DE10144286C1 - Verfahren zur Beurteilung der Qualität einer Schweißverbindung - Google Patents

Abstract

Um ohne zusätzliche Messanordnungen die Eindringtiefe von Elektroden in zu verschweißende Blechteile ermitteln zu können, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Beurteilung der Qualität einer Schweißverbindung von mindestens zwei Blechteilen beim elektrischen Widerstandsschweißen mittels einer Schweißzange mit zwei Elektroden, einer elektrisch angetriebenen, nicht selbsthemmenden Spindel zum Bewegen mindestens einer der beiden Elektroden, Mitteln zum Erzeugen des Schweißstromes, einer Zangensteuerung, einer Positionsregelung für den elektrischen Antrieb, Mitteln zum Erfassen der Spindelposition sowie einem Leistungsteil, umfassend eine Drehzahlregelung und einen Leistungsschalter für den elektrischen Antrieb, wobei das Leistungsteil einen Drehzahlsollwerteingang, einen Strombegrenzungseingang, einen Stromistwertausgang, einen Spindelpositionsistwertausgang und einen mit dem Antrieb verbundenen Ausgang für das Motorleistungskabel aufweist, vorgeschlagen, bei dem zumindest während der Schweißung die Positionsregelung aktiviert wird und die Zangensteuerung Änderungen des zum Antriebsmoment proportionalen Istwertes des Stromes am Stromistwertausgang des Leistungsteils erfasst und auswertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung der Qua­ lität einer Schweißverbindung von mindestens zwei Blechteilen beim elektrischen Widerstandsschweißen.

Das elektrische Widerstandsschweißen - auch Widerstandspress­ schweißen genannt - lässt sich gut automatisieren und wird in großem Umfang insbesondere in der Automobilindustrie zum Ver­ binden von mindestens zwei Blechen angewendet.

Die zu verschweißenden Bleche werden zwischen zwei Elektroden zusammengepresst, die vorzugsweise je eine Schweißkappe mit einer genau definierten Geometrie als Kontaktfläche auf­ weisen. Die Kraft für die Schließbewegung der an Elektroden­ armen befestigten Elektroden erzeugen beispielsweise elek­ trisch angetriebene Motorspindeln.

Der Schweißstrom an der Kontaktstelle zwischen den zusammen­ gepressten Blechen bewirkt eine Temperaturerhöhung, die zur Aufschmelzung der beiden Blechteile bis maximal zu deren Oberfläche führt. Das gemeinsame Schweißbad an der Kontakt­ stelle wird Schweißlinse genannt. Eine an die Aufschmelzung anschließende Abkühlung unter Wirkung von Presskräften führt zu einer Erstarrung der Schweißlinse, so dass die Bleche me­ chanisch miteinander verbunden sind.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass ein we­ sentliches Beurteilungsmerkmal für die Schweißqualität beim elektrischen Widerstandsschweißen die Eindringtiefe der Schweißelektroden bzw. der sie umgebenden Elektrodenkappen ist. Die Eindringtiefe ist die Differenz der Abstände der Elektroden vor und nach der Schweißung. Eine ordnungsgemäß durchgeführte Widerstandsschweißung führt regelmäßig zu einer messbaren Eindellung an den Kontaktstellen zwischen den Elektroden und den Blechoberflächen. Durch Erfassen der Ein­ dringtiefe während und nach eines jeden Schweißprozesses und einem Vergleich mit vorgegebenen Parametern lässt sich daher die Qualität einer Verschweißung ermitteln.

Aus der EP 0594 086 B1 ist es bereits bekannt, aufgrund einer gemessenen Elektrodenkraft den Schweißpunkt bzw. dessen Qualität zu beurteilen und aufgrund dieser Beurteilung zu entscheiden, ob ggf. ein weiterer, benachbarter Schweißpunkt erforderlich ist. Zur Erfassung der Elektrodenkraft wird an dem Elektrodenarm der Schweißzange ein optischer Sensor an­ geordnet, dessen Wirkungsweise darauf beruht, dass die über einen Lichtweg im Sensorelement übertragene Lichtmenge eine Funktion der Verformung des den Lichtweg aufweisenden Teils des Sensors ist. Der Sensor ist über Lichtleiter mit einer opto-elektronischen Einheit verbunden, die für jeden Schweiß­ punkt die Beurteilung der Qualität und die sich daraus erge­ benden Steuermaßnahmen durchführt.

