stellkraft des zweiten Stellantriebs ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Schweißzange, die mit einer Antriebseinrichtung ausgerüstet ist, bei der die zwei mechanisch in Reihe geschalteten Stellantriebe in einer ersten Konfiguration angeordnet sind,
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Schweißzange, die mit einer Antriebseinrichtung ausgerüstet ist, bei der die zwei mechanisch in Reihe geschalteten Stellantriebe in einer zweiten Konfiguration angeordnet sind, und
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3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Schweißzange, die mit einer Antriebseinrichtung ausgerichtet ist, bei der die zwei mechanisch in Reihe geschalteten Stellantriebe in einer dritten Konfiguration angeordnet sind.
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In den 1 bis 3 sind unterschiedliche Ausführungsformen von Schweißzangen 1, 31 und 51 dargestellt, die sich im Wesentlichen durch unterschiedlich konfigurierte Antriebseinrichtungen 2, 32 und 52 voneinander unterscheiden.
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Exemplarisch sind die unterschiedlichen Ausführungsformen der Schweißzangen 1, 31 und 51 bezüglich der Anordnung und Halterung der Schweißelektroden 3, 4 jeweils gleichartig ausgebildet, wobei die Schweißelektrode 4 bei allen dargestellten Ausführungsformen jeweils an einem C-förmigen Gegenhalter 6 bzw. Gegenhalterabschnitt 60 angebracht ist. Hingegen ist die Schweißelektrode 3 an einem Antriebselement 17, 37, 67 eines jeweils zugeordneten Stellantriebs 18, 38, 68, das als Objektträger ausgebildet ist, angeordnet. Hierdurch lassen sich die technischen Unterschiede zwischen den Antriebseinrichtungen 2, 32 und 52 vorteilhaft darlegen.
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Zur Verwendung in einem industriellen Umfeld umfassen die Schweißzangen 1, 31 und 51 jeweils eine rein schematisch dargestellte Roboterschnittstelle 5, mit der die jeweilige Schweißzange 1, 31 und 51 an einem beweglichen Arm eines nicht dargestellten Industrieroboters angekoppelt werden kann, um beispielsweise Blechteile einer Automobil-Karosserie im Punktschweißverfahren miteinander verschweißen zu können.
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Nachstehend wird zunächst auf die in der 1 dargestellte erste Ausführungsform der Schweißzange 1 eingegangen, funktionsgleiche Komponenten werden bei der Beschreibung der 2 und 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.
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Bei der in 1 dargestellten Schweißzange 1 umfasst die Antriebseinrichtung 2 eine unmittelbare mechanische Reihenschaltung des ersten Stellantriebs 8 und eines zweiten Stellantriebs 18. Hierbei ist exemplarisch vorgesehen, dass der erste Stellantrieb 8 unmittelbar am Gegenhalter 6 angebracht ist, während der zweite Stellantrieb 18 mit einem Antriebselement 7 des ersten Stellantriebs 8 gekoppelt ist und somit durch Bereitstellung einer Linearbewegung des ersten Stellantriebs 8 längs einer Bewegungsachse 9 bewegt werden kann. Bei dieser Bewegung des gesamten zweiten Stellantriebs 18 erfolgt zwangsläufig auch eine Bewegung der Schweißelektrode 3, ohne dass hierfür eine eigenständige Bewegungseinleitung durch den zweiten Stellantrieb 18 hervorgerufen werden muss.
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Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass der erste Stellantrieb 8 als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet ist, bei dem ein Arbeitskolben 10 in einem Zylindergehäuse 11, das als Antriebsgehäuse dient und das am Gegenhalter 6 festgelegt ist, linearbeweglich abdichtend aufgenommen ist. An dem Zylindergehäuse 11 sind zwei Arbeitsanschlüsse 12, 15 angeordnet, die jeweils in fluidisch kommunizierender Verbindung mit einer Zylinderausnehmung 16 des Zylindergehäuses 11 stehen. Exemplarisch sind die beiden Arbeitsanschlüsse 12, 15 derart am Zylindergehäuse 11 angeordnet, dass sie jeweils für einen Fluidzustrom in eine Arbeitskammer 19, 20 und für einen Fluidabstrom aus der Arbeitskammer 19, 20 eingesetzt werden können. Dabei werden die größenvariablen Arbeitsräume 19, 20 jeweils durch die im Zylindergehäuse 11 ausgebildete Zylinderausnehmung 16 und den darin linearbeweglich aufgenommenen Arbeitskolben 10 begrenzt. Am Arbeitskolben 10 ist eine Kolbenstange 21 angebracht, die das Zylindergehäuse 11 durchsetzt und die sich längs einer Bewegungsachse 9 über das Zylindergehäuse 11 hinaus erstreckt und mit dem zweiten Stellantrieb 18 gekoppelt ist. Dementsprechend kann durch geeignete Beaufschlagung der beiden Arbeitsräume 19, 20 mit Arbeitsfluid eine lineare Verlagerung des Arbeitskolbens 10, der daran angebrachten Kolbenstange 21 und des damit gekoppelten weiten Stellantriebs 18 bewirkt werden.
