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Die Erfindung betrifft ein Koppelelement und einen Schweißelektrodenantrieb für Widerstandspunktschweißzangen und findet insbesondere für Roboter-Widerstandspunktschweißzangen nach dem XC-Konzept Anwendung.
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Widerstandspunktschweißzangen, welche nach dem XC-Konzept arbeiten, sind einschlägig bekannt. Diese Schweißzangen sind in der Lage, zwei Bewegungen auszuführen. Eine Schwenkbewegung um ein zentrales Drehgelenk sowie eine translatorische Bewegung der Zangenarme entlang der Elektrodenachsen. Mit der Schwenkbewegung wird eine vergleichsweise große Öffnung der Zange realisiert, welche dem Umgreifen zu verschweißender Bauteile dient. Die translatorische Bewegung dient dem Zusammenpressen der Bauteile während der Schweißung. Beide Zangenarme können die translatorische Bewegung unabhängig voneinander ausführen, um Toleranzen an der Schweißstelle auszugleichen. Der Antrieb der translatorischen Bewegung erfolgt vorzugsweise pneumatisch sowie hydraulisch oder elektrisch. Die translatorische Bewegung der Zangenarme entlang der Elektrodenachsen wird durch eine Führung, welche gleitend oder rollend ausgeführt sein kann, sichergestellt. Die Antriebe stellen die Fügekraft von bis zu 10kN bereit. Werden die Antriebe als Pneumatikzylinder ausgeführt, wird das vorteilhafte Nachsetzverhalten der Pneumatikantriebe während der Schweißung durch die geringe bewegte Masse der Zangenarme unterstützt. Nachteilig ist, dass zur Erzeugung der Elektrodenanpresskraft Pneumatikzylinder mit großen Kolbendurchmessern und hohen Betriebsdrücken erforderlich sind. Trotz des kleinen Arbeitshubes der Zylinder ist daher ein beträchtlicher Bauraum für deren Einbau erforderlich. Entsprechend groß sind die äußeren Abmaße der Schweißzange. Die äußeren Abmaße sowie der hohe erforderliche Betriebsdruck der Pneumatikzylinder relativieren die Vorteile des Pneumatischen Antriebs daher.
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Der Antrieb der Schwenkbewegung erfolgt üblicherweise pneumatisch. Nach abgeschlossener schließender Schwenkbewegung muss der Antriebszylinder für selbige festgesetzt werden, was mittels einer oder mehrerer Feststelleinheiten an diesem Zylinder erfolgt welche die Kolbenstange blockieren. Das Blockieren des Zylinders mittels Feststelleinheit erfordert im Betrieb zusätzliche Prozesszeit von bis zu einer Sekunde. Die Taktzeit der Punktschweißungen von etwa ein bis zwei Sekunden pro Schweißpunkt (ohne blockieren der Feststelleinheit) wird somit erheblich vergrößert. Zudem unterliegt die Feststelleinheit großem Verschleiß und muss, da sie kein merkliches Spiel aufweisen darf, regelmäßig überprüft und ggf. ausgetauscht werden. Andernfalls leidet die Positioniergenauigkeit des Schwenkantriebes. Da der Zylinder nicht die Schweißkraft aufbringt sondern nur die innere Reibung der Schweißzange überwinden muss, sollte er vorteilhaft mit geringem Kolbendurchmesser dimensioniert werden. Die Feststelleinheit muss jedoch während der Schweißung der deutlich größeren Schweißkraft, welche von den Antrieben erzeugt wird, standhalten können. Diese kommt insbesondere zustande wenn der konstruktiv festgelegte Abstand zwischen Drehgelenk und Zylinder vorteilhaft kurz ist. Serienmäßig für den (Norm-)Zylinder verfügbare Feststelleinheiten können der Kraft nicht standhalten, weshalb i.d.R. mehrere Feststelleinheiten verwendet werden müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Koppelelement für Widerstandspunktschweißzangen sowie einen zugehörigen Schweißelektrodenantrieb zu entwickeln, welcher einen Antrieb für die translatorische Bewegung sowie für die Schwenkbewegung einer XC-Zange bereitgestellt und die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Weiterhin bietet die Erfindung einen einfachen konstruktiven Aufbau bei geringerem Platzbedarf sowie eine Verkürzung der Taktzeiten.