Aus der DE 32 41 897 C2 ist ein Widerstandspunktschweißgerät mit einem Elektrodenhalter bekannt, der einen festen unteren Arm und einen beweglichen oberen Arm aufweist. Der bewegliche Arm ist über eine Spiralfeder mit einem Antrieb gekoppelt. Zwischen Antrieb und Feder befindet sich eine elektrische Dehnungsmeßstreifen-Kraftmessdose, die die Kraft der Feder und somit die auf die zu verschweißenden Werkstücke ausgeübte Kraft erfasst. Diese Kraft ist ein Maß für das Eindringen der Elektroden in die Werkstücke, das erfolgt, wenn die Schweiß­ stelle schmilzt, da die Feder sich längt und infolgedessen die Kraft abnimmt. Die Erfassung der Kraftänderung bei der Aufschmelzung wird zur Ermittlung der Qualität der Schweiß­ verbindung herangezogen. Die zur Temperaturkompensation zu einer Brücke zusammengeschalteten Dehnungsmessstreifen sind während der Schweißzyklen zusätzlich einem starken elektro­ magnetischen Feld ausgesetzt. Aus diesem Grund ist eine spe­ zielle Schaltung erforderlich, die jede störende Beein­ flussung durch den Schweißstrom vollständig beseitigt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem sich ohne zusätzliche Messanordnungen, insbesondere Sensoren, die Qualität einer Verschweißung mit einer Wider­ standsschweißzange ermitteln lässt. Außerdem soll eine Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorge­ schlagen werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Die Positionsregelung alleine lässt keine reproduzierbaren Rückschlüsse auf die Eindringtiefe und damit die Qualität der Verschweißung zu. Während die Positionsregelung aktiv ist, ändert sich jedoch fortlaufend die Spindelposition in sehr kleinem Maße. Diese Änderungen muss der Positionsregler fort­ laufend ausgleichen, um die aktuelle Position während der Schweißung halten zu können. Bereits kleinste Positionsän­ derungen des Antriebs bewirken eine Änderung des dem An­ triebsmoment proportionalen Stroms. Der Strom wird so lange nachgeführt, bis sich wieder die Sollposition eingestellt hat. Der jeweils aktuelle Stromistwert am Stromistwertausgang wird von der Zangensteuerung erfasst und von der Zangensteuerung über die Zeit ausgewertet. Folglich ist die Änderung des Antriebsmoments über den Verlauf der Schweißphase ein direktes Maß für die Änderung der Kraft zwischen den Elektroden; diese wiederum ist wegen des konstanten e-Moduls der beweglichen Teil der Schweißzange ein direktes Maß für die Abstandsänderung und damit das Eindringen der beiden Elektroden.

Die Messung der Änderung des Antriebsmoments bei aktiver Po­ sitionsregelung ist eine hochauflösende Art der Messung, die darüber hinaus ohne den Einsatz zusätzlicher Messmittel, ins­ besondere Sensoren, auskommt.

Die Referenzposition wird bei jedem Schweißvorgang in der Elektrodenkraftaufbauphase neu bestimmt und passt sich daher automatisch einem Verschleiß der Elektroden oder der Elek­ trodenkappen an.

Die Erkennung des Eindringens der Elektroden ist in vielen Fällen nur möglich, wenn sich an den Schweißvorgang eine Auswerteverlängerungsphase gemäß den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3 anschließt. Diese Auswerteverlängerungsphase verzögert das Öffnen der Schweißzange solange, bis die Zan­ gensteuerung eine ordnungsgemäße Verschweißung erkannt hat oder am Ende der Auswerteverlängerungsphase feststeht, dass das Eindringen zu gering war, also eine unzureichende oder keine Verschweißung stattgefunden hat.

Die Auswerteverlängerungsphase ist in vorteilhafter Ausge­ staltung der Erfindung in mehrere Verlängerungsabschnitte un­ terteilt, wobei die Zangensteuerung die sich der Schweißphase anschließenden Verlängerungsabschnitte von beispielsweise 20 ms Dauer sukzessive solange in die Auswertung einbezieht, bis das Auswerteergebnis eine Aussage über die Schweißqualität zulässt. Das Überschreiten der maximalen Dauer der Auswerteverlängerungsphase ohne das Erkennen eines Eindringens der Elektroden wird als fehlerhafte Schweißung gedeutet, beispielsweise aufgrund eines Nebenschlusses. Wenn eine Auswerteverlängerungsphase im Anschluss an den Schweiß­ vorgang vorgesehen wird, kann die ansonsten beim Wider­ standsschweißen erforderliche Nachpresszeit entfallen.