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Für die Bereitstellung von Arbeitsfluid an wenigstens einen der beiden Arbeitsanschlüsse 12, 15 ist eine Ventileinrichtung 23 vorgesehen, die beispielhaft wenigstens zwei getrennt voneinander ansteuerbare, nicht dargestellte Magnetventile umfasst, die wahlweise eine fluidische Verbindung zwischen einer Fluidquelle 24 und dem jeweils zugeordneten Arbeitsanschluss 12, 15 oder eine fluidische Verbindung zwischen den jeweils zugeordneten Arbeitsanschluss 12, 15 und einem Abluftauslass 25 freigeben bzw. sperren können. Somit kann jeder der beiden Arbeitsräume 19, 20 individuell mit Arbeitsfluid beaufschlagt werden, um eine Position des Arbeitskolbens 10 längs der Bewegungsachse 9 einzustellen. Aufgrund der Kompressibilität des zur Bewegung des Arbeitskolbens 10 genutzten, gasförmigen Arbeitsfluids, insbesondere Druckluft, weist der erste Stellantrieb elastische Eigenschaften auf, sofern sich der Arbeitskolben 10 in einer Arbeitsposition zwischen zwei Endpositionen befindet. Diese Elastizitätseigenschaften sind gegeben, wenn die beiden Arbeitsräume 19, 20 mit Arbeitsfluid beaufschlagt sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass eines oder beide Magnetventile geöffnet sind oder dass beide Magnetventile abgesperrt. Hierdurch kann der Stellantrieb 8 als Fluidfeder, insbesondere Luftfeder, eingesetzt werden.
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Jedem der Arbeitsanschlüsse 12, 15 ist ein Drucksensor 26, 27 zugeordnet, der für eine Ermittlung eines Druckniveaus in einer Fluidleitung 28, 29 ausgebildet ist. Jeder der Drucksensoren 26, 27 ist über eine zugeordnete Sensorleitung 71, 72 mit einer Steuereinrichtung 73 verbunden, die zur Verarbeitung von elektrischen Signalen der beiden Drucksensoren 26 und 27 ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung 73 ist über eine Steuerleitung 74 mit der Ventileinrichtung 23 verbunden, um die dort vorgesehenen Magnetventile in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Bewegungsablauf für die Schweißzange 1 ansteuern zu können und damit eine entsprechende Beaufschlagung der beiden Arbeitsräume 19, 20 mit Arbeitsfluid zu gewährleisten.
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Der mit dem Antriebselement 7 des ersten Stellantriebs 8 gekoppelte zweite Stellantrieb 18 ist rein exemplarisch als elektrischer Linearsteller ausgebildet. Beispielhaft umfasst der zweite Stellantrieb 18 einen Elektromotor 75, eine Getriebeanordnung 76 sowie eine Spindelanordnung 77, die jeweils nur rein schematisch dargestellt sind. Der Elektromotor 75 kann beispielsweise als bürstenkommutierter oder bürstenloser Gleichstrommotor oder Wechselstrommotor oder als Schrittmotor ausgebildet sein und steht über eine Anschlussleitung 78 in elektrischer Verbindung mit der Steuereinrichtung 73. Die Federanordnung 76 ist beispielhaft als mehrstufiges Stirnrädergetriebe ausgebildet, um eine Rotationsbewegung einer nicht dargestellten Antriebswelle des Elektromotors 75 zu untersetzen und in eine langsamere und drehmomentstärkere Rotationsbewegung einer ebenfalls nicht dargestellten, insbesondere in der Getriebeanordnung 76 aufgenommenen, Gewindemutter zu ermöglichen. Die Gewindemutter greift in eine Gewindespindel 79 ein, die sich längs einer Spindelachse 80 erstreckt und die mit einem Endbereich über ein fest mit der Getriebeanordnung 76 verbundenes Spindelgehäuse 81 hinausragt. Vorzugsweise ist die Gewindespindel 79 linearverschieblich am Spindelgehäuse 81 und drehfest im Spindelgehäuse 81 aufgenommen, so dass eine Rotationsbewegung der nicht dargestellten Gewindemutter zu einer rein linearen Verschiebung der Gewindespindel 79 längs der Spindelachse 80 führt.
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An einem der Getriebeanordnung 76 abgewandten Endbereich ist die Gewindespindel 79 mit einem als Elektrodenhalter 82 ausgebildeten Objektträger versehen, an dem die Schweißelektrode 3 festgelegt ist. Dementsprechend findet eine Verlagerung der Schweißelektrode 3 statt, sobald die Gewindespindel 79 längs der Spindelachse 80 bewegt wird.
