CN107107337B - 用于摆动焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助焊接工具(18)来摆动焊接至少一个工件(21)的方法，通过工业机器人(1)的机器人臂(1a)使焊接工具沿着被编程的轨迹自动地相对于工件(21)运动，并且在此，焊接工具在工件(21)上产生焊缝(25)，方法具有如下步骤：由机器人臂(1a)沿着被编程的轨迹实施被编程的进给运动；与进给运动同步地实施焊接工具(18)的摆动运动；在摆动运动达到其下一换向点(U)之前，在摆动周期(P1)内制动进给运动直至停止状态(S)；确定剩余偏移值(R)，所述剩余偏移值由处于停止状态中的第一位置(S)和处于摆动运动的下一换向点中的第二位置(U)来限定；以及利用取决于来自先前的摆动周期的所述剩余偏移值(R)被延迟的制动运动来制动紧接着的摆动周期(P2)中的进给运动。

Description

用于摆动焊接的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助焊接工具来摆动焊接至少一个工件的方法，通过工业机器人的机器人臂使该焊接工具沿着被编程的轨迹自动地相对于工件运动，并且在此，焊接工具在工件上产生焊缝。

背景技术

EP0767027A2描述了一种用于利用焊接工具来焊接、尤其是弧光-气体保护焊接一个或多个工件的方法，由操纵器沿着预先给定的轨迹引导该焊接工具，其中，该焊接工具实施机械式的摆动运动，在机械式地摆动时，该焊接工具沿遵循的轨迹有时候加速和/或制动和/或停住并且与此同时改变过程参数的数值，其中，在焊接部位上被引入的热能局部地和/或在时间上被改变以适配材料和/或工件的几何形状，使得不超过工件的热负荷能力。

发明内容

本发明的目的是提出一种改进的、用于借助被机器人引导的焊接工具来摆动焊接的方法，尤其是简化了工业机器人的程序设计，该工业机器人被设置用于摆动焊接。

本发明的目的通过一种用于借助焊接工具来摆动焊接至少一个工件的方法来实现，通过工业机器人的机器人臂使该焊接工具沿着被编程的轨迹自动地相对于工件运动，并且在此，焊接工具在工件上产生焊缝，该方法具有如下步骤：

–由机器人臂沿着被编程的轨迹实施被编程的进给运动，

–与进给运动同步地实施焊接工具的摆动运动，

–在摆动运动达到其下一换向点之前，在摆动周期内制动所述进给运动直至停止状态，

–确定剩余偏移值，该剩余偏移值由处于停止状态中的第一位置和处于摆动运动的下一换向点中的第二位置来限定，

–利用取决于来自先前的摆动周期的剩余偏移值被延迟的制动运动来制动紧接着的摆动周期中的进给运动。

具有配属的机器人控制器的机器人臂、尤其是工业机器人是工作机器，这些工作机器可配备有工具用以自动地处理和/或加工对象，并在多个运动轴线中例如关于方位、位置和工作进程可编程。工业机器人通常具有机器人臂，机器人臂带有多个通过关节连接的肢和可编程的机器人控制器(控制装置)，机器人控制器在运行期间自动控制或调节机器人臂的运动过程。通过驱动器、尤其是由机器人控制器所操控的电驱动器使肢尤其是关于工业机器人的运动轴线运动，这些运动轴线代表关节的运动自由度。

具有多个通过关节连接的肢的机器人臂可被配置为弯臂机器人，该弯臂机器人带有多个一连串地相继设置的肢和关节。

在焊接应用中，可使用所谓的“延迟摆动”。在此，焊接工具、例如焊接炬以与向前运动同步地或时间相同地、也就是说时间上彼此重叠地协调的方式被带入摆动运动并且在换向点上减速或停住，以便例如在其中引入更多的焊接材料或焊接能量。为了使机器人运动精确地在摆动运动的换向点上停住，必须在编程技术上在考虑到运动动力学的条件下提前开始用于所述运动的制动指令。迄今已知根据经验由运动速度、摆动频率和振幅所确定的时间常数或路程常数，借助于这些时间常数或路程常数来确定用于制动开始的时间点。因为时间常数或路程常数取决于运动参数，例如运动速度、摆动频率和振幅，所以这些时间常数或路程常数必须始终适配于对应的情况，这是不利的。

