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5 Umrüstung der AWA- 353
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5 Umrüstung der AWA- 353
Nach Auswertung der Laborversuche bei der Firma Miyachi wurde die AWA- 353 mit einer
neuen Steuerung / Stromquelle ISQ20- 6K einschließlich Messgerät MG3 W1 und einem
modifizierten Schweißkopf, vom Typ FDP 190, umgerüstet.
5.1 Steuerung / Stromquelle ISQ20- 6K
Im Vergleich zur IS- 427A verfügt die neue Komponente über eine deutlich schnellere
Prozessregelung, verbessertes Monitoring und Möglichkeiten für eine umfangreiche
Qualitätsanalyse.
Das Komplettsystem von Schweißsteuerung ISQ20- 6K und MG3 W1 ist durch ein
intelligentes Bedienkonzept mit Statuszeile, Menüleiste und interaktiver Benutzerführung mit
Kontexthilfe charakterisiert. Die Inverterstromquelle ISQ20- 6K ist ein Gleichstrominverter,
in der die Einspeisung, die Leistungs- und Steuerelektronik, der Transformator- GleichrichterBlock, die abnehmbare Bedienconsole MFT 1 mit Grafikdisplay sowie alle Schnittstellen
vorhanden sind.
5.1.1 Vergleich IS- 427A und ISQ20- 6K
IS- 427A
ISQ20- 6K
Technische Daten
Dreiphasiger - Netzanschluss 400 V AC
Netzfrequenz 50 Hz
Umrichtfrequenz 1 kHz
Umrichtfrequenz 20 kHz
max. Schweißstrom 5000 A
max. Schweißstrom 6000 A
max. Schweißleistung 5000 W
max. Schweißleistung 24000 W
Schweißprogramme 15 (intern/extern)
Schweißprogramme 99 (intern/extern)
Kommunikation mit SPS durch potentialfreie Ein- und Ausgänge
Regelungsarten
Stromregelung, Spannungsregelung, Leistungsregelung
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Überwachung
numerisch
numerisch + grafisch
Strom, Spannung, Leistung, Pulsweite
Strom, Spannung, Leistung, Energie, Druck
Toleranzfenster der Regelgröße
/
aktive Teilekontrolle
/
Leitfähigkeit vor der Schweißung
/
Schweißbegrenzung
/
Schweißen bis zum Grenzwert
Bedienkonsole
Typ (MA- 201 J)
Typ (MFT1)
Eingabe der Parameter und Einstellung der Steuerung
separat am Arbeitsplatz positionierbar
Cursertasten
Drehgeber
Statuszeile, interaktiver Benutzerführung mit
/
Kontexthilfe
Funktionen
Elektrodenzustellung extern über SPS
Elektrodenzustellung intern
Schweißbegrenzungsfunktion (innerhalb der eingestellten Toleranz)
Monitoring
Schweißzähler 999 Schweißungen
Schweißzähler 60000 Schweißungen
automatische Stromerhöhung
Aktionszähler
→ nach x Schweißungen Stromerhöhung
→nach x Schweißungen Programmwechsel
extern
Schweißen ohne Strom (StepUp Funktion)
extern
Rampenzeit (Zeitp. Sollwert Prop.- ventil)
/
Einstellfunktion Druckabweichung
/
Parametertransferfunktion
/
Programmkopierfunktion
extern
Programmierfunktion Druckvorgabe
/
aktive Teilekontrolle (oxidierter Oberfl.)
/
Leitfähigkeit prüfen (U gemessen)
/
Schweißen bis zum Grenzwert
/
wegabhängige Stromabschaltung
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zusätzliches Messgerät MG3 W1
/
Prozessregelung aller elektr.+ mech.Größen
/
statist. + dyn. Prozessüberwachung
/
Parameterspeicher über Flashkarte
/
graf. Analyse- u. Überwachungsfunktion
/
automatische Grenzwertberechnung
/
Screenshotfunktion
Abb. 5-1 Vergleich Schweißsteuerungen
5.2 Schweißkopf FDP 190
Im Vergleich zum ATS- Schweißkopf ermöglicht der FDP 190 einfachere Einstellungen und
bessere Kontrolle der Sollwerte. Über die integrierte Wegmessung ist eine wegabhängige
Stromabschaltung realisierbar.