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Bei einer exemplarischen Ausgestaltung des Elektromotors 75 als Schrittmotor kann nach einer, insbesondere bei Inbetriebnahme der Schweißzange 1 durchgeführten, Kalibrierung eine Steuerung der Bewegung der Gewindespindel 79 durch Vorgabe von Bewegungsschritten für den Elektromotor 75 durch die Steuereinrichtung 73 erfolgen. Eine Regelung der Bewegung des zweiten Stellantriebs 18 ist in diesem Fall nicht zwingend erforderlich, da eine Positioniergenauigkeit für die Schweißelektrode 3 durch die Eigenschaften des beispielhaft als Schrittmotor ausgebildeten Elektromotors 75 ausreicht. Mögliche Positionsabweichungen bei der Positionierung der Schweißelektrode 3 können durch eine geeignete Ansteuerung der beiden Arbeitsräume 19, 20 des Arbeitskolbens 10 mit Arbeitsfluid und einer daraus resultierenden Elastizität zumindest innerhalb eines vorgebbaren Toleranzintervalls toleriert werden.
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Exemplarisch ist dem zweiten Stellantrieb 18 eine linearbeweglich am Gegenhalter 6 aufgenommene Drehmomentabstützung 84 zugeordnet, die über eine Koppelstange 85 mit einem Positionssensor 86 bewegungsgekoppelt ist. Der Positionssensor 86 ist über eine Sensorleitung 87 mit der Steuereinrichtung 73 elektrisch verbunden und stellt ein Positionssignal bereit, das in Zusammenhang mit einem Hub des Arbeitskolbens 10 längs der Bewegungsachse 9 steht.
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Für eine Schließbewegung der Schweißzange 1, bei der eine Annäherung der Schweißelektrode 3 an die Schweißelektrode 4 aus der in 1 dargestellten Öffnungsposition in eine nicht dargestellte Schließposition vorgesehen ist, erfolgt zunächst eine Ansteuerung des Elektromotors 75 durch die Steuereinrichtung 73. Hierdurch wird die Gewindespindel 79 mit der daran aufgenommenen Schweißelektrode 3 längs der Spindelachse 80 in Richtung der Schweißelektrode 4 bewegt. Beispielhaft kann vorgesehen werden, dass für diese Bewegung eine Schrittzahl für einen als Schrittmotor ausgebildeten Elektromotor 75 vorgegeben wird oder eine Überwachung eines Motorstroms des Elektromotors 75 vorgenommen wird, um ein Auftreffen der Elektrode 3 auf einem nicht dargestellten Werkstück zu detektieren. Während der Annäherung der Schweißelektrode 3 an das Werkstück, die, insbesondere ausschließlich, durch die Ansteuerung des Elektromotors 75 erfolgt, kann vorgesehen sein, dass beide Arbeitsräume 19, 20 des Arbeitskolbens 10 mit den gleichen Arbeitsdruck versorgt werden, so dass der Arbeitskolben 10 eine vom Arbeitsdruck abhängige Elastizität aufweist und ein Auftreffen der Schweißelektrode 3 auf das Werkstück gewissermaßen vom Arbeitskolben 10 abgefedert werden kann. Sofern das Werkstück bereits von vornherein auf der Schweißelektrode 4 auflag, ist das Werkstück nach Auftreffen der Schweißelektrode 3 zwischen den beiden Schweißelektroden 3 und 4 fixiert und aufgrund der Elastizitätseigenschaften des Arbeitskolbens 10, die sich durch geeignete Druckbeaufschlagung der beiden Arbeitsräume 19 und 20 ergibt, elastisch gespannt, so dass anschließend der Schweißvorgang vorgenommen werden kann.
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Exemplarisch wird davon ausgegangen, dass eine Gewindesteigung der Gewindespindel 89 derart ausgewählt ist, dass eine selbsthemmende Bewegungskopplung zwischen der Gewindespindel 89 und der nicht dargestellten Gewindemutter vorliegt. Hierdurch wird erreicht, dass bei dem nachfolgenden Schweißvorgang eine Festsetzung der Gewindespindel 79 allein dadurch erreicht werden kann, dass keine weitere elektrische Energie an den Elektromotor 75 zugeführt wird. Um die für den Schweißvorgang notwendigen Kräfte aufbringen zu können, wird anschließend durch geeignete Ansteuerung der Ventileinrichtung 23 durch die Steuereinrichtung 73 eine Krafteinleitung mit Hilfe des Arbeitskolbens 10 des ersten Stellantriebs 8 zwischen den beiden Schweißelektroden 3 und 4 bewirkt. Dabei kann eine Regelung einer zwischen den beiden Schweißelektroden 3 und 4 herrschenden Druckkraft über eine Einflussnahme auf Druckniveaus in den beiden Arbeitsräume 19 und 20 erfolgen. Dabei werden die Druckniveaus mit Hilfe der zugeordneten Drucksensoren 26 und 27 ermittelt und die Regelung der Druckkraft in der Steuereinrichtung 73 erfolgt in Abhängigkeit von den Sensorsignalen der Drucksensoren 26 und 27 sowie des Positionssensors 86.
