DD155147A1

DD155147A1 - Verfahren zur automatischen nachfuehrung eines schweissbrenners

Info

Publication number: DD155147A1
Application number: DD22587280A
Authority: DD
Inventors: Klaus R Schulze; Gerhard Schermer; Dieter Schilling; Guenter Hesse
Original assignee: Klaus R Schulze; Gerhard Schermer; Dieter Schilling; Guenter Hesse
Priority date: 1980-12-09
Filing date: 1980-12-09
Publication date: 1982-05-19
Also published as: DE3127608A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Nachfuehrung eines Schweissbrenners entlang einer Nahtkehle oder Nahtfuge bei der Ausfuehrung von Mehrlagenschweissungen oder Pendelnaehten unter Verwendung von Abstandssensoren. Durch die Erfindung soll eine automatische Positionierung eines Schweisskopfes fuer jede Nahtlage einer Mehrlagenschweissung ermoeglicht und eine Pendelbewegung entsprechend der jeweiligen Nahtbreite erzeugt und nachgesteuert werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand jeweils eines wirksamen Sensorpaares von den Bauteiloberflaechen und/oder Bauteilhilfsflaechen stufenweise oder stetig veraendert oder die geometrische Abstandsaenderung elektronisch simuliert wird. Das kann durch stufenweise Anordnung von Sensoren, welche wahlweise eingeschaltet werden, durch verschieblich gelagerte Sensoren, beispielsweise durch Verschiebung mit Hilfe einer Viergelenkkette oder durch elektrische Addition einer Hilfsspannung zum analogen Signal eines oder mehrerer Sensoren und gegebenenfalls durch die Kennlinien des Sensors beeinflussende Massnahmen geschehen.

Description

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Verfahren zur automatischen Nachführung eines Schweißbrenners

.Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Nachführung eines Schweißbrenners entlang einer Nahtkehle oder Nahtfuge bei der Ausführung von Mehrlagenschweißungen oder Pendelnähten unter Verwendung von Abstandssensoren, insbesondere für die Anwendung im Schiffs-, Maschinen-, Stahl- und Stahlhochbau.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für das Schweißen dicker Nähte, insbesondere beim Schweißen von Kehlnähten mit großen Nahtdicken ist beim gegenwärtigen Stand der Technik ein mehrlagiger Nahtaufbau unumgänglich. Die einzelnen Nahtlagen werden linienförmig oder zur Verbesserung des Nahtaufbaues pendelnd geschweißt» Bei diesen Arbeitsvorgängen wird der Schweißbrenner entlang der Nahtkehle mit Hilfe mechanischer Mittel oder elektrisch unter Verwendung von Abstandssensoren nachgeführt,welche über bekannte elektronische Mittel die .Antriebe der Torschubeinrichtung des Schweißbrenners nachsteuern_o !Die Nachführung erfolgt hierbei in der Hegel unmittelbar entlang zweier, insbesondere senkrecht zueinander stehender Bauteilflächen, beispielsYfeise entlang von Gurt und Steg eines Trägers, so daß das automatis ehe Schweißen der Nahtwürzel sehr einfach ermöglicht wird_e BeimSchweißen der Decknähte macht sich hingegen eine Seitenverstellung des Schweißbrenners erforderlich. Dafür sind Einrichtungen bekannt, welche über einen Spindeltrieb eine Lageveränderung des Schweißbrenners vorzunehmen gestatten ο Nach jeder Schweißnahtlagejwird vom Schweißer der Brenner für das Schweißen der nächsten Lage eingestellt»

