DE10215454C1

DE10215454C1 - Regelbare Stromquelle und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10215454C1
Application number: DE2002115454
Authority: DE
Inventors: Karel Mazac
Original assignee: KUKA Schweissanlagen GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Stromquelle (3) einer elektrischen Widerstandsschweißeinrichtung (1) sowie das zugehörige Steuer- und Regelverfahren. Ein primärseitiger Wechselrichter (7) in der Stromquelle (3) liefert Wechselspannungsimpulse mit einer von der Netzfrequenz abweichenden Pulsfrequenz, wobei sekundärseitig der Schweißstrom gemessen wird. Während einiger oder aller dieser Impulse wird mit einer Integrier- und Vergleichsschaltung (14) die eingebrachte Energie- oder Strommenge ermittelt, mit einem Soll-Wert verglichen und nach dem Vergleichsergebnis die Einschaltdauer des laufenden Impulses gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine regelbare Stromquelle einer elektrischen Widerstandsschweißeinrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern und Regeln dieser Stromquelle mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.

Eine solche Stromquelle nebst Steuer- bzw. Regelverfahren für das Rollnahtschweißen sind aus der DE-C 41 13 117 bekannt. Hierbei wird mit einem gepulsten Schweißstrom gearbeitet, der von einem gesteuerten Wechselrichter über einen Transformator geliefert wird und der eine von der Netzfrequenz abweichende Pulsfrequenz besitzt. Geschweißt wird mit einem relativ niederfrequenten Wechselstrom, der über eine Messeinrichtung an der Primärseite des Transformators gemessen wird. Die Halbwellen der von der Stromquelle gelieferten Wechselströme werden mittels des Wechselrichters in eine Vielzahl von einzelnen Pulsen zerhackt, wobei durch eine sogenannte Pulsweitenmodulation die Dauer der Pulse zur Erzeugung des gewünschten Stromverlaufs und der Stromhöhe verändert wird. Während der einzelnen Pulse wird die Höhe des Schweißstroms über die primärseitige Messeinrichtung ein einziges mal pro Puls ermittelt und mit einem vorgegebenen SOLL-Wert verglichen. Für die folgenden Pulse wird in Abhängigkeit vom Vergleichsergebniss die Pulsdauer durch Veränderung des Tastverhältnisses gesteuert, welches als Verhältnis von Pulsdauer/Pulspausen definiert ist. Hierbei wird lediglich mit einer Stromhöhenmessung gearbeitet, die zudem auf den aktuellen und gemessenen Puls keinen Einfluss hat. Die Vorgabewerte sind hierbei so gewählt, dass sich sekundärseitig der Schweißstrom mit der gewünschten Sinusform einstellt.

Die EP 560 711 A1 zeigt eine elektrische Speiseschaltung mit Speicher- und Hilfskondensatoren zur Erzeugung von einzeln steuerbaren Stromimpulsen beim Widerstandsschweißen. Die Hilfskondensatoren erzeugen mit Hilfe eines Parallel-Schwingkreises durch schnelles gesteuertes Laden und Entladen eine dichte Folge von Teilimpulsen, die miteinander den gewünschten Stromimpuls erzeugen. Sekundärseitig können die Stromstärken der einzelnen Teilimpulse gemessen werden, um danach die Ladespannung der Hilfskondensatoren für den nächsten Teilimpuls zu steuern. Dadurch kann selbsttätig der Energiefluss konstant gehalten bzw. entsprechend einem programmierten Verlauf geführt werden und zwar unbeeinflusst von Änderungen des Lastwiderstandes oder von anderen äußeren Einflüssen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannte Widerstandsschweißtechnik zu verbessern.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.

Bei der erfindungsgemäßen Stromquelle bzw. der damit ausgerüsteten Widerstandsschweißeinrichtung und bei der erfindungsgemäßen Steuer- und Regeltechnik wird die pro Puls eingebrachte Energiemenge oder Elektrizitätsmenge ermittelt und nach diesem Wert die Einschaltdauer des laufenden Spannungs-Impulses gesteuert. Durch Vergleich mit Vorgabewerten für die Energie- oder Elektrizitätsmengen pro Puls kann auch geregelt werden. Hierdurch lässt sich der Widerstandsschweißprozess genauer und besser steuern sowie insbesondere regeln als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.

