Entwicklung einer dynamisch regelbaren Nachsetzeinheit für das Widerstandsschweißen von Leichtmetallen und hochfesten Stählen

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1 Entwicklung einer dynamisch regelbaren Nachsetzeinheit für das Widerstandsschweißen von Leichtmetallen und hochfesten Stählen

2 magneticdrive Agenda Anforderung Schweißtechnik NIMAK-GmbH - Torben Laumann Auslegung eines Antriebes für eine Nachsetzeinheit - Dr. Ing. Rolf Hermann Praktische Anwendung in der Schweißtechnik NIMAK-GmbH - Torben Laumann

3 magneticdrive PKW Karosserien werden im Wesentlichen durch Punktschweißungen zusammengefügt. In kleinerem Umfang wird zusätzlich mit Schutzgas geschweißt, geclincht und geklebt.

4 magneticdrive Punktschweißen Beim Punktschweißen werden sich überlappende Bleche durch zwei Elektroden mit einem Pneumatikzylinder in einem Kraftbereich von 3 6 kn zusammengepresst und durch einen hohen Strom (10-50 ka) in einer Zeit von ms lokal erwärmt und stoffschlüssig miteinander verbunden Verschweißung von zwei Blechen

5 magneticdrive Buckelschweißen Beim Buckelschweißen wird ein vorgeformtes Bauteil (meist Mutter/ Schraube) mit angearbeiteten Schweißbuckeln auf ein Blechmaterial geschweißt. Die Schweißelektroden pressen die Bauteile durch eine pneumatischen oder servomotorischen Antrieb in einem Kraftbereich von kn zusammen. Durch einen hohen Strom ( ka) werden diese Schweißbuckel in kurzer Zeit ( ms) aufgeschmolzen und stoffschlüssig mit dem Blechmaterial verbunden Verschweißung von Bauteil und Blech

6 magneticdrive Anforderung ohne Pneumatik Schweißkraft >10kN df/dt = 5kN/100ms Nachsetzweg 5mm Schweißenergieeinsparung Taktzeitreduzierung Ergebnis >25kN df/dt = 5kN/20ms 8mm >15% >30% C-Gestell Maschine Pneumatisch C-Gestell Maschine magneticdrive

7 magneticdrive Agenda Anforderung Schweißtechnik NIMAK-GmbH - Torben Laumann Auslegung eines Antriebes für eine Nachsetzeinheit - Dr. Ing. Rolf Hermann Praktische Anwendung in der Schweißtechnik NIMAK-GmbH - Torben Laumann

8 Vorgehensweise der Auslegung 1. Auswahl technisches Prinzip 2. Auswahl Aktorprinzip 3. Auswahl und Auslegung Elektromagnet 4. Feindimensionierung 5. Elektronik Sensorik - Regelung 6. Ansteuerbeispiel 7. Realisierung 8. Zusammenfassung 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 8

9 1. Auswahl technisches Prinzip Technisches Prinzip 1 Charakteristik: F1, s1 F2, s2 Elektrode 1 F1, s1 p U,I Aktor Kontaktierbeweg. s1 ca. 155 mm Verriegelung Aktor Nachsetzbeweg. s2=3 5mm F2=6 10kN geregelt Hintereinanderanordnung der beiden Aktoren Aktor für Nachsetzbewegung sitzt auf Achse des Aktors f. die Kontaktierbewegung Verriegelung bei hydr. u. pneumat. Aktor erforderl. (Entkopplung bei Krafteinleitung) Der Aktor für die Nachsetzbewegung muss vom Aktor der Kontaktierbewegung mit bewegt werden (Masse) Volle Nennkrafterzeugung vom Aktor für die Nachsetzbewegung erforderlich Aktor für die Nachsetzbewegung befindet sich in unmittelbarer Nähe zum Schweißort Elektrode Steinbeis Bewegen durch Innovation 9

10 2./3. Auswahl Aktorprinzip und Elektromagnet Auswahl Aktorprinzip Elektromagnet, Tauchspule, Piezo, Wirbelstromantrieb, Auswahl und Auslegung Elektromagnet Rand- und Nebenbedingungen Nachsetzkraft: 10kN regelbar Nachsetzweg: 5mm Dynamik: df/dt=5kn/100ms, 1kN/10ms Änderung Einschalten: 500ms Spieldauer: 5s max. Umgebungstemperatur 40 C Auswahl Grundform Flachanker, Tauchanker, E-Magnet, U-Magnet,... Auswahl Material 11SMn oder vergleichbare Stähle 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 10

11 4. Feindimensionierung Dimensionierung der Abmessungen über das Prinzip gleicher Querschnittflächen Innendurchmesser mm 66 Außendurchmesser D a mm 188 Spulenhöhe max. zul. Raumtemperatur H rm mm o C max. zul. Übertemperatur üm K 150 Wärmeübergangswiderstand R K/W 1 Einschaltdauer ED % 10 Nennspannung V 40 Drahtnenndurchmesser mm 3,35 Windungszahl w 867 Durchflutung 20 A 51704,5 Übertemperatur K 145,1 Warmdurchflutung A D i U n d n ü w Warmdurchflutung w=31452 A dient zur Berechnung der Magnetkraftkennlinie mit FEM Startmodell Flachanker 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 11