利用根据本发明的方法，可取消时间常数或路程常数必需适配于对应的运动参数，例如运动速度、摆动频率和振幅。取而代之，可自动地确定、尤其是计算用于制动指令开始的时间点。可通过路程常数开始第一制动，以便使焊接工具还在到达该摆动廓线(Pendelprofiles)的换向点之前就停住。在该制动和每个紧接着的制动结束之后，例如自动确定与摆动廓线的换向点的路程差。该路程差然后可用作针对算法的输入参数，该算法用于计算用于接着的制动的切换点。

例如沿着焊接接头部沿进给方向引导工业机器人的被编程的轨迹，以便产生焊缝，该工业机器人使焊接工具运动，该焊接工具可例如是弧光焊接嘴。因此，进给运动是沿进给方向、平行地沿着焊接接头部相对于工件调整弧光焊接嘴。除该进给运动外，焊接工具还实施摆动运动。摆动运动的特征在于，沿垂直于焊接接头部的方向相对于工件调整焊接工具。以与被编程的进给运动同步地或时间相同地、也就是说时间上彼此重叠地协调的方式自动地实施摆动运动。

在第一实施方式中，可基本上在与工件表面平行的平面中垂直于进给运动沿摆动方向实施摆动运动。可由工业机器人实施沿摆动方向的摆动，其方式为：借助对应的驱动马达，围绕对应的轴线来调整工业机器人的关节中的至少两个或更多个关节，使得焊接工具的工具参考点沿笛卡尔坐标方向在平面中根据摆动样式执行运动。摆动样式可例如是正弦波或锯齿形线。

替代于在沿笛卡尔坐标方向的平面中运动，可沿摆动方向由工业机器人通过如下方式实施摆动，即，工业机器人的仅一个平行于进给方向或平行于端面接合部取向的轴来回转动，使得焊接工具的杆实际上实施相应于物理学摆动的摆动运动。因此，在这些情况下横向于进给方向实施摆动运动。

如果焊接工具在制动结束之后未准确地处于换向点中，而是在前面一些，则得出剩余偏移值，该剩余偏移值由处于停止状态中的第一位置和处于摆动运动的下一换向点中的第二位置来限定。因此，在剩余偏移路程的情况下，这点例如为第一位置与第二位置之间的剩余的路程差。根据本发明，然后在紧接着的摆动周期中，利用取决于来自先前的摆动周期的剩余偏移值被延迟的制动运动来执行进给运动的制动。替代于剩余偏移路程，剩余偏移值也可为剩余偏移持续时间。

一般而言，基础的进给运动的特征是恒定的速度，利用该恒定的速度，机器人臂使焊接工具平行于工件的棱边或缝隙运动，在该棱边或该缝隙处应由焊接工具产生焊缝。借助至少一个程序指令，该基础的进给运动在机器人程序中通常被预先给定作为被编程的轨迹。

在机器人控制软件中，除这种用于产生被编程的轨迹的一般性的程序指令外，焊接应用也可以是机器人控制软件的一部分，由该焊接应用来提供附加的特定于焊接应用的程序指令。这种特定于焊接应用的程序指令的特殊类属可包括焊缝样式。在此，可预先给定多个各种各样的可选择焊缝样式。这种焊缝样式通常由重复的序列构成，也就是说由同样的单个样式的循环构成。这点例如可以是正弦波、三角形(锯齿形线)、梯形和/或其螺旋形。在摆动焊接中，焊接工具的相应的摆动运动相应于这种焊缝样式呈摆动运动形式与进给运动叠加。

在摆动焊接的一特殊的类型中，为了实现特别的焊缝，焊接工具的运动在该焊缝样式的换向点处停住，使得在该处带入特别多的焊接能量。在正弦振荡的情况下，换向点可例如被理解为振幅。在三角形(锯齿形线)的情况下，换向点由三角形或锯齿形线的尖端形成。