Mit der erfindungsgemäßen Technik kann insbesondere sehr schnell auch auf Veränderungen im Widerstandsschweißprozess reagiert werden. Insbesondere kann die Gefahr eines Spritzens rechtzeitig erkannt und vermieden werden. Im Weiteren können auch bestimmte Prozessverläufe während des Widerstandsschweißens eingestellt und geregelt werden. Die ist punkt- oder abschnittsweise möglich. Hierdurch lässt sich der Widerstandsschweißprozess gezielt beeinflussen und optimieren. Dies ist insbesondere mit einer Anpassung an den während des Schweißvorgangs sich verändernden Widerstandsverlaufs möglich.

Die Erfindung gestattet es ferner, bei der Steuerung bzw. Regelung des Schweißstroms eine normale oder eine modifizierte Stepper-Funktion zu implementieren, mit der auf Veränderungen der Umgebungsbedingungen, z. B. Nebenschlüsse, einen Elektrodenverschleiß oder dergleichen durch Verändern des Stroms oder der Pulsdauer, vorzugsweise durch deren Erhöhung, reagiert werden kann. Die Steuerung oder Regelung des Schweißstroms über die pulsweise eingebrachte Schweißenergie bzw. das Stromintegral lässt sich durch eine parallele Ermittlung des Spannungsverlaufs (∫u(t).dt) überwachen und ggf. korrigieren. Hierdurch kann auf Besonderheiten im Schweißprozess, z. B. auf Nebenschlüsse besonders gut und zielsicher reagiert werden. Die Stromhöhe lässt sich außerdem pulsweise und insgesamt über eine Frequenzmodulation verändern.

Mit der erfindungsgemäßen Technik kann der Widerstandsschweißprozess auch auf schwierige Werkstoffe, z. B. die im Automobilbau zunehmend verwendeten und schlecht schweißbaren hochfesten Stahlbleche angepasst werden. Für die unterschiedlichsten Werkstoffe und Werkstücke können optimierte Prozessbedingungen und die hierfür maßgeblichen SOLL-Werte pro Puls ermittelt, gespeichert und für die Regelung während der Serienschweißungen herangezogen werden. Hierbei wird auch die Zahl der pro punkt- oder abschnittsweiser Schweißstelle erforderlichen Pulse ermittelt. Besondere Vorteile hat die erfindungsgemäße Technik beim elektrischen Widerstandspunktschweißen. Sie lässt sich mit Erfolg aber auch bei allen anderen Widerstandsschweißtechniken, wie z. B. Rollnahtschweißen, Mikroschweißen und dergleichen einsetzen.

Die erfindungsgemäße Schweißtechnik erlaubt auch eine Anpassung und Optimierung am tatsächlichen Widerstandsverlauf im Schweißprozess. Hierbei kann gezielt im Bereich des Maximums oder oberen Wendepunktes im Widerstandsverlauf der Schweißstrom abgeschaltet werden. An diesen Wendepunkt kann man sich durch Vergleich der ermittelten IST-Werte für die Pulsdauer oder durch Vergleich mit empirisch ermittelten Vorgabewerten herantasten.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Roboter mit einer Widerstandsschweißeinrichtung mit einer regelbaren Schweißstromquelle,

Fig. 2 einen Schemaplan der Widerstandsschweißeinrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm für die pulsweise Steuerung der Elektrizitätsmenge,

Fig. 4 ein Diagramm des Widerstandsverlaufs,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Komparators und

Fig. 6 eine Variante des Komparators von Fig. 5.

In Fig. 1 ist ein Manipulator (17), vorzugsweise ein mehrachsiger Gelenkroboter, mit einer elektrischen Widerstandsschweißeinrichtung (1) dargestellt, welche aus einer regelbaren Schweißstromquelle (3) und einem Schweißwerkzeug (18), hier einer Punktschweißzange mit zwei Elektroden (2), besteht.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau der elektrischen Widerstandspunktschweißeinrichtung (1) mit ihrer Schweißstromquelle (3) und dem Schweißwerkzeug (18), von dem in Fig. 2 schematisch die zwei Elektroden (2) an einem aus zwei Blechen bestehenden Werkstück (16) dargestellt sind. Alternativ kann die Widerstandsschweißeinrichtung (1) auch als Rollnahtschweißeinrichtung, Mikroschweißeinrichtung oder sonstige beliebige andere Widerstandsschweißeinrichtungen ausgebildet sein.