12 4. Feindimensionierung 1. Schritt Suche nach dem Maximum der Hubarbeit durch Änderung des Kerndurchmessers d bei konstanten Außenabmessungen. Lösung d = 116 mm Magnetkraft-Luftspalt-Kennlinien Magnetkraft [N] Fm_1 Fm_2 Fm_3 Fm_4 Fm_5 Fm_6 Fm_7 Fm_8 Fm_9 Fm_10 Optimierung Start: 24,5 Nm 2,6 kn (5mm) Optimum: 77,5 Nm 7,9 kn (5mm) Luftspalt [mm] 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 12

13 4. Feindimensionierung 2. Schritt Suche nach dem Maximum der Hubarbeit durch Änderung der Außenabmessungen bei konstantem Kerndurchmessers d = 116 mm und konstantem Volumen Lösung d = 116 mm, Da = 300 mm, H = 106 mm Magnetkraft-Luftspalt-Kennlinien Magnetkraft-Luftspalt-Kennlinien Fm_9 Fm_91 Optimierung Magnetkraft [N] Magnetkraft [N] Fm_91 Fm_92 Fm_93 Fm_94 Fm_ Luftspalt [mm] Fm_92 Fm_93 Fm_94 Fm_95 Start: 77,5 Nm 7,9 kn (5mm) Optimum: 131,5 Nm 14,6 kn (5mm) Luftspalt [mm] 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 13

14 4. Feindimensionierung 3. Schritt Anpassung der Hubarbeit (Magnetkraft) an die Forderungen des Pflichtenheftes Skalierung nach der Methode der Ähnlichkeit Lösung Ergebnis: d = 96 mm, Da = 240 mm, H = 90 mm 10 kn bei 5 mm Luftspalt und maximale Hubarbeit zwischen 1 mm und 10 mm Luftspalt Magnetkraft-Luftspalt-Kennlinien Skalierung Magnetkraft [N] Fm_94 Fm_94_1 Start: 131,5 Nm 14,6 kn (5mm) Optimum: 81,6 Nm 10 kn (5mm) ,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Luftspalt [mm] 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 14

15 4. Feindimensionierung I. Verifizierung Kontrolle der Lösung mit dem Netzwerkmodell Sesam Nachweis der Lösung mit FEM, gute Übereinstimmung Messung der B-H-Kennlinie an ersten Teilen Musterbau Tausch der Kennlinien, Ergänzung der Werte bis 500 ka/m Messung der Erwärmung angenommen 1 k/w, mit Wasserkühlung 0,5 k/w Einbringen von geometrischen Änderungen quadratischer Querschnitt des Flachankers Konstruktive Gestaltung mit Wasserkühlung zuerst Kanäle mit Abdeckplatte, später Bohrungen Änderung der ED auf 5% Ergebnis der dynamische Untersuchungen, höhere Leistung möglich Schlußglühen der magnetischen Teile Kraftgewinn bis zu 20% Ergebnis: Notwendigkeit einer Feindimensionierung mit weiterer Skalierung 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 15

16 4. Feindimensionierung Ergebnis Simulation FEM 3D Konstruktives Modell Hauptabmessungen 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 16

17 4. Feindimensionierung II. Verifizierung Vergleich gemessene zu berechneten Magnetkräften Magnetkraft über Strom bei 4 mm Luftspalt (Strom von 130 A entsprechen 4 kw Verlustleistung bei 5 % ED im Warmzustand) 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 17

18 5. Elektronik Sensorik Regelung Wichtigste Kenndaten maximale Aktorspannung: 100 V / maximaler Aktorstrom: 200 A Systemkonzept Steuerteil vom Leistungsteil getrennt Mikrocontrollerplatine zusätzlich gesockelt Steuerteil Spannungsversorgung für Mikrocontroller, Analogteil galvanische Isolation zum übergeordneten System ggf. Pegelanpassungen Signalkonditionierung Schnittstellen/Transceiver Display, Taster Einstellregler für Regelparameter 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 18

19 5. Elektronik Sensorik Regelung Messsignale Klemmspannung des Aktors (z.b. LEM LV25-P) Aktorstrom (LEM, Sensitec z.b. CDS4100) Aktor-/Spulentemperatur Abschätzung durch Klemmspannungs- und Aktorstrommessung möglich Anbringen von Sensoren an den Aktor (ggf. bei neu aufzubauenden Aktoren z.b. PT100 mit einwickeln) Kraft-Sollwert 0..10V (=0..25kN) Kraft-Istwert Endstufentemperatur Wegsignal 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 19