为了现在使焊接工具在换向点处至少明显地减速或甚至完全停住，例如停住持续大约0.1秒至大约2.0秒、尤其是停住持续大约1.0秒，进给运动被制动。可由在机器人程序中单独设置的制动指令来引起、也就是说发起制动。然后根据制动廓线进行制动。制动廓线的特征一般在于制动起始的时间点、初速和直至停止状态的制动持续时间、也就是负加速度的数值。

因此，取决于制动廓线的类型，焊接工具在进给位置中或早或迟地停止。理想地，焊接工具应准确地在摆动运动的换向点中达到停止状态。在焊接工具在换向点中或至少靠近换向点停止之后，焊接工具应在该处例如停留持续大约0.1秒至大约2.0秒、尤其是停留持续大约1.0秒，并且然后又自动地根据机器人程序开动，以便在紧接着的摆动周期中实施呈所选择的焊缝样式形式的紧接着的摆动运动。

如果焊接工具在第一摆动周期中根据第一制动廓线未准确地在换向点中停止，而是在留下剩余偏移路程或剩余偏移时间的条件下在到达换向点之前停止，则在紧接着的第二摆动周期中根据第二制动廓线更迟地或更慢地制动焊接工具，使得焊接工具在第二摆动周期中比第一摆动周期更迟地停止。这点意味着，在第二摆动周期中执行了相对于第一摆动周期被延迟的制动运动。因此，被延迟的制动运动不仅被理解为直至停止状态的制动持续时间延长、也就是负加速度的数值被减少，而且也被理解为替代或补充于适配制动持续时间，尤其是使制动起始的时间点处于更迟的时间点。这全都可通过尤其是机器人控制器中的控制算法自动地进行，根据本发明的多个方法中的一个方法来设计和/或编制该控制算法。

被延迟的制动可被设计为，使得进给运动以比先前的摆动周期的之前所实施的进给运动更小的剩余偏移值在摆动运动的换向点之前达到停止状态。

利用根据本发明的方法，由此可自动地优化制动运动，以便使焊接工具停止状态的时刻和/或位置至少尽可能地靠近或甚至准确地处于摆动运动的换向点。通过焊接工具的停止状态位置的这种自动接近摆动运动的换向点，可省略否则手动必需的调整措施或机器人程序的适配。

剩余偏移值可以是被编程的轨迹上的、从处于停止状态中的第一位置通往处于摆动运动的下一换向点中的第二位置的剩余偏移路程。

替代于剩余偏移路程，剩余偏移值可以是被编程的轨迹走向的从第一位置通往处于摆动运动的下一换向点中的第二位置的剩余偏移持续时间。

剩余偏移值、尤其是剩余偏移路程或剩余偏移持续时间可由焊接工具的当前摆动偏移和处于摆动运动的换向点中的最大摆动偏移来确定。

因此，可例如将机器人控制器和/或机器人控制软件设计和/或编制为，将值1配属给最大摆动偏移并将值0配属给未偏移状态。类似于0％与100％之间的百分值，由此可将0与1之间的中间值配属给当前的摆动偏移，例如值0.5为50％的摆动偏移并且值0.75为75％的摆动偏移。基于该因子，可在用于确定、尤其是用于计算制动开始时间点和/或直至停止状态的制动持续时间的现有算法中由给定的行驶速度计算出或至少外推出新的、适配的制动开始时间点和/或新的、适配的制动持续时间。

焊接工具的当前摆动偏移可在停止状态的第一位置中被确定、尤其是被测量，与处于摆动运动的换向点中的最大摆动偏移确立成比例，并且基于该比例值和基于为了达到处于停止状态中的第一位置而已经实施的制动运动来确定被延迟的制动运动。

因此，跟第一制动廓线相比被改变的第二制动廓线可被改变其制动起始的时间点和/或其直至停止状态的制动运动的持续时间。

跟第一制动廓线相比被改变的第二制动廓线可通过所述制动起始的适配来改变，更确切地说通过如下方式来改变，即，起初的制动运动的在机器人程序中所给定的时间点或所给定的偏移位置值也为了利用被改变的第二制动廓线的紧接着的制动运动被考虑用于操控机器人臂，但是是在考虑到加上取决于剩余偏移值被确定的偏离值的条件下。