Die Stromquelle (3) besteht aus einem Gleichrichter (6), der den vom Netz (5) oder von einer anderen Versorgung gelieferten Wechselstrom gleichrichtet. Über einen Spannungs-Zwischenkreis mit einer Kapazität zur Glättung des Gleichstroms und ggf. auch zur Kompensation von Blindleistungen ist ein Wechselrichter (7) angeschlossen, der mit einer Steuerung (8) verbunden ist. Die Steuerung (8) ist ihrerseits an eine Schweißstromsteuerung (4) angebunden. Die beiden Steuerungen (4,8) können auch zu einer Baueinheit verbunden sein. Der Wechselrichter (7) ist am Primärkreis (11) eines Transformators (9) angeschlossen. Auf der Sekundärseite (12) des Transformators (9) befindet sich in der gezeigten Ausführungsform ein weiterer Gleichrichter (10), der den Schweißstrom gleichrichtet und der ausgangsseitig an das Schweißwerkzeug und die Elektroden (2) angeschlossen ist. Im Sekundärkreis befindet sich auch eine Messeinrichtung (13) zur sekundärseitigen Ermittlung des Schweißstroms, welche ebenfalls an die Steuerung (8) angeschlossen ist.

Der Netzanschluss (5) mit dem Gleichrichter (6), der Wechselrichter (7) und die Steuerungen (4,8) sind im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 in einem externen Gehäuse (19) untergebracht, wobei sich der Transformator (9) und der Gleichrichter (10) im oder am robotergeführten Schweißwerkzeug (18) befinden und über Leitungen des Primärkreises (11) an den externen Wechselrichter (7) angeschlossen sind. Die Zuordnungen sind in Fig. 2 mit unterschiedlich strichlierten Linien angedeutet.

In der Steuerung (8) des Wechselrichters (7) ist eine Integrier- und Vergleichsschaltung (14) vorhanden, die als digitale oder analoge Schaltung realisiert sein kann. Die Messeinrichtung (13) ist ggf. über einen Wandler an die Integrier- und Vergleichsschaltung (14) angeschlossen. Ferner ist an die Integrier- und Vergleichsschaltung (14) auch ein SOLL-Wertspeicher angeschlossen.

Die Stromquelle (3) erzeugt einen durch die vorhandene Induktion am Werkzeug (Spulenwirkung der Schweißzange) geglätteten und gleichgerichteten Schweißstrom. Der Wechselrichter (7) erzeugt im wesentlichen rechteckige Wechselspannungsimpulse mit einer vorzugsweise von der Netzfrequenz abweichenden Pulsfrequenz. Der vom Wechselrichter kommende Stromverlauf kann je nach den ohmschen Widerständen und den Induktivitäten nahezu alle Formen annehmen, wobei er von einer im Wesentlichen rechteckigen Form mit sehr hohen ohmschen Widerständen gegenüber kleinen Induktivitäten (ohne Phasenverschiebung) bis zu dreieckigen Formen bei großen Induktivitäten gegenüber kleinen ohmschen Widerständen variieren kann.