5.2.1 Vergleich ATS- Schweißkopf und FDP 190
Schweißkopf
Spezialausführung der Fa. ATS
FDP 190 der Fa. Miyachi
Ausführung
Doppelkopf
doppeltwirkend direkt pneumatisch
pneumatisch mit Federnachsetzsystem
Elektrodenkraft / Zustellbewegung
Druckregelung über Proportionalventil
überwinden eingestellter Gegendruck
überwinden vorgespannte Feder
Kraft = Anpressdruck - Gegendruck
Kraft = auf Skala ablesbar
1045 N max.(bei Ø = 54 mm und 6 bar)
700 N max. (bei 6 bar)
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Sensoren
Kraftmessdosen
/
/
Wegmesssystem
Initiatoren zur Abfrage über Zylinderstellung
Nachsetzverhalten
direkt über Pneumatikzylinder
direkt über vorgespannte Feder
Zylinderbewegung Ø = 54 mm
Membranbewegung (K- Ringzylinder)
schlechtes Nachsetzverhalten
hervorragendes Nachsetzverhalten
Aufsetzkraft
Anpressdruck und Gegendruck
Anpressdruck und vorgespannte Feder
Stromauslösung
durch Kraftmessung (Elektrodenkraft)
Führung der Schweißköpfe
mittels Führungsschiene
Kühlung
externes Kühlaggregat mit Zuleitungen zum Elektrodenhalter
Auslegung Elektroden
Schnellwechselsystem
siehe Anhang A S.76,77
siehe Anhang A S.80,81
Abb. 5-2 Vergleich Schweißköpfe
5.2.2 Wegmessung mit dem MG3 W1
Durch den Wärmeeintrag beim Schweißen geht das Bauteil (Kollektorhaken) in einen
plastischen Zustand über. Die anliegende Elektrodenkraft drückt die Elektrode in das
plastische Material ein. Diese Elektrodenbewegung wird als Nachsetzverhalten bezeichnet,
der Weg, den die Elektrode dabei zurücklegt, als Einsinkweg.
Ist der Einsinkweg zu klein, mindert dies die Festigkeit der Widerstandsschweißverbindung.
Ist der Einsinkweg zu groß, führt dies zu einer übermäßigen Deformation am Bauteil. Die
Wegmessung mit dem MG3 W1 ermöglichte Versuchsreihen zur Ermittlung eines optimalen
Einsinkweges. In der Serienschweißung kann dann der ermittelte Einsinkweg als Sollwert
eingestellt werden und als Schweißstromabschaltkriterium dienen.
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Die Wegmessung mit dem MG3 W1 erfordert einen Startimpuls. Dieser Stromimpuls mit
geringer Leistung wird dem Schweißimpuls vorangestellt (Abb. 5-3). Er dient lediglich zur
Kalibrierung/Nullung der Wegmessung. Bei der Schweißung mit zwei Impulsen
(Abisolier- und Schweißimpuls) übernimmt der Abisolierimpuls die Funktion des Startimpulses (Abb. 5-4).
Abb. 5-3 Grafik Ein- Impulsschweißung
─ Einsinkweg bei Ein- Impulsschweißung
(mit Startimpuls)
Abb. 5-4 Grafik Zwei- Impulsschweißung
─ Einsinkweg bei ZweiImpulsschweißung
─ Schweißstrom
─ Schweißleistung
─ Schweißdruck
Über die Einsinkwegmessung wird indirekt der Deformationsgrad des Hakens und der
Verschmelzungsgrad an der Schweißstelle gemessen. Dadurch kann man gute und schlechte
Schweißungen unterscheiden.
5.3 Programmierung des Prozessablaufes
Der gesamte Prozessablauf (siehe 2.1.1) wird über die maschineneigene SPS programmiert. In
Verbindung mit der Steuerung / Stromquelle (IS- 427A) greift die SPS in den Schweißzyklus
(siehe 2.1.3) ein. Die Steuerung / Stromquelle (ISQ20- 6K) kann den kompletten
Schweißzyklus eigenständig steuern. Die SPS gibt lediglich das Startsignal an die ISQ20- 6K
und realisiert diverse Statusabfragen.
