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Dokumentenidentifikation DE69500349T2 18.12.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0664182
Titel In einem Widerstandschweissverfahren, Einrichtung zum selbsteinstellenden Steuern von Widerstandschweisszangen
Anmelder ARO, Chateau-du-Loir, FR
Erfinder Boyer, Jean-Noel, F-37390 Mettray, FR;
Pellegrini, Henri, F-72500 Chateau du Loir, FR
Vertreter H. Weickmann und Kollegen, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69500349
Vertragsstaaten DE, GB, IT
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 16.01.1995
EP-Aktenzeichen 954000766
EP-Offenlegungsdatum 26.07.1995
EP date of grant 18.06.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.12.1997
IPC-Hauptklasse B23K 11/25

Beschreibung[de]

Eine Zange oder ein Gerät zum Widerstandsschweißen wird im wesentlichen gebildet von einem mechanischen Aufbau, an dem ein handbedienbares Betätigungselement oder ein pneumatisches Stellgerät angebracht ist, welches das Ausüben einer zum Einklemmen zweier Bleche zwischen Schweißelektroden hinreichenden Kraft erlaubt, einem Transformator, welcher es erlaubt, einen zum Bewirken eines lokalen Schmelzens des Metalls hinreichenden elektrischen Strom durch die Elektroden und die zu schweißenden Teile fließen zu lassen, sowie von einer Einrichtung, welche eine Messung liefert, die repräsentativ für die Stärke des Schweißstroms ist, und einer Schaltung zum Einstellen des Schweißstroms.

Ein derartiges Gerät wurde bereits in dem Dokument FR-A-2 668 728 beschrieben.

Der Transformator kann an der Zange angebaut sein oder separat vorgesehen sein, um das Werkzeug leichter zu machen. Im letzteren Falle wird er durch eine Leitung großen Querschnitts mit der Zange verbunden.

Um den Strom für eine vorbestimmte Zeit fließen zu lassen, ist ein Schalter in Reihe an der Primärversorgung des Transformators angebracht. Dieser Schalter kann mechanisch (Kontaktschalter) oder statisch (Thyristoren oder Triacs) vorgesehen sein. Im Falle des Thyristorschalters hat man die Möglichkeit, die Schweißleistung zu variieren, indem man die Zündung des Thyristors mehr oder weniger verzögert. In diesem Fall hat man einen Thyristoreinsteller.

Drei maßgebliche Parameter beherrschen den Vorgang des Widerstandsschweißens:

- die Stärke des elektrischen Stroms, der die aneinanderzufügenden Teile durchquert,

- die Kraft zum Einklemmen der Teile,

- die Dauer des Stromdurchgangs.

Diese drei Parameter sind durch eine Beziehung miteinander verbunden, welche die verbrauchte Energie W liefert:

W = R I² t,

wobei R den Widerstand für den Stromdurchgang, I die Stärke dieses Stroms und t die Dauer seines Durchgangs repräsentiert. Dieser Widerstand R ist im wesentlichen durch den Widerstand zwischen den Blechen gebildet, der unmittelbar von der Klemmkraft abhängt.

Die Kraft F wird durch Einstellen des Drucks im pneumatischen Stellgerät oder durch mehr oder weniger starkes Komprimieren einer Feder erzielt. Für eine gleiche Einstellung des Kraft-Betätigungselements hängt die Kraft an den Elektroden im Falle sogenannter Gelenkzangen von der Länge der Arme ab.

Im Falle des Thyristoreinstellers wird der Strom I erzielt, indem der Durchlaßwinkel des Thyristors eingestellt wird. Er hängt ab von der Impedanz der Zange, d.h. von dem Widerstand der verschiedenen Leiter und von der Reaktanz der durch den Sekundärbereich der Zange gebildeten geschlossenen Schaltkreise.

Die Dauer t wird durch die elektronische Steuerung kontrolliert, welche die Gesamtheit der Anlage steuert.

Man ist sich einig, daß zum Bewirken eines Qualitäts-Schweißpunkts nicht nur ein Tripel von brauchbaren Parametern (Kraft-Stärke-Dauer) existiert, sondern eine "Wolke" unterschiedlicher Kombinationen dieser drei Parameter, die gemeinsam auf die gleiche Qualität des Schweißpunkts hinwirken, welcher durch den Durchmesser des geschmolzenen Kerns begrenzt ist.