Der Wechselrichter (7) arbeitet bevorzugt im Mittelfrequenzbereich und erzeugt z. B. einen Ausgangsstrom mit einer Frequenz von 1 kHz oder höher. Je höher die Frequenz ist, desto höher ist bei einer Prozesssteuerung die Reproduzierbarkeit. Außerdem wird mit steigender Frequenz der Transformator kleiner und leichter. Dies ermöglicht den besseren Anbau oder die leichtere Integration in ein Schweißwerkzeug, z. B. eine Schweißzange. Zudem können für die Führung der Schweißwerkzeuge Roboter mit niedriger Tragkraft eingesetzt werden. Die Frequenz ist ferner aufgrund der Restwelligkeit den im Lastkreis vorhandenen Induktivitäten anzupassen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel liefert der Wechselrichter (7) die vorerwähnten viereckigen Wechselspannungsimpulse mit einem vorgegebenen bestimmten Pulsinhalt (Stromintegral) und mit einer Frequenz von beispielsweise 5 kHz mit nachgeschalteter Gleichrichtung auf der Sekundärseite (12) des Transformators (9). Bei dieser Einstellung kann durch den Schweißpunkt ein Strom von 10 kA fließen. Die maximal mögliche Vorgabe pro Puls ist I.T/2 (wobei T die Periode ist). Hierdurch rechnet sich ein Maximalwert von 1 As oder 1000 mAs. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird mit einer Vorgabe von 500 mAs gearbeitet, was bedeutet, dass der einzelne Spannungs-Impuls in seiner Breite automatisch nach etwas mehr als 50 µs gestoppt wird. Der Vorgabewert der zeitlichen Pulsbreite ist in dieser Ausführungsform bei jedem Impuls gleich und wiederholt sich.

Während mehrerer Impulse und vorzugsweise während jedes einzelnen Impulses wird die eingebrachte Energie- oder Elektrizitätsmenge ermittelt und nach diesem Wert die Einschaltdauer des Impulses durch Vergleich mit im Speicher abgelegten SOLL-Werten geregelt. Die Abtastung erfolgt hierbei vorzugsweise entsprechend der gewählten Abtastrate mehrmals während der laufenden Pulsdauer. Hierbei wird während der Pulsdauer der Schweißstrom vorzugsweise primärseitig gemessen und über der Zeit integriert, was in der Integrier- und Auswerteschaltung (14) vorgenommen wird. Die Integralbildung kann sehr schnell durchgeführt werden und hält auch mit hohen Abtastraten von z. B. 100 MHz Schritt. Das Stromintegral wird hierbei mit einem vorgegebenen SOLL-Wert aus dem SOLL-Wertspeicher (15) verglichen. Bei Erreichen des SOLL-Wertes wird der Spannungsimpuls sehr schnell gestoppt, was z. B. bei moderner Signalprozessoren mit 100 MHz binnen 10 ns geschehen kann.

Der SOLL-Wertspeicher enthält Vorgabewerte für jeden einzelnen Schweißpunkt am Werkstück (16), wobei die Zahl der Pulse oder Halbwellen des Schweißstroms vorgegeben ist. Für jeden Impuls ist hierbei auch ein eigener Vorgabewert für das Stromintegral gespeichert. Die Vorgabewerte können von Puls zu Puls und auch von Schweißpunkt zu Schweißpunkt variieren. Bei einer anderen Widerstandsschweißeinrichtung (1), die z. B. eine Bahn schweißt, kann diese Bahn in einzelne Abschnitte unterteilt werden, wobei Vorgabewerte abschnittsweise vorhanden sind. Die Vorgabewerte können auf beliebig geeignete Weise ermittelt werden. Dies kann z. B. durch Empirik und durch Probeschweißungen mit aufgenommenen und gespeicherten Puls- und Stromintegralwerten geschehen, wobei durch Versuche und Parametervariationen das Optimum ermittelt wird.

Die Abtastrate der Steuerung (8) wird durch die gewählte Wechselrichterfrequenz und durch die gewünschte oder notwendige Prozessgenauigkeit bestimmt. Bei einer Frequenz von 1 kHz und einer gewünschten Regelgenauigkeit von 1% liegt die Abtastrate bei maximal 5 µs, bezogen auf die volle Pulsbreite. Sollte die Pulsbreite (Leistung, Stromhöhe) zwischen 20% und 100% genutzt werden und die Regelgenauigkeit bei 20% wieder maximal 1% betragen, ist eine Abtastrate von 1 µs sinnvoll. Vorzugsweise kann mit einem Analogsystem gearbeitet werden, da hier die schnellste Reaktion möglich ist. Fig. 5 verdeutlicht den Prinzipaufbau einer analogen Integrier- und Vergleichsschaltung (14) für den Vergleich der Werte IST- und SOLL-Werte B₁ und B₂ der Strom-Integrale (∫i(t).dt) und dem Stop des Spannungsimpulses bei Gleichheit.