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5.3.1 Vergleich herkömmliches und modifiziertes SPS- Programm
altes Programm SPS
neues Programm SPS
Handling 1
→ Paketstütze zustellen
→ keine Paketstütze vorhanden
Schwenkgreifer führt den bereitgestellten Läufer der Spannzange zu
Positionieren
Start Suchlauf für Indexierung
→ Abfrage: Anker anwesend
Indexierung und Korrekturwinkel beendet
Schweißzyklus1
Start verschalten
(übernimmt ISQ20- 6K)
Elektroden zustellen
→ Abfrage: Elektroden weggestellt
Kraft erreicht
(übernimmt ISQ20- 6K)
→ Abfrage: Minimaler Druck erreicht
Elektroden zugestellt
(übernimmt ISQ20- 6K)
→ Abfrage: Elektroden zugestellt
/
Messwertreset
Schweißen links und rechts starten
/
Abfrage: Gut Kanal 1, Gut Kanal 2
Links und Rechts zurückgesetzt
Miyachi bereit
→ Schweißen rechts bereit, Schweißen links bereit
Schweißen links + rechts
→ Abfrage: Schweißen (links, rechts) Ende und kein Fehler
Elektroden zurück
(übernimmt ISQ20- 6K)
Inkrement counter Typ A/B umschalten
Abfrage: Schweißen links eingefahren
Schweißen rechts eingefahren
Elektroden weggestellt
→ Abfrage: Elektroden nicht zugestellt
(übernimmt ISQ20- 6K)
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3 X Verschalten
3 X Schweißen (analog Schweißzyklus 1)
Handling 2
→ Paketstütze wegstellen
→ keine Paketstütze vorhanden
Schwenkgreifer entnimmt der Spannzange den Läufer
Abb. 5-5 Vergleich herkömmlicher und modifizierter Programmablauf
5.4 Vorgehensweise bei der Umrüstung der AWA- 353
Da während der Umrüstung auf der Maschine nicht produziert werden kann, muss die Zeit für
diese Arbeiten möglichst gering gehalten werden. Das bedeutet, dass der Umbau personell
und organisatorisch gut vorbereitet werden muss.
Nach Lieferung der neuen Komponenten wurden diese zunächst in die Serienmaschine
integriert. Alle mechanischen Komponenten mussten exakt auf die alte Spannzangenposition
ausgerichtet werden. Anschließend wurden die im Labor ermittelten Parameter der neuen
Steuerung übergeben und Testschweißungen durchgeführt. Dabei traten unerwartete Probleme
auf, die zu inakzeptablen Schweißergebnissen führten. Die anfänglich guten Schweißungen
wurden nach einigen hundert Läufern zunehmend schlechter. Der Prozess verlief über die Zeit
instabil.
Durch eine umfangreiche Fehlerdiagnose wurden die Störgrößen ermittelt und durch
geeignete Maßnahmen beseitigt bzw. kompensiert.
5.5 Fehlerdiagnose
Die Auswertung von Weg- und Druckmessungen, sowie Strom- und Leistungskurven zeigte
folgende Auffälligkeiten:
1. geringe, schwankende Schweißleistung am Bauteil
2. Schwankungen des Schweißdruckes während des Schweißzykluses
3. Differenzen im Schweißverhalten zwischen rechtem und linkem Schweißkopf
(Synchronität)
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Zu Auffälligkeit 1
Versuch
- Spalt zwischen Schweiß-
Ergebnis
Bemerkung
- kein Kurzschluss
und Kontaktelektrode
auf Kurzschluss prüfen
- Abstand der Elektroden in - kein Kurzschluss
Grundstellung zum Bauteil prüfen
- Nebenschluss über die
Ankerwicklung
- Nebenschluss über die
Wicklung ist ausgeschlossen
- Grund der Vermutung:
Welle des Bauteils sehr
warm nach Fügeprozess
- Vereinzeln der Strommessspulen
→ eine auf + Leitung (K1)
- Strommessung weist keine
Unregelmäßigkeiten auf
- kein Nebenschluss
→ eine auf – Leitung (K2)
- Widerstandsmessung an
beiden Schweißköpfen
- Widerstand an Sekundäranschlüssen gleich und hoch-
- Nebenschluss
ausgeschlossen
ohmig
Abb. 5-6 Übersicht zu Versuchen und Ergebnissen aufgrund Auffälligkeit 1
Da keine Nebenschlüsse feststellbar waren, wurde ein Aufmagnetisieren der Montageplatte in
Folge ungünstiger Verlegung der Sekundärstromkabel vermutet. Die ursprünglich durch die
Platte geführten Stromkabel mit Frequenzen von 20 kHz haben Wirbelströme induziert und zu
Aufmagnetisierungserscheinungen geführt. Durch Führung der Sekundärkabel oberhalb der
Stahlplatte konnte die Induktion verhindert werden.