Der durch die Grenzwerte der Parameter Kraft und Stromstärke begrenzte, zum Schweißen geeignete Bereich ist in Abhängigkeit von der Dicke der zusammenzufügenden Bleche und von der Beschaffenheit der Bleche variabel. Dieser Parameter der Dicke ist in dem Dokument FR-A-2 668 728 nicht berücksichtigt.

Gegenwärtig erlauben die Schweißsteuerungen das Einstellen der Parameter Kraft (oder Druck), Stärke (oder Zündzeit der Thyristoren) und Dauer. Die Verwender wählen die geeigneten Parameter abhängig von ihrer eigenen Erfahrung oder stützen sich auf Tabellen oder Rechentafeln.

Diese Art und Weise des Vorgehens weist mehrere Nachteile auf:

- der Zusammenhang zwischen dem angegebenen Druck und der Kraft an den Elektroden hängt von der Gestaltung der Zange ab, wie weiter oben angegeben,

- der Zusammenhang zwischen dem Schweißstrom und dem Durchlaßwinkel der Thyristoren ist komplex; er setzt voraus, daß der tatsächliche Strom gemessen wird, um den adäquaten Winkel einzustellen oder sich komplizierter Schweißsteuerungen zu bedienen, welche das direkte Anzeigen des Schweißstroms erlauben, der dann durch die Schweißsteuerung gemessen und geregelt wird, und zwar dank eines in der Schweißzange integrierten Meßsensors,

- die Rechentafeln für die Schweißparameter liefern im allgemeinen für eine Dicke und eine Qualität der gegebenen Bleche ein einziges Tripel von Parametern (F, I und t); falls aus irgendeinem Grund die Kraft oder die Stärke nicht erzielt werden können, so ist die Wahl anderer Parameter der Einschätzung des Verwenders überlassen, der gegebenenfalls vorher Versuche durchführen muß.

Wenn die Schweißzangen an Produktionslinien eingesetzt sind, ist jedes Werkzeug für eine genau präzisierte Anwendung bestimmt und dementsprechend dimensioniert. Außerdem werden die gewählten und überprüften Schweißparameter nicht mehr variiert, solange das Produktionsprogramm unverändert bleibt.

Im Fall der Reparatur von Karosserien wird man sich aufgrund der Vielzahl von Einsatzfällen eines weniger angepaßten und universelleren Werkzeugs bedienen. Dieses Werkzeug muß geeignet sein, den ganzen Zusammenbau des Aufbaus des Fahrzeugs zu realisieren, wobei nur einige Schweißpunkte auf einmal hergestellt werden. In diesem Fall wird man die Parameter sehr häufig verändern und die Gestalt der Zange selbst wird sich entsprechend der Formen und Längen der verwendeten Arme wandeln, was eine genaue Bestimmung der Kraft F zum Schweißen zufallsbedingt macht. Es ist demnach schwierig, wenn nicht unmöglich, sich auf Standard-Rechentafeln zu stützen, und aus diesem Grund sind die angegebenen Parameter sehr approximativ.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und in der Folge eine Schweißsteuerung zu schaffen, deren Prinzip es ist, die tatsächlichen Möglichkeiten des Werkzeugs hinsichtlich der Kraft und des Stroms zu berücksichtigen und daraus den dritten Parameter, die Dauer, abzuleiten, die hierbei stets in einem großen Wertebereich einstellbar ist, um eine Schweißung von optimaler Qualität sicherzustellen.

Dieses Ziel wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 erreicht.

Zu diesem Zweck liefert zunächst ein auf der Primärseite des Schweißtransformators installierter Intensitätstransformator schon an den 50Hz- Primärperioden des Stromdurchgangs eine Meßinformation über den Schweißstrom.

Andererseits ist ein integrierter Kraftsensor (Messung der Verformung zweier Metallteile) vor der Schweißsteuerung installiert. Wenn der Verwender die Konfiguration des Werkzeugs ändert (mehr oder weniger langer Arm, unterschiedlicher Druck, etc.), schließt er die Zange an dem Kraftsensor. Eine durch das empfindliche, die Verformung des Sensors messende Element erzeugte Information wird zum Rechner übertragen.