Aus diesen Randbedingungen lassen sich für ein digitales System notwendige Abtastraten für höhere Frequenzen ableiten. Zum Abtasten kann vorteilhaft ein DSP mit hoher Abtastrate, z. B. 100 MHz Taktfrequenz, eingesetzt werden. Die Reaktionsfähigkeit des Gesamtsystems harmonisiert mit der Abtastrate. Die absolute Abweichung ist bei gleichem Genauigkeitsprozentsatz bei höherer Frequenz entsprechend kleiner. Die im Lastkreis vorhandenen Induktivitäten können entsprechend der gewünschten Abtastrate ggf. minimiert werden. Umgekehrt können auch die Abtastraten an die Reaktionsfähigkeit des Lastkreises angepasst werden.

Die Steuerung (8) ist in beliebig geeigneter Weise als computergestützte Steuerung mit ein oder mehreren (Mikro-)Prozessoren ausgebildet. Gleiches gilt auch für die Prozesssteuerung (4). Beide Steuerungen (4,8) lassen sich z. B. in einen Industrie-PC integrieren. Falls dessen Prozessor-Zykluszeiten länger sind als die notwendige Regelgeschwindigkeit bzw. die verfügbare Regelzeit, können die Steuerungs- und Regelungsfunktionen aus dem PC ausgelagert werden. Die Vorgaben im SOLL-Wertspeicher können über Grafik, Algorithmen oder Tabellen hinterlegt sein.

Während des Schweißprozesses können zur Anpassung an Veränderungen der äußeren Randbedingungen auch andere Modifikationen in der Steuerung bzw. Regelung des Schweißstroms vorgenommen werden. Z. B. kann eine Stepperfunktion bei der Steuerung bzw. Regelung der Pulsdauer implementiert werden, mit der der Strom zur Kompensation des Kappenverschleißes an den Elektroden (2) erhöht wird. Diese Stepperfunktion kann durch Veränderung der Pulsbreite, alternativ oder zusätzlich aber auch durch Veränderung der Pulsfrequenz des Wechselrichters (7) erzielt werden. Die Frequenzänderung kann z. B. sprungweise oder kontinuierlich geschehen. Je größer die Frequenz ist, desto kleiner ist der Schweißstrom im Sekundärkreis (12) und umgekehrt. Die Frequenzänderung kann während eines einzigen Schweißpunktes vorgenommen werden.

Ferner kann eine modifizierte Stepperfunktion implementiert werden, die z. B. zur Begrenzung der Spritzerbildung oder auch zu anderen allgemeinen Prozessverbesserungen führen kann. Diese modifizierte Stepperfunktion kann auch als Programmschweißen betrachtet werden, wobei während der Schweißzeit bewusst der Schweißstrom entsprechend eines vorgegebenen Programms in der Höhe nach oben und/oder unten verändert wird. Die veränderlichen Vorgaben erfolgen z. B. als Algorithmus über eine Programmschleife. Der Verlauf kann positiv bzw. steigend oder negativ bzw. fallend sein, wobei auch hier eine Regelung übergeordnet zugreifen kann. Die modifizierte Stepperfunktion kann ferner grundsätzlich die Aufgabe und Funktion der vorerwähnten normalen Stepperfunktion übernehmen und integrieren.

Fig. 3 verdeutlicht abschnittsweise den Ablauf des Steuer- und Regelprozesses. Die halbe Periode des einzelnen Impulses dauert z. B. bei 5 kHz 100 µs. Der Strom i wird hierbei entsprechend der vorerwähnten Vorgabe automatisch nach etwas mehr als 50 µs gestoppt. Fig. 3 zeigt diesen Sachverhalt beim ersten Impuls mit dem dazugehörigen Stromintegral (∫i(t).dt), wobei hier der Strom über die komplette maximale Pulsdauer von 50 µs integriert wird. Bei der zweiten Halbwelle und der zwischen 100 µs und 150 µs liegenden Pulszeit bzw. Prozesszeit wird der SOLL-Wert des zeitlichen Stromintegrals (∫i(t).dt) bereits früher erreicht, so dass der Puls früher beendet und der Strom entsprechend früher abgeschaltet wird. Bei der dritten Pulszeit zwischen 200 µs und 250 µs wird der Puls noch früher beendet. Die Ruhezeiten zwischen den einzelnen Pulszeiten können je nach Anwendungsfall durchaus erwünscht sein, um für eine gleichmäßige Durchwärmung der Bleche zu sorgen. Die Pulsdauer kann auf beliebig geeignete Art gemessen werden, z. B. mittels eines Zeitglieds oder Timers oder durch Zählung der Abtastungen bei vorgegebener Abtastfrequenz.

