DE20022481U1

DE20022481U1 - Bolzenschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE20022481U1
Application number: DE20022481U
Authority: DE
Original assignee: Nelson Bolzenschweiss Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Nelson Bolzenschweiss Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2010-02-22

Description

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Bolzenschweißvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Bolzenschweiß vorrichtung, die einen Schweißkopf mit einem Linearantrieb, eine durch den Linearantrieb axial bewegliche Schweißachse und einen an der Schweißachse angebrachten Bolzenhalter aufweist, in welchem ein zu verschweißender Bolzen gehaltert ist.

Die Schweißköpfe derartiger Bolzenschweiß vorrichtungen werden üblicherweise an einen Industrieroboter angeflanscht, um zum Beispiel zahlreiche Schweißbolzen an eine Fahrzeugkarosserie anzuschweißen. Es besteht die Bestrebung, immer niedrigere Taktzeiten bei gleichbleibend hoher Schweißqualität zu erreichen.

Bislang bekannte Bolzenschweißvorrichtungen arbeiten üblicherweise mit einer Spule und einer in Gegenrichtung wirkenden Feder. Die Schweißache wird bis zum Kontakt des Schweißbolzens mit dem Werkstück verfahren, wobei ein Stützfuß, der an der Bolzenschweißvorrichtung angebracht ist, ebenfalls das Werkstück berührt. Anschließend wird die Spule durch ein elektrisches Signal angesteuert und bewegt die Schweiß achse entgegen der Vorschubrichtung, um den Bolzen um ein mechanisch eingestelltes Abhubmaß von der Werkstückoberfläche zu beabstanden. Der Stützfuß dient dabei der Abstützung des Bolzenschweißkopfes. Beim Verfahren der Schweißachse entgegen der Vorschubrichtung wird die Feder vorgespannt und ein Lichtbogen mittels Hubzündung erzeugt. Die Spule wird nach Ablauf der Schweißzeit nicht mehr Strom durchflossen, so dass die vorgespannte Feder die Schweißachse und den Bolzen in Vorschubrichtung schlagartig nach vorne bewegt, und der Schweißbolzen taucht in das sich gebildete Schweißgut ein. Dieses Verfahren ist sehr stark von den Umgebungsbedingungen (Toleranzen der Feder, Lage der Schweißachse zur horizontalen Ebene usw.) abhängig, was zu schwankenden Schweißqualitäten führt.

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Wenn der Bolzenschweißkopf oder das Werkstück bei diesem Vorgang nicht zu stark belastet werden sollen, wird bei der bekannten Bolzenschweißvorrichtung die Schweißachse langsam in Richtung Werkstückoberfläche bewegt, bis es zum ersten Kontakt des Bolzens mit der Werkstückoberfläche kommt, um deren Lage zu bestimmen.

Die Erfindung schafft eine Bolzenschweißvorrichtung, mit der geringere Taktzeiten und eine hohe Schweißqualität gewährleistet sind. Die erfindungsgemäße Bolzenschweißvorrichtung umfasst eine Steuereinheit, die den die Schweißachse antreibenden Linearantrieb zur Durchführung eines Schweißvorgangs wie folgt ansteuert:

a) Der Linearantrieb verfährt die Schweißachse mit einer Geschwindigkeit Vi in Vorschubrichtung bis der Bolzen von einer Werkstückoberfläche noch geringfügig entfernt ist.

b) Der Linearantrieb verfährt anschließend die Schweißachse mit einer Tastgeschwindigkeit v_2j die geringer als die Geschwindigkeit V₁ ist, in Vorschubrichtung bis zur Berührung des Bolzens mit dem Werkstück.

c) Der Linearantrieb verfährt nun die Schweißachse um eine Strecke entgegen der Vorschubrichtung, um den Bolzen vom Werkstück abzuheben.

d) Zwischen Bolzen und Werkstück wird ein Lichtbogen mittels Hubzündung generiert.

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e) Schließlich verfährt der Linearantrieb die Schweißachse gesteuert in Vorschubrichtung, um ein Eintauchen des Bolzens in ein sich gebildetes Schweißgut zu erreichen.