在一般性地可应用的第一变型中，可横向于进给方向实施摆动运动。

在替代的或补充第一变型的一般性地可应用的第二变型中，可沿着进给方向实施摆动运动。因此，也可设置同时的纵向摆动和横向摆动。

附图说明

参照附图在下面的说明中详细解释本发明的具体实施例。该示例性实施例的具体特征可示出本发明的一般性特征，不取决于这些具体特征在哪个具体关系中被提及，必要时也单独或组合地考虑这些具体特征。

附图中示出：

图1为示例性、承载焊接工具的工业机器人的立体图，该工业机器人具有机器人臂和操控该机器人臂的机器人控制器，

图2为工件处的、根据图1的焊接工具的焊接嘴的放大局部立体图，

图3为根据本发明的方法的步骤的流程示意图，和

图4为具有进给运动和摆动运动的叠加运动的单个摆动周期的示意图。

具体实施方式

图1示出工业机器人1，该工业机器人具有机器人臂1a和操控机器人臂1a的机器人控制器1b，该工业机器人带有机器人臂1a，该机器人臂包括基础台座2，在该基础台座上围绕第一竖直轴线A1可转动地安置转台3，并且借助第一驱动马达M1来转动驱动该转台。在转台3上围绕第二水平轴线A2上下可摇摆地安置摇臂4，并且借助第二驱动马达M2来转动驱动该摇臂。摇臂4承载悬臂5，该悬臂围绕第三水平轴线A3可摇摆地被安置，并且借助第三驱动马达M3来转动驱动该悬臂。悬臂5具有法兰6，该法兰将悬臂5联接到摇臂4上。在法兰6的背向摇臂4的侧上设置第四轴线A4，该第四轴线沿悬臂5的纵向延伸部延伸并通过第四驱动马达M4来转动驱动悬臂5的基体7。从基体7向前沿工业机器人1的手10的方向叉状延伸悬臂5的第一腿8和悬臂5的第二腿9。这两个腿8和9分别具有固定端部11、12和自由端部13、14。通过固定端部11、12将这两个腿8和9紧固在基体7上。自由端部13、14承载用于手10的自由端部15和16的支承件。该支承件限定了工业机器人1的第五轴线A5，借助第五驱动马达M5可使手10围绕该第五轴线可摇摆地运动。补充地，手10具有第六轴线A6，以能够借助第六驱动马达M6可转动地驱动紧固法兰17。在所示示例中，紧固法兰17承载弧光焊接嘴18a，该弧光焊接嘴代表工业机器人1的焊接工具18。悬臂5的中央区域中的布线19从弧光焊接嘴18a向后延伸到过程控制装置20。通过过程控制装置20，可例如将保护气体和焊条供给到弧光焊接嘴18a。

在图2中示出根据图1的焊接工具18的示例性的弧光焊接嘴18a，该弧光焊接嘴在工件21上处于典型的停止状态位置中。工件21包括第一构件21a，该第一构件应通过焊接来与第二构件21b沿着端面接合部22连接。

使弧光焊接嘴18a运动的工业机器人1的被编程的轨迹沿进给方向V沿着端面接合部22引导，以便产生焊缝25。因此，进给运动是相对于工件21平行地沿着端面接合部22沿进给方向V调整弧光焊接嘴18a。除该进给运动外，弧光焊接嘴18a还实施摆动运动。摆动运动的特征是，相对于工件21沿垂直于端面接合部22的方向调整弧光焊接嘴18a。在本实施例的情况下，基本上在与工件21的表面平行的平面中垂直于进给运动沿摆动方向P实施摆动运动。沿摆动方向P的摆动可由工业机器人1以如下方式实施，即借助对应的驱动马达M1-M6，围绕对应的轴线A1-A6来调整工业机器人1的至少两个或更多个关节，使得弧光焊接嘴18a的工具参考点TCP沿笛卡尔坐标方向在平面中根据摆动样式执行运动。摆动样式可例如是正弦波或如图2中所示的锯齿形线23。替代于在沿笛卡尔坐标方向的平面中的运动，可沿摆动方向P由工业机器人1通过如下方式实施摆动，即，工业机器人1的仅一个平行于进给方向V或平行于端面接合部22取向的轴来回转动，使得弧光焊接嘴18a的杆24实际上实施相应于物理学摆动的摆动运动。因此，在这些情况下横向于进给方向实施摆动运动。