Beim Schweißen, insbesondere beim Widerstandspunktschweißen kann es zu Nebenschlüssen kommen, was insbesondere bei eng beieinanderliegenden Schweißpunkten geschehen kann. Durch die Nebenschlüsse sinkt die Spannung am aktuellen Schweißpunkt mit der Folge, dass hier ein zu geringer Strom fließt und zu wenig Schweißenergie eingebracht wird. Der Energieverlust lässt sich durch eine entsprechende Verlängerung der Pulsdauer mit der vorbeschriebenen Steuer- und Regellogik kompensieren.

Darüber hinaus kann ergänzend eine zusätzliche Regelung eingreifen. Hierbei wird zusätzlich zum Strom auch die Spannung an einem prozessrelevanten Punkt, z. B. direkt an der Punktschweißzange gemessen und über der Zeit integriert. Das Schweißoptimum wird erreicht, wenn (∫i(t).dt) bzw. (∫u(t).dt) gleichzeitig ihre vorgegebenen SOLL-Werte erreichen. Da bei Nebenschlüssen oder anderen Spannungsverlusten der IST-Wert von (∫u(t).dt) kleiner als der SOLL-Wert ist, kann hieraus ein Korrekturwert gewonnen werden, mit dem die Pulsdauer verlängert wird. Hierbei wird durch Überlagerung des (∫u(t).dt)-Vergleichs bei den laufenden Impulsen der Impuls bzw. der Strom bei Erreichen des vorgegebenen Integralwerts noch nicht abgeschaltet, sondern um eine bestimmte Zeit verlängert. Der Impuls wird z. B. erst dann abgeschaltet, wenn der IST-Wert von (∫u(t).dt) z. B. mindestens 85% des SOLL-Werts erreicht hat. Da sich aber zum Prozessende hin die Verhältnisse im Falle von Nebenschlüssen rapide zugunsten des aktuellen Schweißpunktes (Stromzunahme) verändern, empfiehlt es sich, nur einen Anteil der vorhandenen (∫u(t).dt)-Differenz für die Korrektur des Stromintegrals zu benutzen. Der Korrekturfaktor kann sowohl linear, als auch nichtlinear sein und ist in den meisten Fällen von der jeweiligen Applikation abhängig. Er lässt sich als eine Funktion der festgestellten Differenz und durch einen geeigneten Algorithmus beschreiben. Ähnliche Maßnahmen können auch bei anderen sich verändernden Randbedingungen, z. B. einer anderen Unterkupferanordnung etc. vorhanden sein.

Fig. 6 zeigt hierzu ein Schemabeispiel für eine analoge Vergleichs- und Steuerschaltung (14). Es wird das Verhältnis A₁/A₂ aus den Spannungsintegralen (∫u(t).dt) für die SOLL- und IST-Werte gebildet. Wenn A₁/A₂ ≠ 1 und B₁ = B₂ gilt, wird der vorgenannte Korrekturfaktor x als Prozentwert gebildet. Hieraus wird ein entsprechend abgeänderter Strom-SOLL-Wert B₂' = x.B₂ errechnet und für den Vergleich mit dem Stromintegral B₁ herangezogen.

Ferner kann eine am Verlauf des ohmschen Widerstandes R im Widerstandsschweißprozess sich orientierende Regelung vorgenommen werden. Der ohmsche Widerstand folgt beim Widerstandsschweißen in der Regel einer Kurve entsprechend des Diagramms in Fig. 4. In vielen Anwendungsfällen des Widerstandsschweißens ist es wünschenswert oder vorteilhaft, den Schweißstrom im Moment der Ausbildung der Schweißlinse, z. B. im zeitlichen Abschaltbereich t_AB abzuschalten. Dieser Bereich liegt hinter dem Wendepunkt bzw. dem Maximum des Widerstandsverlaufs bei t₂. Die Abschaltung kann im Wendepunkt selbst oder im fallenden Bereich vorzugsweise knapp nach dem Wendepunkt geschehen.