Bei der erfindungsgemäßen Schweiß vorrichtung erfolgt die Zustellung der Schweißachse in den Schritten a) und b), bis die Werkstückoberfläche berührt und damit eingemessen ist, mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Während bislang die Zustellung in Vorschubrichtung nur mit der Tastgeschwindigkeit V₂ erfolgte, wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung diese Zustellung in wenigstens zwei unterschiedliche Schritte aufgeteilt, so dass nur die letzte Zustellung, bis es zum Berühren des Bolzens mit dem Werkstück kommt, mit der niedrigen Tastgeschwindigkeit gefahren wird. Durch die hohe Geschwindigkeit V₂ lässt sich Zeit gewinnen, so dass insgesamt die Taktzeit reduziert wird.

Vorzugsweise erfolgt das Verfahren der Schweißachse in Schritt e) Weg gesteuert, so dass unabhängig von Toleranzen in der Länge des Bolzens der Bolzen immer mit einer optimalen Geschwindigkeit und um ein definiertes Maß zum Werkstück bewegt wird. Zu beachten ist auch, dass derselbe Linearantrieb die Schweißachse in beide Richtungen verfahren kann, so dass die bislang verwendete Feder zum Zustellen des Bolzens beim Schweißvorgang entfällt. Der Linearantrieb ist eine elektrischer Antrieb, vorzugsweise ein nach dem Tauchspulenprinzip arbeitender Antrieb, der eine gute Wegsteuerung erlaubt.

Weiter ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass nach Schritt e) und dem Anschweißen des Bolzens am Werkstück in einem weiteren Schritt die Schweißachse mit einer Maximalgeschwindigkeit V₃ entgegen der Vorschubrichtung in eine Ausgangsstellung zurückgefahren wird. Auch hierdurch wird die Taktzeit reduziert.

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Die Geschwindigkeit &ngr; &igr; ist vorzugsweise mehr als dreimal so groß wie die Geschwindigkeit V2-

Darüber hinaus wird im Schritt a) der Schweißbolzen bis auf einen Abstand von etwa 1 bis 3 cm von der Werkstückoberfläche an diese heranbewegt, wobei der Abstand stets in Bezug auf die Lagetoleranzen der Werkstückoberfläche und die Toleranzen des Schweißbolzens abgestimmt sein muss und in Bezug auf die Summentoleranzen ein möglichst geringer Wert vorgegeben wird.

Die Geschwindigkeit Vi soll wenigstens 75% der Maximalgeschwindigkeit V3 des Linearantriebs betragen, was ebenfalls der geringen Taktzeit zugute kommt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.

Figur 1 zeigt einen Schweißkopf der erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung in verschiedenen Schritten, wobei ein Weg-Zeit-Diagramm die Bewegung der Schweißachse verdeutlicht.

Figur 2 zeigt den Linearantrieb der Bolzenschweißvorrichtung.

Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch den vorderen Teil des Schweißkopfes nach Figur 1.

In Figur 1 ist ein Bolzenschweißkopf dargestellt, der einen nach dem Tauchspulenprinzip arbeitenden Linearantrieb (vgl. auch Figur 2) aufweist, welcher eine

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axial bewegliche Schweißachse 3 in Vorschubrichtung V und in Gegenrichtung R bewegen kann. An der Schweißachse 3 ist ein Bolzenhalter 5 vorgesehen, welcher einen zu verschweißenden Bolzen 7 haltert.

In Figur 2 ist der Linearantrieb besser zu erkennen. Das rückwärtige Ende der

Schweißachse 3 ist mit einem starken Permanentmagneten 9 verbunden, der in zwei hintereinander angeordnete Spulen 11, 13, ragt. Die beiden Spulen sind elektrisch in Reihe geschaltet, haben aber entgegengesetzte Wicklungsrichtun-_Ä gen. Die Spulen 11,13 erzeugen zwei in entgegengesetzte Richtungen wirkende

Magnetfelder, die den Permanentmagneten 9 in Richtung V oder in Gegenrichtung R verschieben.

Die magnetische Kraft, die auf den Permanentmagneten 9 ausgeübt wird, wird durch die Stärke des durch die Spulen 11, 13 fließenden Stromes bestimmt. Die Polarität bestimmt die Bewegungsrichtung. Über einen bolzenspezifischen Ladekopf 15 werden die Bolzen zugeführt. Die Schweißachse 3 kann in den Richtungen V und R weggesteuert mit unterschiedlichsten Geschwindigkeiten verfahren werden. Diese Geschwindigkeiten sind frei programmierbar.