图2示出在摆动运动到达其下一换向点U之前，在摆动周期内根据第一制动廓线制动进给运动直至停止状态之后的焊接工具18，也就是说处于停止状态中的第一进给位置S中的弧光焊接嘴18a，在该第一进给位置中，焊接工具18、也就是说弧光焊接嘴18a处于停止状态。

如果焊接工具18、也就是说弧光焊接嘴18a在制动结束之后未准确地处于换向点U中而是如图2所示那样在前面一些，则得出剩余偏移值R，该剩余偏移值由处于停止状态中的第一位置S和处于摆动运动的下一换向点中的第二位置U来限定。在剩余偏移路程Rx的情况下，这因此例如为第一位置S与第二位置U之间的剩余的路程差dx。根据本发明，然后在紧接着的摆动周期P2中，利用取决于剩余偏移值R被延迟的制动运动来执行进给运动的制动。但是替代于剩余偏移路程Rx，剩余偏移值R也可为剩余偏移持续时间Rt。一般性地，焊缝25的几何尺寸、锯齿形线23的几何尺寸和构件21a、21b的几何尺寸未与比例尺完全相符地并且也未在实际的尺寸比例中示出，而是为了解释和更好的可见性被相应地如图所示那样被适配。

相应地，图3在流程示意图中示出借助焊接工具18来摆动焊接至少一个工件21的方法，通过工业机器人1的机器人臂1a使该焊接工具沿着被编程的轨迹自动地相对于工件21运动，并且在此，该焊接工具在工件21上产生焊缝25，该方法具有如下步骤：

由机器人臂1a沿着被编程的轨迹实施进给运动(S1)，

在进给运动期间实施焊接工具18的摆动运动(S2)，

在摆动运动达到其下一换向点U之前，在摆动周期P1内根据第一制动廓线来制动进给运动直至停止状态S(S3)，

确定剩余偏移值R，该剩余偏移值由处于停止状态中的第一位置S和处于摆动运动的下一换向点中的第二位置U来限定(S4)，和

利用取决于来自先前的摆动周期的剩余偏移值R被延迟的制动运动来制动紧接着的摆动周期P2中的进给运动(S5)。

在图4中示意性示出具有进给运动V和摆动运动P的叠加运动的单个摆动周期P1。剩余偏移值R可尤其是剩余偏移路程Rx或剩余偏移持续时间Rt，由处于焊接工具18的停止状态中的第一位置S中的当前摆动偏移和处于摆动运动的换向点U中的最大摆动偏移来确定该剩余偏移值，在本实施例的情况下，因此由以100％表示的换向点U中的最大摆动偏移和以示例性地90％表示的处于焊接工具18的停止状态中的第一进给位置S中的当前摆动偏移来确定。为了达到处于停止状态中的期望的换向点U，在本实施例中因此还剩10％的剩余偏移值R。

处于焊接工具18的停止状态中的第一位置S中的当前摆动偏移因此与处于摆动运动的换向点U中的最大摆动偏移确立成比例。基于该比例值(90比100)和基于为了达到处于停止状态中的第一位置已经实施的制动运动来确定被延迟的制动运动。

跟第一制动廓线相比被改变的第二制动廓线例如可通过所述制动起始的适配来改变，更确切地说通过如下方式来改变，即，起初的制动运动的在机器人程序中所给定的时间点或所给定的偏移位置值下也为了利用被改变的第二制动廓线的紧接着的制动运动被考虑用于操控机器人臂，但是是在考虑加上取决于剩余偏移值被确定的偏离值(10％)的条件下。

Claims (14)