Beim Abschalten des Schweißstroms erfolgt vorzugsweise zugleich oder in zeitlicher Nähe ein Nachsetzen der Elektroden am gewünschten Schweißpunkt. Durch diese Regelung lässt sich das im abfallenden Widerstandsbereich entstehende Spritzen mit den einhergehenden Nachteilen des Materialverlustes, der Qualitätsminderung sowie der Tragfähigkeitsminderung vermeiden. Je nach Werkstückpaarung und Prozessgrößen findet dieses Spritzen mehr oder weniger knapp nach dem Wendepunkt statt.

Für die Prozessregelung werden für alle Pulse oder Gruppen von mehreren Pulsen gleiche Vorgabewerte für die Energiemenge bzw. das Stromintegral gesetzt. Im abfallenden Bereich der Widerstandskurve nimmt durch den sinkenden Widerstand der Strom zu, wodurch sich die Pulsdauer zur Erreichung des vorgegebenen Integrals verkürzt. Bei dieser Prozessregelung können die Zeitwerte für die einzelnen Spannungsimpulse gespeichert und miteinander verglichen werden. Aus dem Vergleich lässt sich auf den aktuellen Widerstandswert rückschließen und das Erreichen des Wendepunktes erkennen. In der Nähe des Wendepunktes hat der Widerstandsverlauf eine schwächere Steigung. Dies drückt sich in einer entsprechend schwächeren Änderung der Pulsdauer der einzelnen Spannungsimpulse aus. Anhand von Vorgabewerten oder durch Abschätzung lässt sich hieraus der Wendepunkt bestimmen und der Schweißstrom zum gewünschten Zeitpunkt am Wendepunkt oder hinter dem Wendepunkt abschalten.

Anstelle eines Vergleichs der gemessenen Zeitwerte für die Dauer der einzelnen Spannungsimpulse kann auch eine andere einfachere Regelung treten. In diesem Fall werden die gemessenen Zeitwerte der einzelnen Spannungsimpulse mit Vorgabewerten verglichen. Hierbei wird z. B. bei Überschreiten einer bestimmten Impulsdauer, die z. B. für den Wendepunkt markant ist, der Schweißstrom abgeschaltet. Im Wendepunkt ist der Strom minimal und dementsprechend die Pulsdauer maximal.

Abwandlungen der gezeigten Ausführungsform sind in verschiedener Weise möglich. So kann z. B. von vornherein mit einer Pulsweitenmodulation gearbeitet werden, wobei die Vorgabewerte für die Pulsbreiten veränderlich sind. Innerhalb der einzelnen unterschiedlich breiten Impulse wird wiederum das zeitliche Stromintegral berechnet und die Pulsdauer über Vergleich von IST- und SOLL-Wert des zeitlichen Stromintegrals gesteuert bzw. geregelt. Die Pulsweitenmodulation und die Frequenzmodulation können beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere ist es für manche Werkstoffe, insbesondere Aluminium oder hochfeste Stähle günstig, mit einem möglichst hohen Strom zu arbeiten. Dies lässt sich durch eine Senkung der Frequenz des Schweißstroms erreichen. Durch den höheren Strom wird das vorgegebene zeitliche Stromintegral schneller erreicht und der Strom entsprechend früher abgeschaltet.

In weiterer Variation kann auch ein zeitliches Leistungsintegral vorgegeben werden, wobei zusätzlich zum Schweißstrom auch die Schweißspannung gemessen wird. Das zeitliche Integral wird dann über dem Produkt aus Strom und Spannung gebildet. In weiterer Abwandlung kann die pulsweise eingebrachte Energiemenge auch auf andere beliebige Art bestimmt werden. In weiterer Variante kann zur Steuerung bzw. Regelung des Schweißprozesses auch eine veränderliche und insbesondere oszillierende Anpresskraft der Elektroden (2) hinzutreten. Ferner sind Modifikationen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung möglich.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Widerstandsschweißeinrichtung