Sofern, wie bei der Ausführung von senkrechten Kehlnähten, eine zusätzliche Pendelbewegung des Schweißbrenners erforderlich ist, kommen zusätzliche kinematische Systeme zur .Anwendung, welche eine der Nahtform und Nahtbreite anpaßbare Pendelbewegung ermöglichen«, Sie sind im allgemeinen als Kurvenoder Exzentertriebe mit Stelleinrichtungen und in seltenen Fällen als magnetische Antriebsmechanismen aufgebaute Der Nachteil aller dieser Stell- und Pendeleinrichtungen besteht in dem hohen getriebetechnischen Aufwand, Weiterhin haben alle bekannten Lösungen den Nachteil, daß die in der Nahtfuge vorliegenden Toleranzen nicht ausgesteuert werden

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können. So wird bei Veränderung der Spaltbreite eine Nachstellung der Pendelamplitude und gegebenenfalls gleichzeitig bei abweichendem Nahtverlauf eine Nahtnachsteuerung erforderlich.

Eine automatische Nahtnachsteuerung entsprechend' dieser auftretenden Störgrößen gilt bisher als ungelöst, so daß derartige Sohweißgeräte oder Schweißanlagen nur unter ständiger Beobachtung eines Schweißers zu betreiben sind, welcher manuell die geometrische Lage des Schweißkopfes und ggf. die Pendeleinrichtung nachstellt.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches eine automatische Positionierung eines Schweißkopfes für jede Nahtlage einer Mehrlagenschweißung ermöglicht, die Pendelbewegung entsprechend der Nahtbreite erzeugt und nachsteuert und den Schweißkopf entsprechend des tatsächlichen Nahtverlaufes führt.

Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von Sensoren einen Brenner entlang einer Nahtkehle oder Nahtfuge unter Berücksichtigung der Einzelnaht beim Mehrlagen- . schweißen zu führen und gleichzeitig die Pendelamplitude des Schweißbrenners den Schweißspalttoleranzen anzupassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, indem der Abstand jeweils eines wirksamen Sensorpaares von den Bauteil-

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oberflächen und/oder Bauteilhilfsflächen stufenweise oder stetig verändert oder die geometrische Abstandsänderung elektronisch simuliert wird. Als Sensoren v/erden in diesem Zusammenhang vorzugsweise Abstandssensoren bekannter Bauart verstanden« Als Bauteiloberflächen gelten beispielsweise Steg und Flansch eines Trägers, die durch eine Kehlnaht miteinander verbunden werden. Die Sensoren stehen in diesem Falle in einem Winkel von 90° zueinander. Bei Stumpfnahtverbindungen in einer Blechebene tastet ein Sensor die Blechoberfläche in Schweißnahtnähe ab_s während der komplementäre Sensor entlang der Oberfläche einer parallel zur Bezugsfläche verlaufenden Naht geführt wird. Als Bauteilhilfsfläche kommt beispielsweise eine parallel zur Schweißnaht verlaufende Schnittfläche der stumpf zu verbindenden Bleche zum Einsatz·

Wenn eine derartige Hilfsflache nicht zur Verfügung steht, kann auf eine parallel zur Schweißnaht liegende Kopierschiene zurückgegriffen werden.

Eine Abstandsänderung der Sensoren von den Bauteiloberflächen oder deren Simulierung ist auf folgenden Wegen möglichι

Bei einer mit unterschiedlichen Abständen gestaffelten Sensorgruppe, der eine ebensolche Gruppe komplementärer Sensoren zugeordnet ist, deren Wirkungsrichtungen jeweils in der Richtung der nachzustellenden Bewegung (bei Kehlnähten beispielsweise in x- und y-Richtung) liegen, wird jeweils nur ein komplementäres Sensorpaar eingeschaltet. Durch eine Umschaltung auf ein anderes Sensorpaar mit einem anderen Abstand zur Bauteiloberfläche wird der Nachsteuervorgang des Schweißkopfes auf eine andere Nahtlage ermöglicht.

Nach einer v/eiteren Ausführungsform erfolgt eine geradlinige Verschiebung eines Sensors oder Sensorpaares relativ zum Schweißbrenner in Richtung der nachzustellenden Bewegung. Beim Einsatz.von zwei senkrecht zueinander wirkenden Sensoren kann man durch verschiedene Verschiebewege parallel verschobene Nähte unter Berücksichtigung von Toleranzen herstellen.