Der Betrieb der vorzugsweise eingesetzten PI-Regler für die Positions- und Drehzahlregelung mit einem gesonderten Satz PID-Regelparametern während der Übergangsphase, der Schweiß­ phase und ggf. der Auswerteverlängerungsphase beschleunigt den Einschwingvorgang und verbessert die Positionsregelung und das Ansprechverhalten der Drehzahlregelung.

Eine Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der Figuren und Diagramme. Es zeigen:

Fig. 1a eine Schweißzange zum Durchführen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens

Fig. 1b eine Detailansicht der Elektrodenkappen der Schweißzange nach Fig. 1

Fig. 2 ein Weg-Zeit-Diagramm der Antriebsposition der Schweißzange, gemessen an der Spindel

Fig. 3 ein Stromistwert-Zeit Diagramm, gemessen am Stromistwertausgang des Leistungsteils der Schweißzange

Fig. 4 das Stromistwert-Zeit Diagramm nach Fig. 4 mit eingetragenen Hilfslinien zur Erläuterung der Auswertung

Fig. 5 ein Leitspannungs-Zeit Diagramm, gemessen am Drehzahlsollwerteingang und am Strombegrenzungs­ eingang des Leistungsteils.

Fig. 1a zeigt eine Schweißzange zum Verbinden von Blech­ teilen 1 mit zwei um einen gemeinsamen Drehpunkt 2 schwenk­ baren Elektrodenarmen 3a, b. An den äußeren Enden der Elek­ trodenarme 3a, b sind Stiftelektroden 4a, b angeordnet, die stirnseitig an der Kontaktstelle mit den Blechteilen 1 von Elektrodenkappen 5a, 5b umgeben werden.

Der Abstand der Elektroden 4a, b lässt sich mit einer von einem Elektromotor 6, insbesondere einem Servomotor ange­ triebenen, nicht selbsthemmenden Spindel 7 verändern, in dem sie den Abstand zwischen an den gegenüberliegenden Enden der Elektrodenarme 3a, b angeordneten Gelenken 8a, 8b verändert.

Der Schweißstrom fließt von einen Schweißtransformator 9 durch die Elektrodenarme 3a, b zu den Elektroden 4a, b. Der Schweißtransformator 9 ist über ein Schweißstromkabel 11 mit einem von einer Widerstandsschweißsteuerung 13 gesteuerten Schweißleistungsteil 12 verbunden. Wie in Fig. 1b erkenn­ bar, bewirkt der Schweißstrom an der Kontaktstelle der zwischen den Elektrodenkappen 5a, b zusammengepressten Blechteile 1 eine Temperaturerhöhung, die eine Schweißlinse 26 ausbildet. Eine an die Aufschmelzung anschließende Abküh­ lung unter Wirkung von Presskräften führt zu einer Erstarrung der Schweißlinse 26.

Der Elektromotor 6 für die Bewegung der Elektrodenarme 3a, 3b ist über ein Motorkabel 14 mit einem handelsüblichen Lei­ stungsteil 15 für Schweißzangen verbunden. Das Leistungsteil 15 umfasst eine Drehzahlregelung 16 und einen nicht darge­ stellten Leistungsschalter für den Elektromotor 6, bei­ spielsweise einen 4 Quadranten-PI-Drehzahl-Servoregler (PI: = Proportional-Integral) und einen untergelagerten PI- Stromregler. Als Schnittstelle weist das Leistungsteil 15 ei­ nen als Resolvereingang ausgestalteten Eingang für die Spin­ delposition 17, einen Drehzahlsollwerteingang 18, einen Strombegrenzungseingang 19, einen Stromistwertausgang 21 und einen Spindelpositionsistwertausgang 22 auf.

Die Eingänge 18, 19 sowie die Ausgänge 21, 22 sind mit einer Schweißzangensteuerung 24 mit integrierter Positionsregelung 25 verbunden. Auch die Positionsregelung besitzt PI-Charak­ teristik, um kleinste Regelabweichungen ohne bleibenden Feh­ ler ausregeln zu können.

Der Ablauf für das Setzen eines Schweißpunktes mit der be­ schriebenen Schweißzange gliedert sich in eine Schließphase 27, eine Elektrodenkraftaufbauphase 28, eine Übergangsphase 29, eine Schweißphase 30 und ggf. eine Auswerteverlänge­ rungsphase 32. In Fig. 2 ist die Antriebsistposition über die einzelnen Phasen dargestellt.

