DE102009007339A1

DE102009007339A1 - Widerstandsschweißzange und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102009007339A1
Application number: DE102009007339A
Authority: DE
Inventors: Torsten Kübert; Emil Hanauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-02-05
Also published as: DE102009007339B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Punktschweißzange (1) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (4), welche in einem Schweißbetrieb mit der ersten Elektrode (2) zusammenwirkt, mit einer Stromquelle zum Erzeugen eines über die Elektroden fließenden Stromes, wobei wenigstens eine Elektrode (2) an einem Zangenelement (12) angeordnet ist und dieses Zangenelement (12) gegenüber der anderen Elektrode (4, 2) bewegbar ist, mit einer Antriebseinrichtung (6) welche mit dem Zangenelement (12) gekoppelt ist, wobei diese Antriebseinrichtung (6) einen Elektromotor (8) und eine Steuerungseinrichtung (10) zum Steuern dieses Elektromotors (8), wobei wenigstens zeitweise während eines Arbeitsbetriebs das Zangenelement (12) von dem Elektromotor (8) angetrieben ist und wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Elektromotor von dem Zangenelement (8) angetrieben ist, wobei die Punktschweißzange ein Speichermittel (20) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, welches mit dem Elektromotor derart in elektrischer Verbindung steht, dass wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Punktschweißzange elektrische Energie von dem Elektromotor an das Speichermittel (20) abgegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Widerstandsschweißzange und insbesondere auf eine Widerstandspunktschweißzange. Unter Widerstandsschweißtechnik werden Schweißmaschinen, Schweißgeräte und Komponenten für das Widerstandsschweißen zusammengefasst. Beim Widerstandsschweißen werden die zu verbindenden Bauteile durch Schweißzangen oder Schweißköpfe zusammengepresst und an der Kontaktstelle zwischen den Bauteilen durch den Schweißstrom elektrisch aufgeschmolzen. Dieses als Widerstandsschweißen bezeichnete Verfahren gehört zur Verfahrensgruppe Prozessverbindungsschweißen.
In der Praxis an bedeutendsten ist das Punktschweißen oder Widerstandspunktschweißen, bei dem die punktförmigen Elektroden der Schweißzange die zu verbindenden Bauteile direkt aneinanderpressen. Dabei werden beim Punktschweißen die beiden Schweißelektroden pneumatisch oder in jüngster Zeit auch servoelektrisch angetrieben und pressen die zu fügenden Teile mit der vorgegebenen Kraft zusammen. Mit einer einstellbaren Vorhaltezeit werden Vorsprünge der Bauteile und Aufsetzprellungen der Elektroden ausgeglichen und weitestgehend reproduzierbare Kontaktwiderstände sichergestellt. Anschließend wird für die Dauer der Schweißzeit der Schweißstrom eingeschaltet. Der elektrische Widerstand der Kontaktstelle zwischen den beiden Teilen ist wesentlich höher als der eigentliche elektrische Widerstand des Werkstoffes der Teile. Durch die punktuelle thermoelektrische Erwärmung über den Kontaktwiderstand entsteht eine linsenförmige Schmelze.
Das gleichzeitige Andrücken über die Elektrodenkraft bewirkt eine punktförmige stoffschlüssige und unlösbare Verbindung. Während einer Nachhaltezeit wird die Elektrodenkraft aufrechterhalten, um das Abkühlen der Schmelze unter Vermeidung von Porenbildung sicherzustellen.
Aus der DE 44 32 573 C2 ist ein Verfahren zum Steuern der Kraft auf eine Widerstandsschweißklemme bekannt. Dabei ist ein pneumatischer Kraftzylinder vorgesehen, welchem über einen Verteilerdruck Luft zugeführt wird.