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Diese Verschiebung kann verwirklicht werden durch Schrittmotor mit Spindel, pneumatische oder hydraulische Zylinder oder durch Hubmagnete.

Darüberhinaus ist es möglich, den Sensor oder ein Sensorpaar durch eine geradlinig in Achsrichtung des Brenners verschiebbare kinematische Yiergelenkkette zu verstellen. Das Antriebsglied des Viergelenks wird durch einen Schrittmotor betrieben. Das angetriebene Glied, dessen fester Drehpunkt möglichst nahe am Brennerende (Kontaktdüse) angeordnet sein soll, ist ein gleichschenkliger rechter Winkel,an dessen Enden die Sensoren befestigt sind« Die geradlinige Verschiebung des Viergelenks kann wie oben erwähnt, verwirklicht werden.

Das elektrische Simulieren einer Sensor-Abstandsänderung von dem Bauteil geschieht insbesondere durch die elektrische Addition einer geeigneten Spannung zu dem im Bereich des Sollabstandes analogen Ausgangssignal eines starr mit dem Brenner verbundenen Sensors, bedingt dadurch, daß die elektrisch angesteuerte Verstelleinrichtung auf einen bestimmten Signalpegel als neutralen Wert eingestellt ist, führt diese Spannungsüberlagerung zu einer Korrekturbewegung der Verstelleinrichtung, so lange, bis das eigentliche Sensorausgangssignal die Zusatzspannung kompensiert hat, woraus sich effektiv ein veränderter Sollabstand ergibt,oder aber es erfolgt die Veränderung der Größe eines oder mehrerer den Kennlinienverlauf des starr mit dem Brenner verbundenen Sensors wesentlich beeinflussender Bauelemente in der Art, daß sich dadurch derjenige Punkt der.Kennlinie, der dem Sollwert entspricht, zu größeren oder kleineren Abständen verschiebt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

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In den dazugehörenden Zeichnungen zeigen?

Fig. 1ϊ Eine Sensoranordnung in geometrisch gestaffeltem Aufbau

Fig« 2 g Das Schema einer Mehrlagen-Kehlnahtschweißung mit verschieblichen Sensoren

Fig. 3* Die Lageveränderung zweier Sensoren mit Hilfe einer Yiergelenkkette

Fig. 4» Die Kennlinie eines Abstandssensors

Fig« 5§ Eine Arbeitspunktverschiebung mit Hilfe einer Hilfsspannung U

Fig. 6s Die Erzeugung der Hilfsspannung U mit

Hilfe einer Operationsverstärkerschaltung

Fig. 7s Eine Aussetzoszillatorschaltung mit Einstellung des Kennlinienverlaufs«

In Fig* 1 sind zur Herstellung der parallel zueinander verlaufenden Schweißnahtlagen 1 bis-4 Sensoren 6 bis 11 an einem Schweißbrenner 5 so angeordnet, daß die Staffel 65 7; 8 rechtwinklig zur Staffel 9$ 105 11 wirkt. Beim Schweißen der Nahtlage 1 sind die Sensoren 6 und 9 wirksam, beim Schweißen der Nahtlage 2-wird auf die Sensoren 6 und 11, bei der Nahtlage auf die Sensoren 7 und 10 und beim Schweißen der Naht 4 auf die Sensoren 8 und 9 umgeschaltet. Durch verschiedene Abstände der Sensoren lassen sich unterschiedliche Mehrlagenprogramme verwirklichen.