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung betrifft eine Widerstandspunktschweißzange mit einem Koppelelement sowie einem Schweißelektrodenantrieb nach dem XC-Konzept, d.h. die Widerstandspunktschweißzange führt sowohl die Schwenkbewegung einer X-Zange sowie die translatorische Bewegung einer C-Zange aus. Die Widerstandspunktschweißzange besteht aus zwei Zangenelementen, die einen Hebel besitzen und um ein zentrales Drehgelenk mittels einer Antriebseinheit aus einer geöffneten Position in eine zusammengeführte Position schwenkbar sind. Die Hebel besitzen vom Drehpunkt beabstandete Gelenke über die zwei Gelenkglieder miteinander verbunden sind. In zusammengeführter Position stehen die Gelenkglieder kollinear zueinander und verbessern so den Kraftfluss zwischen den Zangenelementen. Für einen einfachen konstruktiven Aufbau ist die Antriebseinheit zwischen den Hebeln der Zangenelemente an dem Drehpunkt und an einem Gelenk zwischen den Gelenkgliedern gelagert. Bei zusammengeführter Position liegt die Antriebseinheit somit parallel zu den Zangenelementen. Für eine höhere Genauigkeit befinden sich die Gelenkglieder in kollinearer Position sobald die Antriebseinheit den maximalen Hub zur Verfügung stellt. Liegt die Antriebseinheit ausserhalb der Widerstandsschweißzange wird vorteilhafter Weise der minimale Hub verwendet. Die translatorische Bewegung der Elektroden der Widerstandspunktschweißzange gemäß einer C-Zange wird mittels jeweils einer translatorischen Antriebseinheit an den Zangenelementen eines umgesetzt, wobei die Bewegung mittels einer Antriebseinheit, einem Übertragungsglied und zwei Funktionsflächen ausgeführt wird. Das Übertragungsglied verbindet hierbei die zwei Funktionsflächen wobei das erste Funktionselement eine konkave Außenkontur und das zweite Funktionselement eine konvexe Außenkontur besitzt. Wird die translatorische Antriebseinheit ausgefahren bewegt sie über eine Rolle entlang der ersten Funktionsfläche das Übertragungsglied und bewegt die Elektrode der einen Seite auf die Elektrode der anderen Seite zu. Für eine Vergrößerung der Antriebskraft wird das Übertragungsglied außermittig gelagert, was gemäß Hebelgesetz bei geringeren Kraft der Antriebseinheit zu einer vergrößerten Kraft an den Elektroden führt, wobei der Abstand zwischen translatorischem Antriebselement zum Lager größer ist als der Abstand zum zweiten Funktionselement.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Widerstandspunktschweißzange mit Schwenkantrieb in geöffneter Position
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2 Widerstandspunktschweißzange mit Schwenkantrieb in geschlossener Position
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3 Widerstandspunktschweißzange mit Schwenkantrieb und Schweißelektrodenantrieb in der Position des Schweißpunkt setzens
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4 Verfahrkurve des Verbindungsgliedes mit den zugehörigen Funktionselementen