Im Ergebnis war die Schweißleistung über die Zeit konstant.
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Zu Auffälligkeit 2
Versuch
- Schweißzyklus in
Ergebnis
- Zeitproblem ausgeschlossen
Bemerkung
- es ist ausreichend Zeit
Einzelschritte aufgeteilt
für den Druckaufbau
(Stepbetrieb)
gegeben
- Druckkurvenmessung
bei Schweißdruck 3,5 bar
- bei 4 bar am Feindruckregler
- unerklärliche
wurden 0,6 bar Druckzunahme
Druckzunahme während
gemessen
des Schweißzykluses
- bei 6 bar am Feindruckregler
wurden 1,6 bar Druckzunahme
gemessen
- Anschlüsse am
- Anschlüsse korrekt
Feindruckregler prüfen
· 1. Zuluft
· 2. Schweißkopf
· 3. Entlüften
- Sekundärkabel getrennt
- keine Sollwertverfälschung
von den Kabeln der
durch elektromagnetisches
Ventileinheit verlegt
Feld
- Überprüfung des
Proportionalventils
- Proportionalventil aus
Pneumatikkreis entfernt
- Schaltventil aus
- keine Abweichungen bei der
- 1Volt ≡ 1bar
Zuordnung Spannung- Druck
Proportionalventil in
feststellbar
Ordnung
- weiterhin Druckschwankungen - Proportional scheidet als
über Schweißzyklus
Ursache aus
- weiterhin Druckschwankungen - Schaltventil scheidet als
Pneumatikkreis entfernt
über Schweißzyklus
Ursache aus
Vermutung:
Prozess wird durch Potentialverschiebung beeinflusst
- Massepotential am
Schweißkopf entfernt
- keine Verbesserung an
Druckkurve
- keine Potentialverschiebung
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- Erdung am ISQ20- 6K
entfernt
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- keine Verbesserung an
Druckkurve
- Proportionalventil gegen
- keine Druckschwankungen
- keine Potentialverschiebung
- das Proportionalventil
Maschinengestell
über den Schweißzyklus
wurde über das
elektrisch isoliert
vorhanden
Maschinengestell
elektrisch beeinflusst
Abb. 5-7 Übersicht zu Versuchen und Ergebnissen aufgrund Auffälligkeit 2
Mit Hilfe einer Isolierplatte wurde zwischen Proportionalventil und Maschinengestell eine
Potentialtrennung hergestellt und eine Potentialverschiebung kompensiert. Damit war das
Problem der Druckschwankung über den Schweißzyklus behoben.
Zu Auffälligkeit 3
Versuch
- linker Inverter
kurzgeschlossen
- Druckluft links weg
Ergebnis
- keine Verwechslung der
Anschlüsse vom Inverter zum
Schweißkopf
Bemerkung
- linker Inverter → linker
Schweißkopf
- rechter Inverter → rechter
Schweißkopf
- Überprüfung von
- Ausrichtung und Abstand
Ausrichtung u. Abstand
Elektrode- Bauteil waren
Elektrode- Bauteil
links und rechts gleich
- Aufsetzen der Elektrode
aufs Bauteil
- Elektroden (rechts, links)
setzen flächig auf
- mittels Kalibrieranker und
Endmaßen
- Endmaß mit Weiß- und
Blaupapier bekleben
- Elektroden heranfahren
- Abdruck analysieren
- Parallelität Haken - Welle
- Parallelität ist gegeben
- geschweißter Läufer
waagerecht in Vorrichtung
ausrichten
- Lineal dient als
Verlängerung des Hakens
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- Oszillograph
Aufzeichnung
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- zeigt synchron arbeitende
- Spannungsmessung nah
Schweißköpfe
an der Elektrode während
des Fügeprozesses
Abb. 5-8 Übersicht zu Versuchen und Ergebnissen aufgrund Auffälligkeit 3
5.5.1 Ergebnis
Die geringen Differenzen im Schweißverhalten zwischen linkem und rechtem Schweißkopf
konnten durch die Fehleranalyse nur begrenzt kompensiert werden. Diese Differenz muss
beim Editieren der Schweißparameter in der Steuerung berücksichtigt werden. Die Mechanik
als Ursache für die Differenzen wird aufgrund der Analyse ausgeschlossen.