A. Schließphase (27)

Die Positionsregelung 25 gibt einen über die Zangen­ steuerung 24 wählbares Drehzahlsollwertprofil 40 (Fig. 5) an den Drehzahlsollwerteingang 18 des Leistungsteils aus und vergrößert unter Berücksichtigung des Spindelpositionsistwertes 23 den Abstand zwischen den Gelenken 8a, 8b der elektrisch angetriebenen Spindel 7, so dass sich die auf dem gemeinsamen Drehpunkt 2 gela­ gerten Elektrodenarme 3a, b und die daran angeordneten Stiftelektroden 4a, 4b aufeinander zu bewegen. Im Dia­ gramm nach Fig. 2 ist eine deutliche Änderung des Spin­ delpositionsistwertes 23 während der Schließphase 27 zu erkennen. Zunächst berühren die beiden Elektrodenkappen 5a, 5b die zu verschweißenden Blechteile 1 von beiden Seiten. Sodann werden die Blechteile 1 durch eine weiteres Vergrößern des Gelenkabstandes zusammengepresst. Die von der Positionsreglung 6 durchgeführte Schließphase 27 endet nach 0,24 sec, wenn der Stromistwert 33 einen von der Zangensteuerung 24 vorgegebenen ersten, dem Antriebsmoment proportionalen Stromgrenzwert erreicht und/oder die Antriebsgeschwindigkeit unter einen Geschwindigkeitsgrenzwert fällt. Hierzu wird der Stromistwert 33 fortlaufend erfasst und in der Zangen­ steuerung 24 mit dem ersten Stromgrenzwert verglichen und /oder die aus der Änderung des Spindelpositionsistwertes abgeleitete Antriebsgeschwindigkeit mit einem vorgegebenen Geschwindigkeitsgrenzwert verglichen. In Fig. 2 ist an der abnehmenden Steigung der Spindelpo­ sitionskurve erkennbar, dass zum Schluss der Schließphase 27 die Antriebsgeschwindigkeit abfällt und unter den Geschwindigkeitsgrenzwert fällt.

B. Elektrodenkraftaufbauphase (28)

Am Ende der Schließphase 27, also beim Erreichen des ersten Stromgrenzwertes und/oder Unterschreiten des Ge­ schwindigkeitsgrenzwertes, schaltet die Zangensteuerung 24 von der Positionsregelung 25 auf die Drehzahlregelung 16 um. Über den Strombegrenzungseingang 19 erhält die Drehzahlregelung 16 von der Zangensteuerung 24 eine Leit­ spannung 53 (Fig. 5), die den Motorstrom auf einen Wert unterhalb des maximal möglichen Motorstromes begrenzt. Die Begrenzung des zum Antriebsmoment proportionalen Antriebsstroms auf einen zweiten Stromgrenzwert 52 entspricht einer Vorgabe der Kraft zwischen den beiden Elektrodenkappen 5a, b, der Elektrodenkraft. In der Elektrodenkraftaufbauphase 28 wird daher der An­ triebsstrom durch Vorgabe einer Leitspannung 53 an dem Strombegrenzungseingang 19 auf einen zweiten Stromgrenz­ wert begrenzt, aus dem die gewünschte Elektrodenkraft zwischen den Elektroden unter Berücksichtigung der He­ belverhältnisse der Schweißzange und der Spindelsteigung resultiert, beispielsweise 3 kN.

In der Zangensteuerung 24 wird während der Elektroden­ kraftaufbauphase 28 fortlaufend der mit der Elektroden­ kraft korrespondierende Stromistwert 33 erfasst und dort in die resultierende Kraft zwischen den Elektrodenkappen 5a, b umgerechnet. In Fig. 3 ist der Anstieg des Stromistwertes 33 bis zum zweiten Stromgrenzwert 52 zu erkennen.

Die Schweißzange schließt nun so weit, bis sich die ge­ wünschte Elektrodenkraft zwischen den Elektrodenkappen 5a, 5b einstellt. Zu diesem Zeitpunkt ist der zweite Stromgrenzwert 52 und damit ein definiertes Antriebsmo­ ment erreicht. Eine weitere Erhöhung der Kraft zwischen den Elektrodenkappen 5a, 5b findet daher nicht statt.