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1 zeigt eine Widerstandspunktschweißzange mit einem zentralen Drehgelenk 1 und den Elektroden 2. Zudem wird für die translatorische Bewegung eine Antriebseinheit 3.1 mit einem daran angebrachten Übertragungsglied 3.2 verwendet. Die Übertragungsglieder 3.2 besitzen an ihren Enden Funktionsflächen 3.3 und 3.4 mit einer definierten Form. Die Schwenkbewegung zum Öffnen und Schliessen der Schweißzange wird mit einer Antriebseinheit 4 und daran befestigten Gelenkgliedern 5 gelöst. Vorzugsweise ist die Antriebseinheit 4 pneumatisch betrieben, auch hydraulische oder elektrische Antriebe sind einsetzbar. Die Antriebseinheit 4 ist einerseits im zentralen Drehgelenk 1 befestigt, andererseits mit den die Zangenhälften verbindenden Gelenkgliedern 5 verbunden. Ein Ausfahren der Antriebseinheit 4 führt somit zu einer Schwenkbewegung der Schweißzange um das zentrale Drehgelenk 1 bis in die Schließposition wie in 2 dargestellt. Erfindungsgemäß liegen die Gelenkglieder 5 in dieser Stellung kollinear, die Antriebseinheit 4 befindet sich am Ende ihres baulich maximal möglichen Hubes. Dadurch erfolgt die Kraftübertragung über die Gelenkgleider 5 und nicht über die Antriebseinheit 4. In aufgeschwenkter Stellung der Zange befindet sich die Antriebseinheit am Anfang ihres baulichen Hubes, die Gelenkglieder 5 nehmen eine zueinander winklige Position ein. Daraus resultiert, dass bei geschlossener Zange der Schwenkantrieb durch die Anordnung der Gelenkglieder 5 gegen die wirkende Schweißkraft automatisch verriegelt.
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Zusätzliche Feststelleinheiten sind dazu nicht erforderlich woraus sich eine Reduktion der Taktzeit ergibt. Darüber hinaus wird die Schwenkbewegung der Schweißzange beim Schließen derselben aufgrund der Anordnung von Gelenkgliedern 5 und Antriebseinheit 4 allmählich abgebremst, so dass ein schnelleres Schließen der Zange möglich wird. Prellschläge am Ende der Schließbewegung werden verhindert, ohne dass dazu gesonderte Maßnahmen erforderlich wären. Eine weitere Reduktion der Taktzeit ist die Folge. Die Antriebseinheit 4 kann deutlich kleiner (schwächer) dimensioniert werden, da sie erfindungsgemäß dem Kraftfluss der wirkenden Schweißkraft entzogen wurde. Auch die Positioniergenauigkeit des Schwenkantriebes wird deutlich verbessert, da es keine verschleißbehafteten Endanschläge im Kraftfluss gibt. Die Endpositionierung der Schweißzange in geschlossener Stellung wird allein durch die geometrischen Abmessungen der Gelenkglieder 5 festgelegt. Durch die geometrischen Verhältnisse an dem Schwenkantrieb 4 ist eine aus dem Stand der Technik deutlich größere maximale Öffnung der Schweißzange erzielbar, bzw. kann der Hub der Antriebseinheit zur Erzielung einer gegebenen Zangenöffnung deutlich reduziert werden. Die konstruktiv in der Mitte der Schweißzange angeordnete Antriebseinheit 4 führt zu einer verbesserten Bauraumausnutzung in der Schweißzange. Die Gelenkglieder 5 können belastbarer als die üblicherweise genutzten Feststelleinheiten ausgeführt werden, wodurch der konstruktive Abstand zwischen zentralem Drehgelenk 1 und Gelenkgliedern 5 verringert wird. Die Schweißzange besitzt so deutlich kompaktere Abmessungen. Vorteilhafterweise befindet sich der Schwerpunkt der Schweißzange näher an der Roboteraufnahme.
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2 zeigt den Antrieb der Schwenkeinheit 4 in ausgefahrenem Zustand. Die Zange schliesst um das Drehgelenk 1 wobei durch die Drehbewegung die Gelenkglieder 5 im Endanschlag kollinear liegen. Die Elektroden sind jedoch noch zueinander beabstandet. Das Übertragunsglied 3.2 weist an seinen Enden Funktionsflächen 3.3 und 3.4 mit einer definierten Form auf. Vorzugsweise ist die Antriebseinheit 3.1 pneumatisch betrieben, auch hydraulische oder elektrische Antriebe sind einsetzbar.