Derartige Widerstandspunktschweißzangen, welche elektromechanisch angetrieben sind, weisen teilweise einen sehr hohen Energieverbrauch auf. Dabei ist insbesondere auch die Energie, die zum Heranführen oder Aneinanderführen der beiden Schweißelektroden nötig ist, erheblich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Energieverbrauch im Schweißzangenprozess zu vermindern und vorteilhaft auch das Antriebsregelgerät von Abwärme zu entlasten.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Punktschweißzange nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Punktschweißzange weist eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, welche in einem Schweißbetrieb mit der ersten Elektrode zusammenwirkt. Weiterhin ist eine Stromquelle vorgesehen, zum Erzeugen eines über die Elektroden fließenden Stroms. Insbesondere dient dabei dieser Strom zur Durchführung eines Schweißvorganges.
Weiterhin ist wenigstens eine Elektrode an einem Zangenelement bzw. einem Bewegungselement gekoppelt. Dieses Bewegungselement kann sich dabei auf die jeweils andere Elektrode zu- bzw. von dieser wegbewegen.
Weiterhin weist die Antriebseinrichtung einen Elektromotor und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern dieses Elektromotors auf, wobei wenigstens zeitweise während eines Arbeitsbetriebs das Bewegungselement von dem Elektromotor angetrieben ist und wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Elektromotor von dem Zangenelement mechanisch angetrieben ist.
Erfindungsgemäß weist die Punktschweißanlage ein Speichermittel zum Speichern von elektrischer Energie auf, welches mit dem Elektromotor derart in elektrischer Verbindung steht, dass wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Punktschweißzange elektrische Energie von dem Elektromotor an das Speichermittel abgegeben wird.
In einem Schweißzangenprozess treten teilweise auch Bremsenergien auf, beispielsweise, wenn das bewegte Zangenelement verzögert wird oder eine Schweißzange entspannt wird. Diese Bremsenergie wird im Stand der Technik mittels Widerständen in Wärme umgesetzt. Bislang wurde davon ausgegangen, dass diese Bremsenergie nur einen sehr geringen Anteil der Gesamtenergie darstellt. Andererseits jedoch wurde durch die den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren diese Energie verschwendet und daneben auch ein Antriebsreglergerät, in welchem diese Widerstände angeordnet sind, mit erhöhter Temperatur belastet. Diese erhöhte Temperatur bewirkt wiederum, dass die Gerätelebensdauer sinkt.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, wenigstens zeitweise die entstehende Energie nicht über einen Widerstand abzuführen, sondern über ein Speichermittel. Auf diese Weise kann einerseits eine erhöhte Wärmebildung verhindert werden und andererseits auch Energie zurückgewonnen werden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Speichermittel einen Kondensator auf. Diese Kondensatoren bieten die Möglichkeit, ohne erheblich entstehende Wärme elektrische Energie vorübergehend aufzunehmen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Punktschweißzange ein Versorgungsnetz auf, um den Elektromotor mit elektrischer Energie zu versorgen und dieses Versorgungsnetz wirkt wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs als Speichermittel. Bei dieser Ausführungsform wird die entstehende elektrische Energie nicht oder nur teilweise in einen Kondensator geladen, sondern direkt zurück in das Versorgungs- bzw. Stromnetz gespeist. Damit eignet sich die Erfindung, wie beschrieben, für elektromechanische Antriebe in Widerstandspunktschweißzangen. Wie erwähnt, belastet im Stand der Technik bei intensiven Schweißzyklen die Bremsenergie Regelgeräte und auch benachbarte Einheiten.
Insbesondere kann diejenige Energie, die bei einem Verzögern des Zangenantriebs beim Entspannen der Zange oder nach dem Beschleunigen frei wird dann zwischengespeichert und erfindungsgemäß wieder verwendet werden.