Im Diagramm nach Fig. 2 ist das Ende der Elektroden­ kraftaufbauphase 28 nach etwa 0,34 sec erkennbar, das mit einem Stillstand der Spindel 7 an einer Referenzposition 34 einhergeht (Fig. 2). Die Referenzposition 34 wird in der Zangensteuerung 24 gespeichert.

Durch Elektrodenkappenabnutzung ändert sich diese Refe­ renzposition 34 im Lauf der Zeit. Dies ist jedoch un­ schädlich, da sich bei jedem Schweißvorgang aufgrund der Strombegrenzung in der Elektrodenkraftaufbauphase 28 stets dieselbe Schließkraft einstellt.

Mit Erreichen der Schließkraft überträgt die Zangen­ steuerung 9 ein Startsignal 35, beispielsweise einen ak­ tiven 24 Volt Pegel, an die Widerstandsschweißsteuerung 13, die den Schweißstrom für den Schweißvorgang nach ei­ ner dort programmierten Vorpresszeit, entsprechend der programmierten Dauer der Übergangsphase 29, auslöst.

C. Übergangsphase (29)

Mit Erreichen der Elektrodenkraft wird die Strombegren­ zung aufgehoben, in dem der Strombegrenzungseingang 19 des Leistungsteils 5 wieder auf eine Leitspannung 53 (Fig. 5) von 10 Volt gesetzt wird, d. h. 100% des maximal möglichen Antriebsstroms, so dass damit auch das maximale Motordrehmoment zur Verfügung steht. Gleichzeitig aktiviert die Zangensteuerung 24 den Positionsregler 25, der unter Verwendung des Istwertes der Spindelposition 23 und dem Drehzahlsollwert 36 über das Leistungsteil 15 die aktuelle Position der Spindel 7 auf der Referenzposition 34 hält. Die Referenzposition 34 ist der Sollwert der Positionsregelung in der Übergangsphase.

Der aktive Positionsregler 25 bewirkt, dass am Stromist­ wertausgang 21 des Leistungsteil 15 am Ende der Über­ gangsphase ein eingeschwungenes, konstantes Signal an­ steht, das dem der Elektrodenkraft proportionalen An­ triebsmoment entspricht.

Die Dauer der Übergangsphase 29 wird so bemessen, dass sich der Positionsregler 25 im eingeschwungenen Zustand befindet und stabil die Referenzposition 34 ausregelt.

D. Schweißphase (30)

Nach Ablauf der Übergangsphase 29 erzeugt die Wider­ standsschweißsteuerung 13 über das Schweiß-Leistungsteil 12 und den Schweißtransformator 9 einen Stromfluss zwi­ schen den beiden Elektrodenkappen 5a, 5b durch die da­ zwischen befindlichen Blechteile 1.

Die beiden Elektrodenkappen 5a, 5b pressen mit einer vorgegebenen Kraft die Blechteile 1 zusammen, wodurch das nun weiche und/oder flüssige Material deformiert, komprimiert und/oder zur Seite gedrückt wird, so dass sich die beiden Elektrodenkappen 5a, 5b annähern ("Ein­ dringen"). Dieses Annähern der beiden Elektrodenkappen 5a, 5b bewirkt eine Kraftentlastung der Elektrodenarme 3a, 3b und daraus resultierend eine Änderung der Axial­ kraft der Spindel 7. Bei der Spindel, die sie sich nicht in Selbsthemmung befinden darf, bewirkt die Änderung der Axialkraft eine Änderung des Drehmomentes des an die Spindel angeflanschten Elektromotors 6. Daher liefert der dem Motormoment proportionale Stromistwertausgang 21 des Leistungsteils 15 eine auswertbare Verringerung des gemessenen Motormoments, wenn die Positionsregelung 25 aktiv ist.

E. Auswerteverlängerungsphase (32)

Während der Schweißphase 30 liegt häufig, wie auch in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, noch keine auswertbare Änderung des Motormoments vor, da sich bis zum Abschalten des Schweißstromes der Abstand der Elektrodenkappen zueinander zunächst vergrößert ("öffnen"). Erst nach dem Abschalten des Schweißstromes und dem Abkühlen des Schweißgutes zwischen den Elektrodenkappen bewegen sich die Elektrodenkappen wieder aufeinander zu. Es kann daher notwendig sein, der Schweißphase 30, eine Auswerteverlängerungsphase 32 folgen zu lassen. In dieser Phase bleibt die Positionsregelung aktiv und regelt weiter die Referenzposition 35 aus.