Eine dritte Vorkehrung der Erfindung besteht darin, im Labor zahlreiche Versuche durchzuführen, die das Aufzeichnen von Bündeln von Verläufen I = f(t) und ihr Speichern in der Vorrichtung erlauben. Für eine gleiche Blechdicke wurden somit mehrere Verläufe gespeichert, welche den verschiedenen Kräften entsprechen. Jeder Verlauf liefert für eine gegebene Kraft unendlich viele Wertepaare (I, t), welche es erlauben, eine optimale Schweißqualität zu erzielen.

Die Erfindung wird nun detaillierter mit Bezug auf verschiedene Figuren in der beigefügten Zeichnung beschrieben:

- Figur 1 stellt die Haupteinrichtungen eines herkömmlichen Widerstandsschweißgeräts oder einer Widerstandsschweißzange dar;

- Figur 2 zeigt schematisch die Bildung eines Schweißpunkts zwischen zwei Blechen mittels eines derartigen Geräts;

- Figur 3 zeigt - lediglich als Hinweis dienend - die Entwicklung des Widerstands R zwischen den zusammenzufügenden Blechen in Abhängigkeit von der Kraft F, welche die zwei Elektroden der Figur 2 auf diese Bleche ausüben;

- Figur 4 zeigt die Bestimmung des zum Schweißen geeigneten Bereichs anhand einer graphischen Darstellung I = f(t, F);

- Figur 5 stellt schematisch ein Widerstandsschweißgerät dar, das gemäß der Erfindung ausgestattet ist;

- Figur 6 ist eine graphische Darstellung, welche die Funktion dieses Geräts veranschaulicht; und

- Figur 7 stellt das Schema eines der verwendbaren Algorithmen dar.

Das in der Figur 1 dargestellte Gerät umfaßt eine Schweißzange mit zwei an einer Achse 2 gelenkig angebrachten Schenkeln 1, die an ihren Enden Arme 3 und Schweißelektroden 6 tragen. Die zu schweißenden Objekte, beispielsweise Karosseriebleche, sind mit 4 gekennzeichnet. Bei 5 ist ein Betätigungselement, beispielsweise mit einem pneumatischen Stellgerät oder dergleichen, dargestellt, welches dazu geeignet ist, die Schweißenden 6 derart gegeneinander zu belasten, daß sie auf die Bleche 4 eine vorbestimmte Klemmkraft F ausüben. Der Schweißstrom der Stärke I wird durch flexible, mit der Sekundärseite 8 eines Schweißtransformators 9 verbundene Leitungen 7 großen Querschnitts den Elektroden 6 zugeführt. Die Primärseite 10 dieses Transformators wird durch einen Schaltkreis 11 zum Steuern/Regeln der Stärke, beispielsweise durch einen Thyristoreinsteller, der selbst an dem Netz angeschlossen ist, versorgt, wobei der Thyristordurchlaßwinkel durch eine Steuer/Regel-Schaltung 12 gesteuert wird.

Die Figur 2 zeigt zur Erinnerung die Bildung eines Schweißpunkts 13 zwischen den zwei Blechen 4, die zwischen den Schweißenden 6 der Elektroden eingeklemmt sind, welche von einem elektrischen Strom I durchquert werden und einer Schweißkraft F ausgesetzt werden.

Die Figur 3 zeigt die Änderung des Kontaktwiderstands R im Bereich des Schweißpunkts zwischen den Blechen in Abhängigkeit von der Schweißkraft F. Es ist ersichtlich, daß der Widerstand R für kleine Werte der Kraft stark in Abhängigkeit von der Kraft F variieren kann.

Die Figur 4 zeigt den zum Schweißen geeigneten Bereich zwischen zwei Verläufen I = f(t) mit der Kraft F als Parameter.

Die Figur 5 zeigt ein Schweißgerät nach Art desjenigen in der Figur 1, welches gemäß der Erfindung ausgestattet ist und bei dem die Haupteinrichtungen mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Figur 1 bezeichnet sind. In dieser schematischen Darstellung ist der Thyristoreinsteller 11 durch eine Steuer/Regel-Schaltung 14 gesteuert, zu welcher er gehört und welche außerdem einen Mikroprozessorrechner 15 umfaßt, in welchem eine Gruppe von Betriebsverläufen gespeichert ist, wie weiter oben angegeben. Eine Anzeigetastatur 16 erlaubt den Dialog zwischen dem Bediener und dem Rechner. Dieser Rechner erhält zudem von einem Stromsensor 17 Angaben, die für den Wert des Schweißstroms I repräsentativ sind. Die Steuer/Regel- Schaltung 14 umfaßt schließlich einen Kraftsensor 18, der ein für die Kraft F repräsentatives Signal an den Prozessor liefert.

