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Hier wird elektrisch geschweißt

Text: Thorsten Sienk für AMK Fotos: Thorsten Sienk
Druckluftbetriebene Schweißzangen sind energieintensiv. Eine Alternative kann dezentrale Servotechnik bieten. Über diesen Ansatz ist es ihr gelungen, Schweißzangen als autarke, kompakte Einheiten flexibel und ohne gesonderten Schaltschrank zu konstruieren.

Schweißzangen in der Automobilindustrie werden vorwiegend pneumatisch betrieben. Die dazu benötigte Druckluft kostet einiges an Energie und ist somit recht teuer. „Unsere Kunden wollen immer mehr von der Pneumatik weg“, beschreibt Markus Backst, Leiter der Elektrokonstruktion bei Nimak, die momentane Entwicklung in der Automobilindustrie und bei ihren Zulieferern. Druckluft ist verlustbehaftet und teuer in der Herstellung. Diese beiden Aspekte korrelieren direkt mit dem Streben nach einer höheren Energieeffizienz in den Werken. „Damit der Einsatz elektrischer Antriebstechnik nicht auf Kosten der Verkabelung und die für den Schaltschrank notwendige Produktionsfläche geht, haben wir ein kompaktes Antriebssystem gesucht, mit dem wir direkt auf die Schweißzange kommen“, so Backst. Die Ingenieure aus Wissen im Westerwald verhindern damit auch lange und teure Hybridkabel, falls die Schweißzangensteuerung im Roboterschaltschrank integriert wird. Dieser mögliche Aufbau birgt gerade beim Schweißen mit hohen Strömen und den damit verbundenen Magnetfeldern Risiken bei der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

Der Umrichter direkt am Prozess

Mit dem Einsatz der Servoumrichter von AMK konnte Nimak an diesen Stellen Vorteile erzielen. Weil die dezentralen Geräte über ein eigenes Leistungsteil verfügen, reicht ein simples, schleppkettenfähiges Kabel für die dreiphasige Energieversorgung aus. Ein weiterer Pluspunkt resultiert aus der Platzierung des Amkasmart iC direkt am eigentlichen Prozess. Seine Nähe macht sämtliche Anschluss- und Geberkabel deutlich kürzer. Dieser Aspekt senkt auf der einen Seite die Installationskosten und wirkt sich andererseits positiv auf das EMV-Verhalten aus. Der Servoumrichter ist ein Standardgerät, das AMK im Rahmen des gemeinsamen Entwicklungsprojektes lediglich punktuell angepasst hat: Hierzu zählt die DS402 Kommunikation (CAN) im Nimak-Standard, veränderte Steckverbindungen sowie der Einsatz des AMK-Interpolators, um die Geschwindigkeit in einem erwarteten Bereich zu limitieren. „Mit Umrichtern können Sie bekanntlich ganz einfach über Rampen von A nach B positionieren. Das Problem beginnt aber dann, wenn man vor die Wand fährt“, sagt Backst. Dieses vor die Wand fahren tritt bei Schweißzangen auf, wenn beide Kupferelektroden mit Material in Kontakt kommen. Wenn das Schweißen einsetzt, muss der Antrieb weiterfahren und dabei seine Drehzahl sehr genau einhalten. Die Drehzahl ist entscheidend für die von den Elektroden auf das Stahlblech aufgebrachte Kraft. Ein gesonderter Kraftsensor ließ sich zwar in einer solchen Zange einbauen, ist aber für diese Standardanwendung zu teuer. Insofern arbeiten die Schweißzangen mit den dezentralen Servoumrichtern zwar momentengesteuert, aber ohne externen Kraftsensor.

Präziser Druck für perfekte Verbindungen

Die beim Schweißen herrschenden Druckkräfte müssen ohne gesonderte Rückführung präzise eingehalten werden. So gibt Audi eine Toleranz von ±50N an, unabhängig davon, wie viel eine Schweißzange konstruktiv wiegt. „Wir müssen deshalb sämtliche Einsatzgebiete von kleinen und schweren Zangen mit unterschiedlichen Übersetzungen und Hebelarmen in der Regelung des Servoumrichters berücksichtigen und entsprechend kompensieren“, sagt Backst und berichtet, dass Nimak eigene Steuerungs- und Regelalgorithmen entwickelt hat, um diese Genauigkeiten zu erreichen. Die Präzision ist letztlich ausschlaggebend für die Schweißqualität und Standzeit der Werkzeuge. „Wenn das Schweißen beginnt, wird der Stahl teigig und weicht dem Druck aus. Bleibt die Zange in diesem Moment stehen, kommt es zum Funkenflug, weil die Elektroden den Kontakt verlieren“, erklärt Backst. „Wir drücken deshalb mit einem der Kraft entsprechenden Drehmoment und mit niedriger Drehzahl auf das Blech und bauen weiter Druck auf.“ Mit der ausgefeilten Positioniersteuerung in den dezentralen Servoreglern können die Zangen schnell schließen, bis sie das Bauteil erreicht haben, um Zeit zu sparen. Dann ist auch noch gewährleistet, dass sie ohne abzubremsen an einer bestimmten Position mit exakter Drehzahl weiterfahren. „Das hat bisher nur AMK fertig gebracht. Bei allen anderen Herstellern mussten wir vorher abbremsen“, unterstreich Nimak-Geschäftsführer Paul Nickel. „Wir haben die Regelung speziell auf den Prozess angepasst. Es herrscht enger Kontakt zwischen den Entwicklungsabteilungen beider Firmen“, sagt Edgar Lange, Vertriebsingenieur bei AMK. Um die Geräte leicht in bestehende Automatisierungsstrukturen einbinden zu können, bieten die dezentralen Servoumrichter zudem flexible Anschlussmöglichkeiten unterschiedlicher Geber- und Kommunikationssysteme. Ferner stehen digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung, mit denen sich die im Prozess anfallenden Signale einsammeln und auswerten lassen. Die Geräte verfügen standardmäßig über Safe Torque Off (STO, sicher abgeschaltetes Moment) sowie optional auch über funktionale Sicherheit. Das ist für den Betrieb der Schweißzangen generell erforderlich. In der Antriebs- und Automatisierungstechnik wird zudem damit gerechnet, dass STO bald zum Standardumfang eines Umrichters gehören wird.

Nur die Stromversorgung aufbauen

Mit einem kompakten, dezentralen Servoumrichter, der sowohl das Leistungsteil, als auch den Regler selbst in einem robusten Gehäuse in Schutzart IP65 vereint, hat AMK Alleinstellungsmerkmale. „Bei den meisten Systemen anderer Hersteller handelt es sich um reine Regler“, erklärt Lange. Beim Konzept von AMK ist lediglich die Stromversorgung aufzubauen, besondere Schirmungen und Hybridkabel sind nicht erforderlich. Das Gerätekonzept der Amkasmart iC macht darüber hinaus den Weg frei, um weitere Servoregler direkt über den DC-Zwischenkreisverbund anzuschließen. Die Baureihe bietet dafür passende, kleinere Geräte ohne eigenes Leistungsteil.

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