Die Auswerteverlängerungsphase 32 ist in mehrere Ver­ längerungsabschnitte 38a-d (Fig. 2) unterteilt. Nach Ablauf des ersten Verlängerungsabschnitts 38a wird eine Auswertung des Stromistwertes 33 über die gesamte Schweißphase 30 einschließlich des Verlängerungsab­ schnitts 38a durchgeführt. Diese Auswertung liefert eine Maßzahl, die proportional der Eindringtiefe der Elektrodenkappen 5a, 5b während des Schweißprozesses bzw. nach dem Schweißprozess ist.

Überschreitet die Maßzahl einen festgelegten Grenzwert, besagt dies, dass die Elektrodenkappen 5a, 5b tief genug eingedrungen sind, so dass mit hoher Wahrscheinlichkeit eine gute Schweißung vorliegt. Die Auswertung kann dann beendet und die Schweißzange in einer Öffnungsphase 39 (Fig. 2, 3) geöffnet werden. Wird der Grenzwert nicht erreicht, besagt dies, dass die Elektrodenkappen 5a, 5b nicht ausreichend tief eingedrungen sind, so dass mit hoher Wahrscheinlichkeit keine ordnungsgemäße Schweißung vorliegt. In diesem Fall erfolgt nach Ablauf eines weiteren Verlängerungsabschnitts 38b eine erneute Aus­ wertung des Stromistwertes 33 über die Schweißphase 30 sowie die abgelaufenen Verlängerungsabschnitte 38a, b. Unterschreitet die Maßzahl nach wie vor den Grenzwert, wird die Auswertung so lange wiederholt, bis die maximale Dauer der Auswerteverlängerungsphase 38a-38d erreicht ist oder die Maßzahl den Grenzwert überschritten hat.

Wurde der Grenzwert bis zum Abschluss der Auswerteverlän­ gerungsphase nach 0,9 sec nicht überschritten wird die Schweißzange geöffnet und das Vorliegen eines Fehlers signalisiert.

F. Auswertung in der Schweißphase (30) und der Auswertever­ längerungsphase (32)

Durch eine Auswertung des Stromistwertes 33 über die Schweißphase 30 und ggf. einen oder mehrere Ver­ längerungsabschnitte 38a-d der Auswerteverlängerungs­ phase 32 ist eine Erkennung der Eindringtiefe der Elek­ trodenkappen 5a, 5b möglich. Ein Ausbleiben einer Än­ derung des Stromistwertes und damit des Antriebsmomentes zeigt eindeutig einen fehlerhafte Verschweißung, z. B. einen Nebenschluss.

Die Auswertung des Stromistwertausgang 21 über die Zeit darf erst in der Schweißphase 30 beginnen, wenn die Po­ sitionsregelung 25 sicher in einem eingeschwungenen Zu­ stand ist. Ein Beispiel für eine Auswertung des Strom­ istwertes 33 wird anhand von Fig. 4 erläutert:
Es wird über die gesamte Schweißphase 30 und die benö­ tigten Verlängerungsabschnitte 38a-d der Auswertever­ längerungsphase 32 (Auswertezeitraum) ein linearer Mittelwert der Stromistwerte berechnet. Die den berech­ neten Mittelwert darstellende waagerechte Gerade ist in Fig. 4 mit 41 gekennzeichnet.

Über den gleichen Auswertezeitraum wird eine lineare Regression berechnet, die im Fall des Einsinkens der Elektrodenkappen 5a, 5b eine Geradengleichung mit einer negativen Steigung liefert. Die berechnete Gerade 42 ist in Fig. 4 ebenfalls dargestellt.

Der Schnittpunkt 43 dieser beiden Geraden kennzeichnet den Zeitpunkt des Einsinkens der Elektrodenkappen, der in Fig. 4 nach etwa 0,77 sec erreicht ist.

Anschließend wird ein vorderer Referenzbereich 44 und ein hinterer Messbereich 45 festgelegt, wobei die beiden Bereiche 44, 45 durch den Schnittpunkt der Geraden 41, 42 voneinander getrennt sind.

Nun wird für beide Bereiche 44, 45 nochmals eine lineare Regression gerechnet, die jeweils eine Geradengleichung für den Referenz 44- und den Messbereich 45 ergibt. Die berechneten Geraden 46, 47 sind in Fig. 4 ebenfalls dargestellt.

Der durch die Mitte der Geraden 46, 47 definierten Schwerpunkte 48, 49 für den Referenz 44- und Messbereich 45 werden errechnet und die Differenz zwischen den Schwerpunkten berechnet. Dieser Wert bildet die Maßzahl, die nach einem Vergleich mit dem Grenzwert eine Ent­ scheidung über ein ausreichendes Eindringen der Elektro­ denkappen erlaubt.