5.5.2 Auswertung
Die ersten Schweißversuche mit der umgerüsteten AWA- 353 zeigten, dass mit den unter
Laborbedingungen ermittelten Parametern keine stabile Serienschweißung zustande kommt.
Im Ergebnis der Fehleranalyse konnte der Schweißprozess stabilisiert werden.
Im nächsten Schritt ist ein optimales Schweißprogramm zu entwickeln. Dafür müssen in
weiteren Versuchen die Schweißparameter für die Serienschweißung angepasst werden.
5.6 Parametereinstellung für die Serienschweißung
Ausgehend vom Laborversuch Variante 2 (siehe Anhang C S.87 ff.) wurden die Parameter in
Programm 14 der ISQ20- 6K editiert.
Eingesetzt wurden:
Schweißelektrode:
WL, plan, 0°, Polarität + (siehe Anhang A S.80)
Gegenelektrode:
Hovadur, plan, Polarität – (siehe Anhang A S.81)
Läufertyp:
EMAGR 5.35336.01.0
→ Kommutator 2.09418.00.0
→ Cu Lack- Draht Ø 0, 25 mm 3.00217.19
5 Umrüstung der AWA- 353
Abisolierimpuls
Schweißimpuls
50
Schweißkopf
links rechts
Lamelle
1. - 4. 1. – 4.
ISQ20- 6K
Programmvorwahl
14
14
Schließzeit
100
100
Vorhaltezeit
40
40
Stromanstiegszeit 1
20
20
Schweißzeit 1
40
40
Stromabfallzeit1
5
5
Schweißleistung1
1600 1600
Pausenzeit
0
0
Stromanstiegszeit 2
5
5
Schweißzeit 2
20
20
Stromabfallzeit2
6
6
Schweißleistung 2
5000 5000
Nachhaltezeit
200
200
Auszeit
0
0
Impulswiederholung
1
1
Anpresskraft /- druck
2,2
2,2
ohne wegabhängige Stromabschaltung
ms
ms
ms
ms
ms
W
ms
ms
ms
ms
W
ms
bar
Abb. 5-9 Parameter für die Serienschweißung modifiziert
nach Laborversuch Variante 2
Damit wurden folgende Vergleichtests durchgeführt:
Versuch
- Schweißzyklus in
Einzelschritte aufgeteilt
- ohne Schweißstrom
- Schweißen nur mit
dem 1.Impuls
(Abisolierimpuls)
Ergebnis
- Deformationsgrad der
Hakenfahne analog den
Bemerkung
- vergleiche Teilschritt 3
aus 2.1.2
Laborbedingungen
- ausreichender Abbrand der
Drahtisolierung
- vergleiche Teilschritt 4
aus 2.1.2
- Schweißleistung für
Abisolierung in Ordnung
- Schweißen mit zwei
Impulsen
- Schweißergebnis vergleichbar
dem Laborversuch Variante 2
- Vergleichstest
Schweißergebnis
(Abisolierimpuls und
Schweißimpuls)
Abb. 5-10 Übersicht zu Versuchen und Ergebnissen aufgrund der Vergleichtests
5 Umrüstung der AWA- 353
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Die Vergleichtests haben die Ergebnisse der Laborversuche unter seriennahen Bedingungen
bestätigt. Allerdings sind die erzielten Schweißungen noch problembehaftet. Die auftretenden
Probleme waren zum Teil schon im Laborversuch zu erkennen, sind aber auch die Folge der
Serienschweißung (viele Schweißungen nacheinander).
Probleme:
1. Zwischen Hakenfahnenende und Lamelle waren Anlauffarben zu erkennen, was auf einen
Nebenschluss hindeutet. Damit geht dem Abisolierprozess Leistung verloren.