Die in Figur 2. durch die Schweißnahtlagen 1 bis. 4 gebildete Mehrlagenschweißung wird hergestellt, indem die Sensoren 6 und

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durch, einen Schiebemechanismus relativ zum Brenner 5 bewegt werden, Wird z» B, der Sensor 6 in positiver X-Richtung bewegt, fährt der Brenner 5 um den gleichen Betrag in nagativer X-Richtung

In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Brenner

5 durch ein in Richtung der Brennerlängsachse verschiebbares Yiergelenk gesteuert, wobei an einem Winkelhebel 12 Sensoren

6 und 7 befestigt sind.

Das Viergelenk besteht aus dem in Richtung der Brennerlängsachse verschiebbaren "festen" Glied 15, dem ,antriebsglied 13, das durchemen Schritt- oder Stellmotor betrieben wird, dem Übertragungsglied 14 und dem angetriebenen Glied 12, das als Winkelhebel, an dem die Sensoren 6 und 7 befestigt sind, ausgebildet ist. Bei Drehung des Antriebsgliedes 13 werden die Sensoren 6 und 7 der Werkstückoberfläche genähert oder entfernt. Dabei bewirken die Stellantriebe des Roboters eine Änderung der Brennersteilung. Die Längsverschiebung des festen Gliedes 15 ermöglicht eineparallele Verschiebung der durch das freie Drahtende erzeugten Kurve. Damit v/ird eine Mehrlagenschweißung möglich.

Zur elektronischen Simulation einer geometrischen Abstandsänderung eines Sensors von Bauteiloberflächen werden in den folgenden Beispielen Abstandssensoren verwendet, die in Abhängigkeit von der in der Wirkungsrichtung gemessenen Entfernung d zu einer metallischen Fläche ein analoges Signal U = f (d) liefern, mit welchem die elektrischen Stellglieder für die Brennerführung angesteuert werden.

Das Sensorsignal möge nach Fig. 4 bei einem bestimmten Sollabstand do den Wert U = f (do) = 0 annehmen und innerhalb einer gewissen Abstandsvariation Ad eindeutige Werte U = f (dp < 0 für Cl₁ < do und U₅ = ί (d_£) VO für d_£ >do. Für das Schweißen mehrerer Nahtlagen 1j 2; 3j 4 wird der Schweißbrenner 5 durch entsprechende Änderungen der Sollabstände do zweier Sensoren, beispielsweise bei Beschränkung auf ein Sensorpaar nach Fig. 1 der Sensoren 8; 11 in die jeweils erforderliche Positon relativ zur geometrischen Kehle

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mit Hilfe der nicht dargestellten Antriebsmechanismen "bewegt und dort geführt.

Der Sollabstand do ist nach Fig« 4 elektromechanisch dadurch charakterisiert, daß die elektrische Verstelleinrichtung bei verschwindendem analogen Signal U_ keine mechanische Bewegung

der betreffenden Achse zuläßt.

Nach Fig. 5 wird dem analogen Signal U des Sensors 8 oder des

Sensors 11 eine geeignete Hilfsspannung U überlagert, deren Wert im Bereich von U > «s IL < U_ max liegt· Damit entsteht

eine Summenspannung U · = U + U_n,, die für einen von der Hilfsgas & ζ

spannung U„ abhängigen Abstand d": gleich Null wird und als Sin-ζ ο

gangssignal für die Stelleinrichtung zur Verfugung steht. Im Bereich der Abstandsvariation Ad wirkt damit dg als neuer_? veränderter Sollabstand

Zu beachten ist dabei, daß die Beträge der Grenzwerte U ,

bzw. U _ „ noch hinreichend groß sind, damit als Bingangss max

signal für den betreffenden Antriebsregler bei Abstandsabweichungen vom Sollabstandsjd noch eine genügend große Spannung zur Verfugung steht, um die Korrekturbewegung mit der erforderlichen Geschwindigkeit ausführen zu können« Realisiert wird die Erzeugung der verschiedenen Spannungen U im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 durch einen mittels des Schalters K 2 umschaltbaren Spannungsteiler, welcher eingangsseitig mit einer festen Gleichspannung V gespeist wird, deren Polarität mit Hilfe des Umschalters K 1 verändert werden kann,, Die Addition des analogen Signals U und Hilfsspannimg U er-

s ζ

folgt mit Hilfe eines als Summierer betriebenen Operationsverstärkers 16, an dessen Ausgang U abgenommen und auf den Ein-

gss

gang.des Stellgliedes geleitet wird»