20 5. Elektronik Sensorik Regelung 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 20

21 5. Elektronik Sensorik Regelung 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 21

22 6. Ansteuerbeispiel Magnetkraft F_6,5m m F_2,5m m Magnetkraft in N ,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 Zeit in s 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 22

23 6. Ansteuerbeispiel Strom I_ 6,5 m m I_ 2,5 m m Strom in A ,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 Ze it in s 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 23

24 7. Realisierung Musteraufbau Elektronik Musteraufbau Flachanker 130 mm 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 24

25 8. Zusammenfassung Systematische Untersuchungen zur Auswahl eines geeigneten Antriebs- und Aktorprinzips Auswahl und Auslegung eines Elektromagneten Kontrolle der Lösung mit Netzwerkmodell Sesam Experimentelle Untersuchungen Feindimensionierung Konstruktive Auslegung Berechnung der Dynamik mit FEM und Matlab / Simulink Entwurf der Elektronik und Regelung Test der Systeme 2014 Steinbeis Bewegen durch Innovation 25

26 magneticdrive Agenda Anforderung Schweißtechnik NIMAK-GmbH - Torben Laumann Auslegung eines Antriebes für eine Nachsetzeinheit - Dr. Ing. Rolf Hermann Praktische Anwendung in der Schweißtechnik NIMAK-GmbH - Torben Laumann

27 magneticdrive Entwicklung In ein Maschinengestell (1) ist als Energiequelle der Schweißtrafo (2) eingebaut. Über Strombänder (3) werden die Schweißelektroden (8) und (9) mit dem Trafo verbunden. Die obere Elektrode (9) wird von der Antriebseinheit (4) mit Beginn der Schweißung bewegt um die zu verbindenden Bauteile (10) von beiden Elektroden zu kontaktieren. Eine Klemmvorrichtung (5) blockiert nun den Antriebsstrang und die für die Schweißung erforderliche Kraftwirkung der Elektroden auf die Bauteile erzeugt ein Elektromagnet (6) mit Wirkung auf seinen beweglichen Anker (7). Hybridantrieb: Zustell- und Kraftaktor Prinzipzeichnung am Beispiel C-Gestell

28 magneticdrive Entwicklung Kraftregelung Geschlossener unabhängiger Regelkreis

29 magneticdrive Kraftregelung Joule sche Gesetz: Erstellen und Abfahren von Kraftprofilen Q = I 2 R t Q: erzeugte Wärme [Ws], [J] I: Strom [A] R: Widerstand [ ] t: Zeit [s]

30 magneticdrive Kraftregelung Aktive und variable Regelung der Elektrodenkraft Kraftaufbau ist unabhängig vom Hauptantrieb / Zustellantrieb Höchste Wiederholgenauigkeit beim Kraftaufbau ohne Verschleißabhängigkeit Aktive Beeinflussung der Kraft und dadurch des Widerstandes während der Schweißung Vermeidung des Kraftabrisses (Nachsetzbewegung) beim Punkt- und Buckelschweißen schont Elektroden und optimiert die Gefügeausbildung Genauere Dimensionierung der Kraft (Weniger Strom -> Energieeinsparung) Vorkonditionierung der Bauteile durch Kraftimpulse (bspw. Alu) Aktive, hochdynamische Schweißkraft

31 magneticdrive CH1: Schweißkraft CH2: Einsinkweg CH3: Schweißstrom Schweißkraft wird in den Schweißstrom gerampt

32 magneticdrive Beispiel Gewindeplatte Bessere Gefügeausbildung in der Schmelzzone Vollständige Materialvermischung in der Linse Bessere Reproduzierbarkeit / weniger Streuung Kein Materialverlust durch hochdynamisches Nachsetzverhalten Stromreduzierung von 65 ka auf 40 ka (- 38%) Schweißkraftreduzierung von 20 kn auf 12 kn (- 40%) Taktzeitreduzierung von 4 auf 2,1 Sekunden (- 47,5%) Steigerung der Schweißqualität

33 magneticdrive Leichtbau Optimal geeignet zum Einsatz im Leichtbau Verschweißung von Mischverbindungen Stahl / Alu oder Stahl / CFK durch Zusatzelemente (Widerstandselementschweißung) Verminderte Anlegierung der Bauteiloberfläche bei Punktschweißungen Sanftes Aufsetzen der Elektroden beim Buckelschweißen. Keine Verformung der Buckel vor der Schweißung und daher erstmalig schweißen von Aluminiumbuckeln möglich Verbesserte Möglichkeiten im Fügen von Leichtbauteilen

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Steinbeis Innovationszentrum Leiterin: Dipl.-Ing. C. Kallenbach Werner-von-Siemens-Str. 12, Ilmenau Fon: +49 (0) Fax: +49 (0) NIMAK - GmbH Werkstraße Wissen Fon: +49 (0) Fax: +49 (0) info@nimak.de