Beim Beschleunigen des Antriebs und beim Spannen der Zange wird Energie in das System, d. h. den Elektromotor, eingebracht. Beim anschließenden Verzögern und beim Öffnen der Zange wird diese Energie bzw. ein Teil hiervon wieder frei. Diese freiwerdende Energie kann, wie erwähnt, für die weitere Verwendung gespeichert oder auch in ein Netz eingespeist werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinrichtung derart gestaltet, dass sie die Abgabe elektrischer Energie von dem Elektromotor an das Speichermittel nur in solchen Betriebsphasen zulässt, in denen der Elektromotor von dem Zangenelement angetrieben ist. Bei diesen Betriebsphasen handelt es sich, wie oben erwähnt, um die besagten Verzögerungsphasen und Entspannungsphasen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei der Steuerungseinrichtung um eine Regelungseinrichtung, welche den Motor in Abhängigkeit von wenigstens einer Stellgröße regelt. Damit wird nicht nur eine Steuerung, sondern eine Regelung vorgeschlagen und diese Regelung ist auch bei der Rückspeisung von elektrischer Energie tätig.
Vorzugsweise ist die besagte Stellgröße aus einer Gruppe von Stellgrößen ausgewählt, welche einen Motorstrom des Elektromotors, einen Drehmoment des Elektromotors, eine Position des Bewegungselements, Kombinationen hieraus oder dergleichen enthält.
Bevorzugt wird aus einer Vielzahl derartiger Stellgrößen die Punktschweißzange betrieben. So kann beispielsweise der Elektromotor in Abhängigkeit von einer Lage des Bewegungselements geregelt werden, wobei auch in Abhängigkeit von dieser Lageregelung entschieden wird, ob Energie rückgespeist wird oder nicht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Elektromotor um einen Synchronmotor. Allgemein können hier jedoch auch servoelektrische Antriebe Anwendung finden.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Betreiben einer Punktschweißzange gerichtet, wobei die Punktschweißzange eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, welche in einem Schweißbetrieb derart zusammenwirken, dass zum Schweißen ein über die beiden Elektroden fließender Strom erzeugt wird. Dabei ist wenigstens eine Elektrode an einem Bewegungselement angeordnet und dieses Bewegungselement bzw. Zangenelement wird gegenüber der anderen Elektrode bewegt. Weiterhin ist eine Antriebseinrichtung mit dem Bewegungselement zur Erzeugung dieser Bewegung gekoppelt, wobei dieses Antriebselement einen Elektromotor und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern dieses Elektromotors aufweist und wenigstens zeitweise während eines Arbeitsbetriebs das Bewegungselement von dem Elektromotor angetrieben wird und wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Punktschweißzange der Elektromotor von dem Zangenbetrieb angetrieben wird. Unter dem Arbeitsbetrieb wird dabei insbesondere ein Schweißbetrieb verstanden.
Erfindungsgemäß gibt der Elektromotor zumindest in denjenigen Phasen, in denen er von dem Bewegungselement angetrieben wird elektrische Energie an einem mit dem Elektromotor elektrisch gekoppeltes Speichermittel zum Speichern von elektrischer Energie ab.
Vorzugsweise ist damit auch hier kein Bremswiderstand vorgesehen, der entsprechende elektrische Energie aufnimmt. Bei einem vorteilhaften Verfahren gibt der Elektromotor wenigstens zeitweise während eines Öffnungsvorgangs der Punktschweißzange elektrische Energie an das Speichermittel ab. Unter einem Öffnungsvorgang wird dabei einerseits das Auseinanderbewegen der beiden Schweißelektroden verstanden, andererseits jedoch auch ein Entspannungsvorgang, in dem eine auf einem Werkstück lastende Spannung vermindert wird.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren gibt der Elektromotor wenigstens zeitweise elektrische Energie an einen Kondensator ab. Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren gibt der Elektromotor wenigstens zeitweise elektrische Energie an ein Versorgungsnetz für den Elektromotor ab. Dabei wäre es auch möglich, beide Maßnahmen zu kombinieren d. h. in diesem Falle würde der Elektromotor sowohl Energie an einen Kondensator als auch an ein Versorgungsnetz abgeben. Auch könnte die Steuerung derart ausgeführt werden, dass beispielsweise bei einem Entspannungsbetrieb die elektrische Energie an einen Kondensator abgegeben wird und bei einem Verzögerungsbetrieb während des Öffnens elektrische Energie an ein Stromnetz abgegeben wird.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung:
Dabei zeigt:
1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Punktschweißzange.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Punktschweißzange 1. Diese Punktschweißzange 1 weist eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 4 auf. Diese Elektroden 2, 4 wirken zusammen, um zwei Werkstücke 22 aneinanderzuschweißen.