2

Elektrode

3

Stromquelle

4

Schweißsteuerung

5

Netz

6

Gleichrichter

7

Wechselrichter

6

Steuerung

9

Transformator

10

Gleichrichter

11

Primärkreis

12

Schweißkreis, Sekundärkreis

13

Messeinrichtung

14

Integrier- und Vergleichsschaltung

15

SOLL-Wertspeicher

16

Werkstück

17

Manipulator

18

Schweißwerkzeug

19

externes Gehäuse

Claims

1. Verfahren zum Regeln der Stromquelle (3) einer elektrischen Widerstandsschweißeinrichtung (1), wobei ein Wechselrichter (7) in der Stromquelle (3) Wechselspannungsimpulse mit einer von der Netzfrequenz abweichenden Pulsfrequenz liefert, wobei der Schweißstrom gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während mehrerer, vorzugsweise während aller Impulse die eingebrachte Energie- oder Elektrizitätsmenge ermittelt und die Einschaltdauer des laufenden Impulses nach dieser Energie- oder Elektrizitätsmenge gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während jedes einzelnen Impulses der Schweißstrom gemessen und über der Zeit integriert wird, wobei das Stromintegral mit einem vorgegebenen SOLL-Wert verglichen wird und bei Erreichen des SOLL-Werts der Spannungsimpuls schnell gestoppt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Energie- oder Elektrizitätsmenge die Spannung über der Zeit erfasst und mit einem SOLL-Wert verglichen wird, wobei bei Abweichungen des IST-Werts von (∫u(t).dt) vom SOLL-Wert die Dauer des laufenden Spannungsimpulses verändert, vorzugsweise verlängert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Soll/IST-Wertvergleich von (∫u(t).dt) ein bewerteter Korrekturfaktor für die Pulsdauer gewonnen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Zeitwerte für die Dauer der einzelnen Impulse gespeichert und zur Ermittlung des Widerstandsverlaufs untereinander oder mit Vorgabewerten verglichen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrom im Bereich des oberen Wendepunktes im Widerstandsverlauf abgeschaltet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Abschnitte des Schweißprozesses, insbesondere für mehrere oder für alle Schweißpunkte beim Widerstandspunktschweißen, eigene SOLL-Werte für die Energie- oder Elektrizitätsmenge pro Impuls und für die Anzahl der Impulse ermittelt und gespeichert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SOLL-Werte empirisch ermittelt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung bzw. Regelung der Einschaltdauer des Impulses eine Stepperfunktion zum Ausgleich von Elektrodenabnutzungen oder anderen veränderlichen Randbedingungen des Schweißprozesses implementiert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Schweißdauer mit einem Schweißprogramm die Vorgabebreite der Impulse verändert wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrom gleichgerichtet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrom in der Höhe durch Frequenzmodulation verändert wird.

13. Regelbare Stromquelle (3) einer elektrischen Widerstandsschweißeinrichtung (1), wobei die Stromquelle (3) einen gesteuerten (8) Wechselrichter (7) und einen Transformator (9) zur Erzeugung eines gepulsten Schweißstroms mit einer von der Netzfrequenz abweichenden Pulsfrequenz sowie eine mit der Steuerung verbundene Messeinrichtung (13) für den Schweißstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (8) des Wechselrichters (7) eine Integrier- und Vergleichsschaltung (14) zur pulsweisen Ermittlung der Strom- oder Energiemengen und einen SOLL-Wertspeicher (15) für vorgegebene Strom- oder Energiemengen aufweist.

14. Regelbare Stromquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (8) des Wechselrichters (7) eine Integrier- und Vergleichsschaltung (14) zur pulsweisen Ermittlung der Spannung über der Zeit und einen SOLL-Wertspeicher (15) für vorgegebene Spannungsverläufe u(t) und zur Gewinnung von Korrekturfaktoren für die Pulsdauer aufweist.

15. Regelbare Stromquelle nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (8) des Wechselrichters (7) eine Integrier- und Vergleichsschaltung (14) zur pulsweisen Ermittlung und Speicherung sowie zum Vergleich der Pulsdauerwerte für die Ermittlung des Widerstandsverlaufs und zum Abschalten des Schweißstroms aufweist.

16. Regelbare Stromquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (8) des Wechselrichters (7) einen SOLL-Wertspeicher (15) für vorgegebene Pulsdauerwerte aufweist.