G. Interpretation der Maßzahl

Die Maßzahl entspricht einem gemessenen Momentunter­ schied. Durch das Eindringen nähern sich die beiden Elektrodenkappen 5a, 5b einander an. Wegen der konstanten Federsteifigkeit der Elektrodenarme 2 entspricht dies einer Kraftentlastung der Arme und damit einer Ver­ ringerung des damit im Gleichgewicht stehenden Motormo­ mentes. Folglich lässt sich die Maßzahl in eine ent­ sprechende Änderung des Elektrodenabstandes und damit die Eindringtiefe umrechnen.

Die Beurteilung der Schweißqualität erlaubt es, nach der Schweißung geeignete Maßnahmen einzuleiten, wie bei­ spielsweise eine Wiederholung des Schweißvorgangs und/oder eine Meldung an eine übergeordnete, in Fig. 1a dargestellte Roboter-Steuerung 50.

Bezugszeichenliste

1

Blechteile

2

Drehpunkt

3

a, b Elektrodenarm

4

a, b Stiftelektroden

5

a, b Elektrodenkappen

6

Elektromotor

7

Spindel

8

a, b Gelenke

9

Schweißtransform­ ator

10

-

11

Schweißstromkabel

12

Schweißleistungs­ teil

13

Widerstandsschweiß- Steuerung

14

Motorkabel

15

Leistungsteil

16

Drehzahlregelung

17

Eingang Spindelposition

18

Drehzahlsollwert­ eingang

19

Strombegrenzungs­ ein­ gang

20

-

21

Stromistwertausg­ ang

22

Spindelpositions­ istwertausgang

23

Signal Antriebspo­ sitionsistwert

24

Schweißzangen­ steuerung

25

Positionsregelung

26

Schweißlinse

27

Schließphase

28

Elektrodenkraftaufbau­ phase

29

Übergangsphase

30

Schweißphase

31

-

32

Auswerteverlängerungs­ phase

33

Stromistwert

34

Referenzposition

35

Startsignal

36

Drehzahlsollwert

37

Maximale Öffnung

38

a-d Verlängerungsabschnitte

39

Öffnungsphase

40

Drehzahlsollwertprofil

41

Gerade

42

Gerade

43

Schnittpunkt

44

Referenzbereich

45

Messbereich

46

Gerade

47

Gerade

48

Schwerpunkt

49

Schwerpunkt

50

Roboter-Steuerung

51

Maximales Eindringen

52

Stromgrenzwert

53

Leitspannung

Claims (9)