Dies angenommen, kann das Gerät nach dem Prinzip arbeiten, welches durch den Steuer/Regel-Algorithmus der Figur 7 definiert ist, der sich selbst erklärt. Man erkennt in dieser schematischen Darstellung, daß in Abhängigkeit von der auf die Bleche ausgeübten Kraft F, wobei F direkt gemessen ist, sowie in Abhängigkeit von der durch den Verwender angegebenen Blechdicke der Verlauf I(t) aus den in dem Prozessor gespeicherten Verläufen gewählt wird. Es wird überprüft, ob diese Kraft ausreichend ist und ob die Stärke I des Stroms geeignet zwischen vorbestimmten Minimal- und Maximalwerten liegt. In der Figur 6 bezeichnen F = F&sub1; und F = F&sub2; zwei der gespeicherten Verläufe I(t) mit F als Parameter. Im Bereich A ist der Strom I geeignet (Imin < I < Imax); der Strom kann während der Dauer tA passieren. Die optimale Dauer t&sub0; = f(I) des Stromdurchgangs wird in dieser Spanne automatisch gewählt. Im Bereich B gilt I < Imin und die Schweißung ist unmöglich, welches die Dauer auch sei, während der der Strom fließen gelassen wird, was durch irgendeinen Alarm (siehe auch Figur 7) angezeigt werden kann. Im Bereich C gilt I > Imax und der Mikroprozessor steuert eine Modifikation des Thyristorzündwinkels des Einstellers an, um zu erreichen, daß I ≤ Imax gilt. Ein zu großer Strom kann nämlich infolge einer zu heftigen Erhitzung Spritzer glühenden Materials bewirken, was der Qualität der Schweißung abträglich ist.

Es ist festzuhalten, daß die Messung der Kraft F nicht an jedem Schweißpunkt notwendig ist. Sie muß nur durchgeführt werden, wenn die Konfiguration der Zange modifiziert wurde.

Die Messung der Stärke I wird schon am Beginn der Ausführung des Schweißpunkts durchgeführt. Falls - gleichgültig aus welchem Grund - kein Stromdurchgang erfaßt wird, wartet der Prozessor eine vorgegebene Zeit und erklärt dann die Schweißung für unmöglich, wie dies angegeben ist.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur selbsteinstellenden Schweißsteuerung für widerstandsschweißzangen, welche verbunden ist mit einem mechanischen Aufbau, an dem ein handbedienbares Betätigungselement oder ein pneumatisches Stellgerät angebracht ist, welches das Ausüben einer zum Einklemmen zweier Bleche zwischen Schweißelektroden hinreichenden Kraft erlaubt, einem Transformator, welcher es erlaubt, einen zum Bewirken eines lokalen Schmelzens des Metalls hinreichenden elektrischen Strom durch die Elektroden und die zu schweißenden Teile fließen zu lassen, einer Einrichtung (17), welche eine Messung liefert, die repräsentativ für die Schweißstromstärke (I) ist und einer Schaltung (14) zum Einstellen des Schweißstroms&sub1; dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kraftsensor (18), welcher zum Liefern einer Messung der Kraft (F) geeignet ist, die unmittelbar zwischen den Schweißelektroden (6) ausgeübt wird, und einen Mikroprozessor umfaßt, in welchem ein System von Verläufen I(t) gespeichert ist, welche zuvor für verschiedene Werte der Kraft (F) und für jeden Wert der Dicke der zwei Bleche festgelegt wurden, wobei der Mikroprozessor für die Dicke der zwei zu schweißenden Bleche die Wahl des idealen Verlaufs des Systems in Abhängigkeit von der gemessenen Kraft (F) sowie die optimale Schweißdauer (t&sub0;) festlegt, nachdem er geprüft hat, daß die Schweißstromstärke (I) hinreichend (I≥Imin) und kleiner als ein vorbestimmter Maximalwert (Imax) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (18) in dieser Vorrichtung integriert ist.







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