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Kennlinienverlauf des Abstandssensörs verändert. Fig. 7 zeigt schematisch den veränderten Aufbau des Sensors, der beispielsweise als Einzelexemplar eines Sensorpaares 8} 11 - bei Beschränkung auf die Verwendung von nur einem Sensorpaar - gemäß Fig. 1 eingesetzt werden kann.

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Die durch. Variation der Parameter eines Bauelementes des Sensors erzielte Änderung des Kennlinienverlaufs wird in diesem Beispiel erreicht durch die mittels des Schalters K 3 realisierte Umschaltung auf verschieden dimensionierte Ohmsche Dämpfungswiderstände Ej R, J R , welche als Dampfungsglieder in einem elektronischen Oszillator fungieren, dessen Gesamfbedämpfung und damit dessen Gleiclistromaufnähme analog verändert wird durch die Annäherung des Oszillatorspulensystems an eine bzw. Entfernung von einer Metallflache j die Stromänderung bei konstanter Betriebsspannung U_B wird über eine Brückenschaltung in bekannter Weise in eine entsprechende Änderung des analogen Signals U umgesetzt.

Auf diese Weise läßt sich der Sollabstand, d, iu derjenige Kennlinienpunkt mit dem Wert Null für die Sensorausgangsspannung, eines solchen, nach dem Prinzip des Abreißoszillators arbeitenden Abstandssensors innerhalb eines gewissen Bereiches verändern.

Für das Pendeln des Schweißbrenners kann die Veränderung des Sollabstandes nach den gleichen Lösungen erfolgen» Nur geschieht hier die SoHabStandsänderung stetig während des Schweißens als ein dynamischer Vorgang, während beim jüehr— lagenschweißen die So Hab Standsänderung vor dein Schweißprozeß programmiert ist und während des Schweißens unterbleibt.

Claims

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Erfindungsanspruch

Verfahren zur automatischen Nachführung eines Schweißbrenners entlang einer Nahtkehle oder Nahtfuge bei der Ausführung von Mehrlagenschweißungen oder Pendelnähten, vorzugs?/eise unter Verwendung von Abstandssensoren, gekennz eichnet dadurch , daß der Abstand (d) jeweils eines v/irksamen Sensorpaares (6j 7j 8j 9? 10} 11) von den Bauteiloberflächen oder Hilfsflächen stufenweise oder stetig verändert oder die geometrische Abstandsvariation (^d) elektronisch simuliert wird, indem mit unterschiedlichen Abständen (d) angeordnete Sensoren (6| 7|· Sj 9| 10| 11) wahlweise eingeschaltet oder einzelne Sensoren (6; 7) relativ zum Schweißbrenner (5) in Richtung zur erforderlichen Nachstellbewegung, beispielsweise durch eine Viergelenkkette (12j 13j 14y 15) verschoben oder durch eine elektrische Addition einer Hilfsspannung (U₂) zum analogen Signal (U₀) eines Sensors (6; 7s 8; 9j 10} 11) oder einer Veränderung der Größe einer oder mehrerer, den Kennlinienverlauf eines starr mit dem Schweißbrenner (5) verbundenen Sensors (65 7» 8; 9; 10| 11) wesentlich beeinflussenden Bauelemente (Ras Rb; Re) in der Weise., daß sich der Punkt der Kennlinie, welcher dem Sollwert entspricht, zu größeren oder kleineren Abständen (do5 d^) verändert«

- Hierzu zwei Blatt Zeichnungen -