Das Bezugszeichen 24 bezieht sich auf eine untere Platte bzw. ein unteres Zangenelement, welches hier ortsfest angeordnet ist. Das Bezugszeichen 12 zeigt eine obere Platte, welche hier als bewegliches Bewegungselement bzw. Zangenelement ausgeführt wird, an dem die Elektrode 2 angeordnet ist. Dieses Bewegungselement 12 ist dabei in der Richtung Y bewegbar. Genauer kennzeichnet das Bezugszeichen 6 eine Antriebseinrichtung mit einem Elektromotor 8, um das Bewegungselement 12 in der Richtung Y zu bewegen.
Der Schweißstrom wird über eine Stromquelle 32 erzeugt und über elektrische Leitungen 26 an die beiden Schweißelektroden 2, 4 übertragen. Eine elektrische Verbindungsleitung 28 ist dabei flexibel ausgestattet, um trotz einer Bewegung des Bewegungselementes 12 die elektrische Energie übertragen zu können.
Das Bezugszeichen 36 bezieht sich auf einen Thyristorschalter zum Speisen des Transformators 32. Der Dauer des Stromflusses wird von einem den Schalter 36 steuernden Zeitglied 34 überwacht.
Das Bezugszeichen 10 bezieht sich auf eine Steuereinrichtung zum Steuern des Elektromotors 8 und damit auch des Antriebs 6. Diese Steuereinrichtung 10 steht dabei über Kommunikationsleitung 11 mit dem Elektromotor 8 in Verbindung. Weiterhin ist ein Speichermittel 20 vorgesehen, welches über eine elektrische Verbindungsleitung 21 mit dem Elektromotor in Verbindung steht. Falls in bestimmten Betriebsphasen der Elektromotor 8 von dem Bewegungselement angetrieben ist bzw. wird, erzeugt er elektrische Energie, welche an das Speichermittel 20 zugeführt wird.
Dieses Speichermittel 20 kann dabei in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch in der Steuereinrichtung 10 integriert oder mit dieser verbunden sein. Das Bezugszeichen 30 bezieht sich auf ein Versorgungsnetz zur Versorgung des Elektromotors 8, welche über eine elektrische Verbindungsleitung 31 mit dem Elektromotor 8 in Verbindung steht. Es wäre auch möglich, von dem Elektromotor erzeugte elektrische Energie direkt in das Versorgungsnetz 30 einzuspeisen. Eine elektrische Verbindungsleitung 15 stellt eine Verbindung zwischen dem Versorgungsnetz 30 und der Steuereinrichtung 10 her.
Das Bezugszeichen 25 kennzeichnet eine weitere Verbindungsleitung, über welche das Speichermittel 20 mit der Steuereinrichtung 10 verbunden ist. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Sensoreinrichtung, welche eine Position der oberen Platte 12 bzw. der Elektrode 2 bestimmt. Daneben könnten auch andere Sensoreinrichtungen zum Bestimmen anderer Parameter, wie etwa eines Stroms, einer Temperatur oder dergleichen vorgesehen sein.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Punktschweißzange
2, 4: Elektrode
6: Antriebseinrichtung
8: Elektromotor
10: Steuereinrichtung
11, 15: Kommunikationsleitung und Leistungsleitung
12: obere Platte
14: Sensoreinrichtung
20: Speichermittel
22: Werkstücke
24: untere Platte
26: elektrische Leitungen
25, 28, 21, 31: elektrische Verbindungsleitungen
30: Versorgungsnetz
32: Transformator, Stromquelle
34: Zeitglied
36: Schalter
Y: Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4432573 C2 [0004]

Claims

Punktschweißzange (1) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (4), welche in einem Schweißbetrieb mit der ersten Elektrode (2) zusammenwirkt, mit einer Stromquelle zum Erzeugen eines über die Elektroden fließenden Stromes, wobei wenigstens eine Elektrode (2) an einem Zangenelement (12) angeordnet ist und dieses Zangenelement (12) gegenüber der anderen Elektrode (4, 2) bewegbar ist, mit einer Antriebseinrichtung (6) welche mit dem Zangenelement (12) gekoppelt ist, wobei diese Antriebseinrichtung (6) einen Elektromotor (8) und eine Steuerungseinrichtung (10) zum Steuern dieses Elektromotors (8) aufweist, wobei wenigstens zeitweise während eines Arbeitsbetriebs das Zangenelement (12) von dem Elektromotor (8) angetrieben ist und wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Elektromotor von dem Zangenelement (8) angetrieben ist dadurch gekennzeichnet, dass die Punktschweißzange ein Speichermittel (20) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, welches mit dem Elektromotor derart in elektrischer Verbindung steht, dass wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Punktschweißzange elektrische Energie von dem Elektromotor an das Speichermittel (20) abgegeben wird.