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In 3 wird der Kontakt der Elektroden dargestellt. Das Ausfahren der Antriebseinheit 3.1 führt über die Funktionsfläche 3.3 zu einer Schwenkbewegung des Übertragungsgliedes 3.2 welches damit die Funktionsfläche 3.4 verschwenkt. Die Bewegung der Funktionsfläche 3.4 führt zu einer translatorischen Bewegung des jeweiligen Zangenarmes. Hiermit werden die Elektroden 2 zueinander geführt und der Schweißpunkt gesetzt. Die Erfindung erlaubt den Einsatz von Antrieben mit geringeren Maximalkräften. Gleichzeitig kann aufgrund der vorliegenden baulichen Gegebenheiten die Antriebseinheit im hinteren Bereich der Schweißzange angebracht werden. Bei der Verwendung von Pneumatikzylindern als Antrieb der Schweißzange sind geringere Luftdrücke zum Betrieb ausreichend, was zu erheblichen Kosteneinsparungen in der Fertigungsanlage durch Wegfall des Hochdrucknetzes führt. Der notwendige, größere Hub der Antriebseinheit ist aufgrund des Einbauortes im Heck der Zange kein Nachteil. Die geschützte, von der Schweißstelle weit entfernte Positionierung der Antriebseinheit kann sich positiv auf deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit auswirken. Darüber hinaus erlaubt die Erfindung eine erhebliche Reduzierung der Bauhöhe der Schweißzange, was von großem anwendungstechnischem Vorteil ist. Insbesondere die Führung 6 der Zangenarme der Schweißzange kann näher an deren Mittelachse positioniert werden, wodurch sich die Massenträgheitsmomente der Schweißzange verringern. Ferner können mit Hilfe der Erfindung Schweißzangen mit bisher unwirtschaftlichen, großen Schweißkräften realisiert werden, was sich positiv auf die Verarbeitung bestimmter Werkstoffe auswirkt. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung der translatorischen Antriebseinheit 3.1 sowie die diesbezügliche aufgebrachte Antriebskraft F. Erfindungsgemäß wird der Antrieb mittels Kurven 3.3 und 3.4 welche die Form von Kreisevolventen haben realisiert. Die Evolute der Kurve 3.3 hat einen deutlich größeren Radius als die Evolute der Kurve 3.4. Entsprechend wird zwischen der Antriebseinheit 3.1 und dem jeweiligen Zangenarm ein Übersetzungsverhältnis wirksam, d.h. es kommt zu einer Verstärkung der Antriebskraft F (F1 < F2). An jeder Stelle der Kurve ist die Normale der Evolvente die Tangente der Evolute. Das bedeutet, dass der Drehwinkel des Übertragungsgliedes 3.2 über dem Hub der Antriebseinheit 3.1 linear ist. Durch die erfindungsgemäße Anwendung der Kreisevolvente sowohl auf Kurve 3.3 als auch auf Kurve 3.4 ist somit ein vom Antriebshub unabhängiges, konstantes Übersetzungsverhältnis darstellbar. Erfindungsgemäß kann die Anordnung auch als einarmiger Hebel ausgeführt werden, d.h. der Drehpunkt des Übertragungsgliedes 3.2 liegt am Rand desselben, die Funktionsfläche 3.4 liegt dann an einer Stelle entlang des Übertragungsgliedes
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehgelenk
- 2
- Elektroden
- 3
- translatorischer Antrieb
- 3.1
- translatorische Antriebseinheit
- 3.2
- Übertragungsglied
- 3.3
- konkave Funktionsfläche
- 3.4
- konvexe Funktionsfläche
- 4
- Antrieb für die Schwenkbewegung
- 5
- Gelenkglied
- 6
- Führung
- 7
- Hebel
- F
- Antriebskraft
