Vollautomatischer Zangenausgleich: Roboterzangen ELMA VISION CR VR

Kolumne ELMA Techspeak

Autor: Prof. Dr.-Ing. Peter Puschner,
Schweißexperte & Berater der ELMA-Tech GmbH


peter puschnerAufgabe und Ausrüstung

Die ELMATECH-Roboterzangen sind zwischen dem mit fünf Anflanschebenen ausgestatteten Anbindungskäfig an den Roboter beweglich gelagert. Bei C-Zangen ist der Zangenkörper über eine Linear-Führung mit dem Anbindungskäfig in Pinolenrichtung ausgerüstet, V-Zangen werden über ein Drehgelenk mit dem Anbindungskäfig verbunden, welches eine Beweglichkeit in der Achse der Elektroden erlaubt (der entstandene Freiheitsgrad folgt einem Kreisbogen mit großem Radius und kann näherungsweise als linear angenommen werden).

Durch die beschriebene Beweglichkeit im Bereich von ca. 20 mm wird erreicht, dass beim Schließen der Zange und während der Schweißung mit Kräften bis zu 5 kN zwischen den Elektrodenkappen keine das Bauteil verformenden Kräfte entstehen.

Damit bleiben sowohl Bauteiletoleranzen als auch Verschiebungen des TCP (Tool Center Point) nach Fräsvorgängen mit Änderung der Elektrodengeometrie ohne abträglichen Einfluss durch nicht gewollte Krafteinwirkung auf die Konstruktion selbst.

elmatech zangenausgleich roboterzangen

Um diesen sog. Zangenausgleich zu leisten, sind alle ELMATECH Roboterzangen mit einem über Servoproportionalventile gesteuerten Zweikammer-Pneumatikzylinder (Ausgleichszylinder) zwischen Anbindungskäfig und Zangenkörper ausgerüstet, die im Differenzdruckprinzip arbeiten. Damit wirkt die hohe erforderliche Kraft für den Fügevorgang nur auf die Bleche selbst und niemals auf die Konstruktion.

Auch die bei größeren Zangenfenstern unvermeidbaren Armaufbiegungen führen bei dem beschriebenen Zangenausgleich nicht zu ungewünschtem Krafteintrag auf das Bauteil.

Funktionsweise

Wenn keine Schweißung ausgeführt wird und der Roboter die Zange im Raum bewegt, wird über den Ausgleichszylinder die Zange mit Maximalkraft in ihrer Ruhestellung relativ zum Anbindungskäfig gehalten und fixiert. Im Teachbetrieb wird die Zange so an die zu schweißende Stelle geführt, dass die feststehende Elektrode ca. 1 bis 2 mm entfernt von der Blechoberfläche steht. Dies erfolgt bei jedem anzufahrenden Schweißpunkt, die Punkt-Koordinaten werden in der Robotersteuerung gespeichert. Damit ist bereits gewährleistet, dass auch Bauteile oder Vorrichtungstoleranzen nicht zu einer Krafteinwirkung bei der anschließenden Positionierung der Zange durch den Roboter von Punkt zu Punkt entstehen können.

Sobald der Roboter meldet, dass er die Zange in der Punktposition positioniert hat, gibt er die Steuerungshoheit an die ELMATECH-Schweißsteuerung ab. Diese ermittelt im ms-Bereich über einen Beschleunigungssensor die je nach Raumlage der Zange wirksame Gravitationskomponente und beaufschlagt den Ausgleichszylinder über schnell agierende Servoproportionalventile mit genau derjenigen Kraft, die die Zange in Richtung der Elektrodenachse balanciert und damit den sog. Floatbetrieb bereitstellt.

Gleichzeitig wird die bewegliche Elektrode über den Hauptzylinder zum Bauteil bewegt und aufgesetzt. Um die Vorhaltekraft zu realisieren wird nun die Zange mit der feststehenden Elektrode praktisch kraftfrei auch an der Gegenseite an das Bauteil herangezogen und schließlich die Vorhaltekraft aufgebaut, ohne dass Kraftkomponenten entstehen, die nachteilig auf die Konstruktion des Bauteils wirken.

Damit sind die Vorbereitungen für den Beginn der Schweißung abgeschlossen.Nach Abschluss der Schweißung wird die Zange über den Hauptzylinder zunächst geöffnet und erst nach Erreichen oder Passieren eines in der Zangensteuerung hinterlegten Minimalabstandes der beweglichen Elektrode vom Bauteil der Zangenausgleich deaktiviert und damit der Zangenkörper in die Ruhestellung gefahren und geklemmt, so dass der Roboter nach Erreichen der über die Servopneumatik des Hauptzylinders angefahrene Öffnungsposition vom Roboter zum nächsten Punkt oder aus dem Bauteil herausgefahren werden kann. Dieser Ablauf garantiert, dass sich auch in der Öffnungsphase keine Krafteinwirkung auf das Bauteil ergibt.

Vorteile des ELMATECH-Zangenausgleichs

Da die Kompensationskraft für den Floatbetrieb vollautomatisch ermittelt und eingerichtet wird, entfällt jegliche Programmierung über die Robotersteuerung entsprechend der jeweiligen Raumlage der Zange, die sich von Punkt zu Punkt verändern kann und die daher bislang erforderlich war.

Durch die mehrfachen Fräsvorgänge der Elektroden bis zu einem Elektrodenwechsel ändert sich nach jedem Fräsvorgang der durch den Teachvorgang ursprünglich programmierte Abstand der feststehenden Elektrode zum Bauteil. Der Abstand der feststehenden Elektrode zum Bauteil nimmt zu. Dies kann durch eine Verschiebung des TCP in der Robotersteuerung ausgeglichen werden, wobei dann die neue Kappengeometrie jeweils z. B. durch einen Kalibriervorgang berücksichtigt werden muss. Der automatische ELMATECH-Zangenausgleich macht dies vollkommen entbehrlich.

Die jeweils über den Beschleunigungssensor ermittelte und daraus abgeleitete und wirkende Ausgleichskraft für den Floatbetrieb kann mit einem Offset versehen werden. Diese programmierbare minimal wirkende Kraft im Bereich von 50 bis 100 N bezogen auf die feststehende Elektrode in Richtung Bauteil bewirkt ein Bewegen der Zange auf das Bauteil zu bis zum Aufsetzen, so dass die Zange selbst nicht über die vorfahrende Elektrode durch den Hauptzylinder bei gezogen werden muss.

Zusammenfassung

  • Durch die beschriebene Vollautomatik des ELMATECH Zangenausgleichs ist keinerlei Programmieraufwand in der Robotersteuerung mehr erforderlich.

  • Die erforderliche Balancekraft für den Floatbetrieb, abhängig von der Raumlage der Zange, wird von der ELMATECH-Steuerung für jeden Punkt neu ermittelt.

  • Mögliche Bauteiletoleranzen erzeugen keine schädlichen Kräfte auf die Konstruktion.

  • Nach Fräsvorgängen mit Änderung der Kappengeometrie (Abtragen der Kappenoberflächen) ist keine TCP Verschiebung erforderlich.

  • Eine unter großen Schweißkräften und bei großen Zangenfenstern nicht vermeidbare Armaufbiegung erzeugt keine schädlichen Kräfte auf die Konstruktion, selbst wenn diese z. B. bei Leichtbauzangen im Bereich größer 1 mm liegt.

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