Der Bolzenschweißkopf ist entweder an einem Roboter oder an einer sonstigen Halterung befestigt und hat in der Ausgangsposition einen gewissen Abstand S₀ von der Oberfläche des Werkstücks 11.

Im folgenden wird das Verfahren erläutert, mit dem die Bolzenschweißvorrichtung einen Bolzen innerhalb eines Taktes am Werkstück 11 anschweißt. Aus der Ausgangsposition wird der Linearantrieb so betätigt, dass sich die Schweißachse 3 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit V], die mehr als 75 % der Maximalgeschwindigkeit beträgt, die mit dem Linearantrieb zu erzielen ist, in Vorschub-

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richtung V auf das Werkstück 11 zubewegt. Die Bolzenschweißvorrichtung ist so programmiert, dass in einem Abstand Sl von 1 - 3 cm von der Werkstückoberfläche der Linearantrieb abrupt langsamer wird und mit einer Tastgeschwindigkeit V₂, die deutlich geringer als die Geschwindigkeit Vi ist, der Bolzen 7 in Richtung V weiterbewegt wird, bis der Bolzen das Werkstück 11 berührt. Über eine Kontaktschaltung wird dieses Berühren sofort detektiert. Die Position der Schweißachse 3 wird eingelesen und gespeichert, und der Linearantrieb 3 wird, nachdem ein Schweißstrom angelegt wird, sofort in die entgegengesetzte Richtung betätigt, so dass die Schweißachse 3 um eine vorgegebene Strecke (Abhub S₂) in Richtung R verfahren wird und eine Hubzündung erfolgt. Dieses Abheben erfolgt ebenfalls Weg gesteuert und zwar mit einer Geschwindigkeit V4, die größer als die Geschwindigkeit V₂ ist. Wie dem Diagramm in Figur 1 zu entnehmen ist, verweilt die Schweißachse eine bestimmte Zeit in dieser Position. Schließlich fahrt die Schweißachse in Vorschubrichtung V mit einer Geschwindigkeit V₅ um das Maß des Abhubs plus ein Eintauchmaß. Der Bolzen taucht in das Schweißgut ein und wird mit dem Werkstück 11 verbunden. Auch dieses Verfahren der Schweißachse 3 beim Eintauchvorgang erfolgt Weg gesteuert.

Die Schweißachse 3 verbleibt für eine gewisse Zeit in dieser Stellung und wird schließlich mit einer Geschwindigkeit V₃, die die Maximalgeschwindigkeit des Linearantriebs bildet, in Richtung R zurück in die Ausgangsstellung bewegt.

Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, sind die Geschwindigkeiten Vi, V₄, V₅ und V3 sehr hoch, wodurch die Zeit niedrig gehalten wird.
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Die Geschwindigkeit Vi ist dabei mehr als dreimal so groß wie die Geschwindigkeit V₂.

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In Figur 3 ist der vordere Teil des Schweißkopfes näher dargestellt. Der Bolzenhalter 5 in Form einer mehrfach geschlitzten Hülse ist mittels einer Überwurfmutter 21 am Schweißkopf 23 befestigt. Im Inneren des Schweißkopfes 23 ist ein Ladestift 25, der axial verschieblich ist, aufgenommen. Ein Zuführkanal 27 dient der automatischen Zuführung von Bolzen 7, die bei zurückgefahrenem Ladestift in Richtung Bolzenhalter 5 mittels Druckluft transportiert werden. Nach dem Laden, vor dem Berühren des Bolzens mit dem Werkstück, ist ein nicht definierter Abstand X zwischen dem Bolzen 7 und der vorderen Stirnseite des Ladestifts 25 vorhanden. Dieser Abstand X kann zu folgendem Fehler beim Ermitteln der Lage des Werkstücks fuhren. Wird die Schweißachse mit dem Bolzen 7 gegen das Werkstück gedrückt, wird der Bolzen 7 um ein geringes Maß axial in Richtung R verschoben werden. Die Lage des Werkstücks in axialer Richtung wird dann aber um dieses Maß fehlerhaft bestimmt.