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Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Schweißzange 31 ist zum einen die mechanische Reihenschaltung der beiden Stellantriebe 38 und 48 innerhalb der Antriebseinrichtung 32 gegenüber der Ausführungsform gemäß der 1 umgekehrt. Zum anderen ist bei der Schweißzange 31 der zweite Stellantrieb 48 unmittelbar am Gegenhalter 6 angebracht, während der erste Stellantrieb 38 an der Gewindespindel 79 des zweiten Stellantriebs 48 angebracht ist. Darüber hinaus ist abweichend von der Schweißzange 1 kein Positionssensor vorgesehen, die Regelung des Schweißvorgangs erfolgt rein exemplarisch ausschließlich als Druckregelung mit Hilfe der Drucksensoren 26 und 27 und der Steuereinrichtung 73. Um eine vorteilhafte Abstützung des Arbeitskolbens 10 zu gewährleisten, ist rein exemplarisch vorgesehen, dass dem Arbeitskolben 10 eine Drehmomentabstützung 50 zugeordnet ist, die linearbeweglich am Gegenhalter 6 gelagert ist.
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Bei der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform einer Schweißzange 51 ist ebenfalls eine mechanische Reihenschaltung der beiden Stellantriebe 58 und 68 vorgesehen, allerdings ist die Anordnung der beiden Stellantriebe 58 und 68 verglichen mit den Ausführungsformen der 1 und 2 in anderer räumlicher Verteilung vorgesehen. Dementsprechend ist rein exemplarisch der als Arbeitskolben 10 ausgebildete erste Stellantrieb 58 dem Gegenhalter 56 zugeordnet, der einen ersten Gegenhalterabschnitt 59 sowie einen zweiten Gegenhalterabschnitt 60 umfasst. Dem zweiten Gegenhalterabschnitt 60 ist eine endseitig angeordnete, als Objektträger ausgebildete Elektrodenhalterung zugeordnet. Ferner ist beispielhaft vorgesehen, dass der erste Gegenhalterabschnitt 59 mit der Roboterschnittstelle 5 verbunden ist und den zweiten Stellantrieb 68 trägt. Der zweite Gegenhalterabschnitt 60 ist an der Kolbenstange 21 des Arbeitskolbens 10 festgelegt ist und trägt die Schweißelektrode 4. Der zweite Stellantrieb 68 ist in der gleichen Weise wie die zweiten Stellantriebe 18 und 48 ausgebildet. Wie bei der Schweißzange 1 ist auch bei der Schweißzange 51 vorgesehen, dass an einem Endbereich der Gewindespindel 79 ein als Elektrodenhalter 82 ausgebildeter Objektträger für die Aufnahme der Schweißelektrode 3 angebracht ist.
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Für eine Schließbewegung der Schweißzange 51, bei der eine Annäherung der Schweißelektrode 3 an die Schweißelektrode 4 aus der in 3 dargestellten Öffnungsposition in eine nicht dargestellte Schließposition vorgesehen ist, ist der gleiche Funktionsablauf wie bei den Schweißzangen 1 und 31 vorgesehen. Zunächst wird die Schweißelektrode 3 durch eine Ansteuerung des Elektromotors 75 längs der Spindelachse 80 in Richtung der Schweißelektrode 4 bewegt. Dabei wirkt der Arbeitskolben 10 bei geeigneter Beaufschlagung der Arbeitsräume 19, 20 mit Arbeitsfluid als Fluidfeder und ermöglicht eine Kraftbegrenzung für die zwischen den beiden Schweißelektroden 3 und 4 wirkende Druckkraft. Anschließend wird unter Ausnutzung der selbsthemmenden Auslegung der Gewindespindel 79 durch Abschaltung einer Energieversorgung für den Elektromotor 75 die Festsetzung der Schweißelektrode 3 bewirkt. Für die nachfolgende Durchführung des Schweißvorgangs wird eine Druckregelung in den beiden Arbeitsräume 19 und 20 des Arbeitskolbens 10 mit Hilfe der Ventileinrichtung 23, der zugeordneten Drucksensoren 26 und 27 und der Steuereinrichtung 73 vorgenommen, wobei in diesem Fall eine lineare Bewegung der Schweißelektrode 4 zur Regelung der Druckkräfte während des Schweißvorgangs genutzt wird.