Punktschweißzange (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermittel (20) einen Kondensator aufweist.
Punktschweißzange (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktschweißzange ein Versorgungsnetz (30) aufweist, um den Elektromotor mit elektrischer Energie zu versorgen und dieses Versorgungsnetz (30) wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs als Speichermittel (20) wirkt.
Punktschweißzange (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) derart gestaltet ist, dass sie die Abgabe elektrischer Energie von dem Elektromotor (8) an das Speichermittel (20) nur in solchen Betriebsphasen zulässt, in denen der Elektromotor (8) von dem Zangenelement (12) angetrieben ist.
Punktschweißzange (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) eine Regelungseinrichtung (10) ist, welche den Elektromotor in Abhängigkeit von wenigstens einer Stellgröße regelt.
Punktschweißzange (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (S) aus einer Gruppe von Stellgrößen ausgewählt ist, welche einen Motorstrom des Elektromotors (8), ein Drehmoment des Elektromotors (8), eine Position des Zangenelements (12) oder von diesen Stellgrößen abgeleitete oder mit diesen Stellgrößen gekoppelte Größen enthält.
Punktschweißzange nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) ein Synchronmotor ist.
Verfahren zum Betreiben einer Punktschweißzange, wobei die Punktschweißzange eine erste Elektrode (2) und eine zweite Elektrode (4) aufweist, welche in einem Schweißbetrieb derart zusammenwirken, dass zum Schweißen ein über die beiden Elektroden (2, 4) fließender Strom erzeugt wird, wobei wenigstens eine Elektrode an einem Zangenelement (12) angeordnet ist und dieses Zangenelement (12) gegenüber der anderen Elektrode (4, 2) bewegt wird, und eine Antriebseinrichtung (6) mit dem Zangenelement (12) zur Erzeugung dieser Bewegung gekoppelt ist, wobei diese Antriebseinrichtung (6) einen Elektromotor (8) und eine Steuerungseinrichtung (10) zum Steuern dieses Elektromotors (8) aufweist und wenigstens zeitweise während eines Arbeitsbetriebs das Zangenelement (12) von dem Elektromotor (8) angetrieben wird und wenigstens zeitweise während des Arbeitsbetriebs der Elektromotor (8) von dem Zangenelement (8) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) zumindest zeitweise in denjenigen Phasen, in denen er von dem Zangenelement (12) angetrieben wird, elektrische Energie an ein mit dem Elektromotor (8) elektrisch gekoppeltes Speichermittel (20) zum Speichern von elektrischer Energie abgibt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) wenigstens zeitweise während eines Öffnungsvorgangs der Punktschweißzange elektrische Energie an das Speichermittel abgibt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) wenigstens zeitweise während eines Entspannungsvorgangs der Punktschweißzange elektrische Energie an das Speichermittel (20) abgibt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) wenigstens zeitweise elektrische Energie an einen Kondensator abgibt.
Verfahren nach Anspruch 8, der Elektromotor (8) wenigstens zeitweise elektrische Energie an ein Versorgungsnetz für den Elektromotor (8) abgibt.