Um diesen Fehler zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass nach dem Heranfahren des Bolzens mit der Geschwindigkeit V₁ der Linearantrieb die Schweißachse in Vorschubrichtung V bewegt, bis der Bolzen 7 gegen das Werkstück drückt und so weit in Richtung R verschoben wird, bis er den Ladestift 25, der einen Anschlag in axialer Richtung bildet, kontaktiert. Nun ist der Bolzen 7 eindeutig innerhalb des Schweißkopfes positioniert. Anschließend wird der Bolzen wieder in Richtung R um eine geringe Strecke, beispielsweise um die Strecke Si verfahren, um nochmals mittels der Abtastgeschwindigkeit V₂ in Vorschubrichtung V zum Werkstück verfahren zu werden. Wenn es nun zum Kontakt des Bolzens mit dem Werkstück kommt, ist die Lage des Werkstücks eindeutig bestimmt, und der Abhub, der Weg gesteuert erfolgt, führt zu einer genauen Einhaltung des Maßes S₂.

Claims

1. Bolzenschweißvorrichtung mit einem Schweißkopf, welcher einen Linearantrieb, eine durch den Linearantrieb axial bewegliche Schweißachse (3) und einen an der Schweißachse (3) angebrachten Bolzenhalter (5) aufweist, in welchem ein zu verschweißender Bolzen (7) gehaltert ist, und mit einer Steuereinheit zur Steuerung der Bolzenschweißvorrichtung, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass sie den Linearantrieb zur Durchführung eines Schweißvorgangs so ansteuert,
dass die Schweißachse (3) zunächst mit einer Geschwindigkeit v₁ in Vorschubrichtung (V) verfährt, bis der Bolzen (7) von einer Werkstückoberfläche noch geringfügig entfernt ist,
dass die Schweißachse (3) anschließend mit einer Tastgeschwindigkeit v₂, die geringer ist als die Geschwindigkeit v₁, in Vorschubrichtung (V) bis zur Berührung des Bolzens (7) mit dem Werkstück (11) verfährt,
dass die Schweißachse (3) nach dem Berühren des Bolzens mit dem Werkstück und dem Einschalten des Schweißstroms entgegen der Vorschubrichtung (V) verfährt und den Bolzen um eine vorbestimmten Abhub vom Werkstück (11) abhebt, wodurch ein Lichtbogen gezogen wird, und
dass die Schweißachse (3) gesteuert in Vorschubrichtung (V) verfährt und den Bolzen in die Schmelze eintaucht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit das Verfahren der Schweißachse für das Eintauchen des Bolzens in die Schmelze weggesteuert durchführt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass sie den Linearantrieb nach der Durchführung eines Schweißvorgangs so ansteuert, dass die Schweißachse (3) mit einer Maximalgeschwindigkeit v₃ entgegen der Vorschubrichtung (V) in eine Ausgangsstellung zurückfährt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb nach dem Tauchspulenprinzip ausgebildet ist und die Schweißachse (3) in Vorschubrichtung (V) und in Gegenrichtung (R) antreibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißachse (3) kein Abstützelement für das Aufsetzen auf das Werkstück (11) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit v₁ mehr als dreimal so groß wie die Tastgeschwindigkeit v₂ ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass das Heranbewegen des Bolzens mit der Geschwindigkeit v₁ an das Werkstück (11) bis auf einen Abstand von 1 bis 3 cm erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit v₁ wenigstens 75% der Maximalgeschwindigkeit v₃ des Linearantriebs ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass sie den Linearantrieb so ansteuert, dass die Schweißachse mit der Geschwindigkeit v₁ so lange in Vorschubrichtung (V) verfährt, bis durch Drücken des Bolzens (7) gegen die Werkstückoberfläche der Bolzen (7) gegen einen Anschlag im Schweißkopf verschoben wird, dass die Schweißachse (3) anschließend den Bolzen geringfügig von der Werkstückoberfläche abhebt und dass die Schweißachse anschließend erneut mit der Tastgeschwindigkeit v₂ in Vorschubrichtung bis zum Berühren des Bolzens (7) mit dem Werkstück (11) verfährt.