1. Verfahren zur Beurteilung der Qualität einer Schweißver­ bindung von mindestens zwei Blechteilen beim elektrischen Widerstandsschweißen mittels einer Schweißzange mit zwei Elektroden (4a, 4b), einer elektrisch angetriebenen, nicht selbsthemmenden Spindel (7) zum Bewegen mindestens einer der beiden Elektroden (4a, 4b), Mitteln zum Erzeugen des Schweißstromes (12, 13), einer Zangensteuerung (24), einer Positionsregelung (25) für den elektrischen Antrieb (6), Mitteln zum Erfassen der Spindelposition sowie einem Leistungsteil (15) umfassend eine Drehzahlregelung (16) und einen Leistungsschalter für den elektrischen Antrieb (6), wobei das Leistungsteil (15) einen Dreh­ zahlsollwerteingang (18), einen Strombegrenzungseingang (19), einen Stromistwertausgang (21), einen Spindelpositionsistwertausgang (22) und einen mit dem Antrieb (6) verbundenen Ausgang für das Motor­ leistungskabel (14) aufweist, wobei
in einer Schließphase (27) der Schweißzange die Posi­ tionsregelung (25) unter Berücksichtigung des Spindelpositionsistwertes (23) den Abstand zwischen den Elektroden (4a, b) solange verringert, bis der Stromistwert (33) an dem Stromistwertausgang (21) des Leistungsteils (15) einen von der Zangensteuerung (24) vorgegebenen ersten Stromgrenzwert erreicht und/oder die aus der Änderung des Spindel­ positionsistwertes (23) über die Zeit abgeleitete Antriebsgeschwindigkeit einen vorgegebenen Geschwin­ digkeitsgrenzwert unterschreitet,
die Zangensteuerung (24) nach Erreichen des ersten Stromgrenzwertes und/oder Geschwindigkeitsgrenzwertes in einer Elektrodenkraftaufbauphase (28) von der Positionsregelung (25) auf die Drehzahlregelung (16) umschaltet und über den Strombegrenzungseingang (19) des Leistungsteils (15) den zum Antriebsmoment proportionalen Antriebsstrom auf einen zweiten Stromgrenzwert unterhalb des maximal möglichen Antriebsstroms begrenzt, so dass das Leistungsteil (15) den Antrieb (6) solange mit Strom versorgt, bis sich das dem zweiten Stromgrenzwert entsprechende Antriebsmoment einstellt, das eine gewünschte Elektrodenkraft bewirkt und mit einem Stillstand der Spindel (7) an einer Referenzposition (34) einher­ geht, die in der Zangensteuerung (24) gespeichert wird,
das nach dem Erreichen der Referenzposition (34) in einer Übergangsphase (29) die Zangensteuerung (24) die Begrenzung auf den zweiten Stromgrenzwert aufhebt und den Positionsregler (25) aktiviert, der die Position der Spindel (7) auf die Referenzposition (34) ausregelt, so dass an dem Stromistwertausgang (21) des Leistungsteils (15) ein konstantes Signal anliegt,
das in einer sich anschließenden Schweißphase (30) mit aktiver, auf die Referenzposition (34) ausre­ gelnden Positionsregelung (25) Mittel zum Erzeugen des Schweißstromes (12, 13) aktiviert sind und zumin­ dest während der gesamten Schweißphase (30) der Stromistwertausgang (21) ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Schweißphase eine Auswerteverlängerungsphase (32) mit aktiver auf die Referenzposition (34) ausre­ gelnder Positionsregelung (25) anschließt, die von der Zangensteuerung (24) in die Auswertung des Stromistwert­ ausgangs (21) zumindest teilweise einbezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteverlängerungsphase (32) in mehrere Verlän­ gerungsabschnitte (38) unterteilt ist, wobei die Zangen­ steuerung (24) die sich der Schweißphase (30) anschlie­ ßenden Verlängerungsabschnitte (38) sukzessive solange in die Auswertung einbezieht, bis das Auswerteergebnis eine Aussage über die Schweißqualität zulässt, längstens jedoch bis die maximale Dauer der Auswertever­ längerungsphase (32) erreicht wurde.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Auswertung des Stromistwertaus­ ganges (21) einen der Bewegung der Elektroden (4a, b) proportionalen Wert liefert, der mit einer Grenze oder einem Wertebereich verglichen und abhängig von diesem Vergleich die Schweißung bewertet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Positionsreglung (25) und/oder die Drehzahlregelung (16) zumindest während der Über­ gangsphase (29), der Schweißphase (30) und gegebenenfalls der Auswerteverlängerungsphase (32) als PI-Regler betrieben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsreglung (25) und/oder das Leistungsteil (15) zumindest während der Übergangsphase (29), der Schweißphase (30) und gegebenenfalls der Auswertever­ längerungsphase (32) mit je einem gesonderten Satz PID- Reglerparametern betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Schweißphase (30) und ggf. die Auswerteverlängerungsphase (32) beendet wird, sobald die Auswertung eine ordnungsgemäße Verschweißung ausgibt.

8. Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Schweißzange mit zwei Elektroden (4a, 4b), einer elektrisch angetriebenen, nicht selbsthemmenden Spindel (7) zum Bewegen mindestens einer der beiden Elektroden (4a, 4b), Mitteln zum Erzeugen des Schweißstromes (12, 13), einer Zangensteuerung (24), einer Positionsregelung (25) für den elektrischen Antrieb (6), Mitteln zum Erfassen der Spindelposition sowie einem Leistungsteil (15) umfassend eine Drehzahlregelung (16) und einen Leistungsschalter für den elektrischen Antrieb (6), wobei das Leistungsteil (15) einen Dreh­ zahlsollwerteingang (18), einen Strombegrenzungseingang (19), einen Stromistwertausgang (21), einen Spindelpositionsistwertausgang (22) und einen mit dem Antrieb (6) verbundenen Ausgang für das Motorleistungskabel (14) aufweist.

9. Schweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlsollwerteingang (18) und der Strombegrenzungseingang (19) sowie der Stromistwertausgang (21) und der Spindelpositionsistwert­ ausgang (22) mit der Schweißzangensteuerung (24) mit darin integrierter Positionsregelung (25) verbunden ist.