Ursache: Luftspalt zwischen Haken und Lamelle vor dem Abisolierimpuls zu klein und/oder
Energieeintrag im ersten Impuls zu hoch
2. Überhitzung der Pressmasse
Ursache: Zu hoher Energieeintrag beim Schweißen
4. klebende Schweißelektrode nach einigen 100 Schweißungen
Ursache: Überhitzte Elektrode durch zu hohen Energieeintrag bzw. zu geringe Kühlung
5. Läufer verrutscht in der Spannzange und verursacht einen stufenförmigen Abdruck auf der
Hakenoberfläche
Ursache: Spannkraft nicht ausreichend
5.7 Parameteroptimierung für die Serienschweißung
Versuch
- Schweiß- und Schließ-
Ergebnis
Bemerkung
- konstante Schweißergebnisse
druck auf 2,55 bar
durch gleichmäßigen
erhöht
Kontaktwiderstand
Höherer Schweißdruck vermindert den Kontaktwiderstand. Dadurch kann der
Energieeintrag für den Schweißimpuls gesenkt werden.
- Energieeintrag für
Abisolierimpuls auf
1200 W senken
- keine Anlauffarben zwischen
Hakenende und Lamelle
- kein Nebenschluss
- die gesamte Energie
kommt der Abisolierung
zu Gute
- kein unnötiger Energieeintrag in das Bauteil
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- Energieeintrag für
Schweißimpuls auf
52
- keine Überhitzung der
Pressmasse
- Minimierung des
Energieeintrags
4100 W senken
Durch die Leistungsreduzierung bei beiden Impulsen konnte bei ordentlichem
Schweißergebnis die thermische Belastung auf das Bauteil und die Schweißelektrode
deutlich gemindert werden. Das Verkleben der Elektrode trat nicht mehr auf.
- Vorhaltezeit (VHZ) auf
40 ms senken
- Taktzeit verkürzt
- unverändert gutes Schweißergebnis
- Voraussetzung für das
Absenken der VHZ ist
die Einstellung
p Schließ = p Schweiß
- Nachhaltezeit (NHZ)
auf 140 ms senken
- Taktzeit verkürzt
- unverändert gutes Schweißergebnis
- Voraussetzung für das
Absenken der NHZ ist
der geringere Energieeintrag
Durch die Verkürzung von Vor- und Nachhaltezeit konnte die Taktzeit
auf < 8 Sekunden gesenkt werden.
- Differenzierung der
- die Differenzen im
- die Leistung wurde so
Schweißleistung am
Schweißverhalten zwischen
eingestellt, dass links
linken Schweißkopf
linkem und rechtem
und rechts gleicher
Schweißkopf wurden
Schweißstrom gemessen
kompensiert
wurde
- Vordruck der Spannzange erhöht
- kein Verrutschen des
Läufers beim Schweißprozess
- kein stufenförmiger
Abdruck auf der
Hakenoberfläche
Abb. 5-11 Übersicht zu Versuchen und Ergebnissen aufgrund der Parameteroptimierung
Während der Versuche wurden mehrfach Schweiß- und Gegenelektrode gewechselt. Es war
kein negativer Einfluss auf die Konstanz der Schweißungen zu erkennen.
5 Umrüstung der AWA- 353
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Programm 14 mit veränderten Parametern:
Abisolierimpuls
Schweißimpuls
Schweißkopf
links rechts
Lamelle
1. - 4. 1. – 4.
ISQ20- 6K
Programmvorwahl
14
14
Schließzeit
50
50
Vorhaltezeit
40
40
Stromanstiegszeit 1
20
20
Schweißzeit 1
40
40
Stromabfallzeit 1
5
5
Schweißleistung 1
1200 1200
Pausenzeit
0
0
Stromanstiegszeit 2
5
5
Schweißzeit 2
20
20
Stromabfallzeit 2
7
7
Schweißleistung 2
3900 4100
Nachhaltezeit
140
140
Auszeit
0
0
Impulswiederholung
1
1
Anpresskraft /- druck
2,55
2,55
ohne wegabhängige Stromabschaltung
ms
ms
ms
ms
ms
W
ms
ms
ms
ms
W
ms
bar
Abb. 5-12 Optimierte Parameter für die Serienschweißung

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