1.一种用于摆动焊接的方法，所述方法用于借助焊接工具(18)来摆动焊接至少一个工件(21)，通过工业机器人(1)的机器人臂(1a)使所述焊接工具沿着被编程的轨迹自动地相对于所述工件(21)运动，并且在此，所述焊接工具在所述工件(21)上产生焊缝(25)，所述方法具有如下步骤：

–由所述机器人臂(1a)沿着所述被编程的轨迹实施被编程的进给运动，

–与所述进给运动同步地实施所述焊接工具(18)的摆动运动，

–在所述摆动运动达到其下一换向点之前，在摆动周期(P1)内根据第一制动廓线来制动所述进给运动直至停止状态，

–确定剩余偏移值(R)，所述剩余偏移值由处于停止状态中的第一位置(S)和处于所述摆动运动的下一换向点中的第二位置(U)来限定，

–利用取决于来自先前的摆动周期的所述剩余偏移值(R)被延迟的制动运动来制动紧接着的摆动周期(P2)中的所述进给运动。

2.根据权利要求1所述的用于摆动焊接的方法，其中，所述被延迟的制动运动被设计为，使得所述进给运动以比先前的摆动周期(P1)的之前所实施的进给运动更小的剩余偏移值(R)在所述摆动运动的换向点之前达到停止状态。

3.根据权利要求1或2所述的用于摆动焊接的方法，其中，所述剩余偏移值(R)是所述被编程的轨迹上的、从处于停止状态中的第一位置(S)通往处于所述摆动运动的下一换向点中的第二位置(U)的剩余偏移路程(Rx)。

4.根据权利要求1或2所述的用于摆动焊接的方法，其中，所述剩余偏移值(R)是被编程的轨迹走向的从所述第一位置(S)通往处于所述摆动运动的下一换向点中的第二位置(U)的剩余偏移持续时间(Rt)。

5.根据权利要求1或2所述的用于摆动焊接的方法，其中，所述剩余偏移值(R)由所述焊接工具(18)的当前摆动偏移和处于所述摆动运动的换向点中的最大摆动偏移来确定。

6.根据权利要求5所述的用于摆动焊接的方法，其中，所述焊接工具(18)的当前摆动偏移在停止状态的第一位置(S)中被确定，与处于所述摆动运动的换向点中的最大摆动偏移确立成比例，并且基于比例值和基于为了达到处于停止状态中的第一位置(S)而已经实施的制动运动来确定所述被延迟的制动运动。

7.根据权利要求1或2所述的用于摆动焊接的方法，其中，将跟第一制动廓线相比被改变的第二制动廓线改变其制动起始的时间点和/或其直至停止状态的制动运动的持续时间。

8.根据权利要求7所述的用于摆动焊接的方法，其中，通过所述制动起始的适配来改变跟所述第一制动廓线相比被改变的第二制动廓线。

9.根据权利要求1或2所述的用于摆动焊接的方法，其中，横向于进给方向实施所述摆动运动。

10.根据权利要求1或2所述的用于摆动焊接的方法，其中，沿着所述进给方向实施所述摆动运动。

11.根据权利要求3所述的用于摆动焊接的方法，其中，所述剩余偏移路程(Rx)由所述焊接工具(18)的当前摆动偏移和处于所述摆动运动的换向点中的最大摆动偏移来确定。

12.根据权利要求4所述的用于摆动焊接的方法，其中，所述剩余偏移持续时间(Rt)由所述焊接工具(18)的当前摆动偏移和处于所述摆动运动的换向点中的最大摆动偏移来确定。

13.根据权利要求6所述的用于摆动焊接的方法，其中，所述焊接工具(18)的当前摆动偏移在停止状态的第一位置(S)中被测量。

14.根据权利要求8所述的用于摆动焊接的方法，其中，通过所述制动起始的适配来改变跟所述第一制动廓线相比被改变的第二制动廓线，通过如下方式来改变，即，也为了利用被改变的第二制动廓线的紧接着的制动运动，将起初的制动运动在机器人程序中所给定的时间点或所给定的偏移位置值考虑用于操控所述机器人臂(1a)，但是是在考虑加上取决于剩余偏移值(R)被确定的偏离值的条件下。

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