DE10125782B4 - Verfahren zur automatisierten Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur automatisierten Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweissverbindungen an Bauteilen (10) in der Serienfertigung bei Positionierung des mit einem elastisch abgegrenzten Koppelmedium-Depot ausgestatteten Ultraschall-Prüfkopfes (6) mittels einer Robotersteuerung (2) eines Gelenkarmroboters (1), wobei nach Aktivierung der Robotersteuerung (2) und dem Aufbau der Verbindung zum Ultraschall-Prüfgerät (4) abgeprüft wird, ob ein zum Anwendungsprogramm der Robotersteuerung (2) passender Prüfplan existiert und nach der Erkennung seines Vorliegens und dem Datenaustausch zwischen diesem und der Robotersteuerung (2) das Anfahren in Richtung des ersten Widerstandsschweißpunktes gemäß einer in einer Matrix des Prüfplanes definierten Sollposition erfolgt und zuvor aus dem Koppelmediumvorratsbehälter (8) mittels einer Dosierpumpe (9) ein Koppelmitteltropfen auf den zu prüfenden Widerstandsschweißpunkt gegeben wird und die Robotersteuerung (2) nach Erhalt der Daten aus dem gewonnenem Ultraschallsignal einen Abgleich mit den im Prüfplan vorgegebenem Wert vornimmt, so daß bei Übereinstimmung der theoretisch gespeicherten und praktisch aufgenommenen Daten, im Sinne einer fachgerechten Ausführung des geprüften Widerstandsschweißpuktes, der entsprechend des...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Ultraschallprüfen von Widerstandspunktschweißverbindungen an Bauteilen in der Serienfertigung, beispielsweise am Ende einer Fertigungsstraße zur Herstellung geometrisch anspruchsvoller Bauteile im Dünnblechbereich unter Zuhilfenahme konventioneller Industrierobotertechnik.
• An geometrisch komplizierten und aufwendig zu fertigenden Bauteilen des Fahrzeugbaus sind dem Stand der Technik gemäß traditionelle Methoden sowie auch Anfänge des zunehmend verlangten zerstörungsfreien Prüfens von Verbindungen des Widerstandspunktschweißens bekannt. Zunehmend wird die konventionelle Untersuchung von Schweißpunkten mit Hammer und Meißel mit anschließender Bewertung der Deformation bzw. Bruchfläche, beschrieben in DVS-Merkblatt 2916, verdrängt. Stellvertretend seien dazu folgende Literaturquellen genannt: Polrolniczak, H.: "Zerstörungsfreies Prüfen, Überwachen und Regeln als Mittel der Qualitätssicherung beim Widerstandspunktschweißen" veröffentlicht in DVS-Berichte, Band 165, 1995; Wüstenberg, H., Rotter, B. und Krause, H.-J.: "Ultraschallprüfung von Punktschweißverbindungen durch Abbildungsverfahren" veröffentlicht in Materialprüfung. München 32 (1990) H. 6; Satonaka, S., Yokomine, K.: "Ultrasonic evalution of spotwelds with a focused probe" veröffentlicht in Welding International, Band 7 (1993) Heft 5, S. 371–377; Broomhead, J.H.W.: "Resistance sportwelding quality assurance" veröffentlicht in Welding and Metal Fabrication, Band 58 (1990) H 6, S. 309–314.
• Statt dessen wird verstärkt darauf orientiert, möglichst wenig Bauteile zu zerstören und die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißpunkten einzusetzen. Als ein technisch gut beherrschbares und an örtliche Gegebenheiten gut anpassbares Verfahren ist die Ultraschallprüfung eingeführt worden, wobei die entwickelte Gerätetechnik zunächst manuell durch geschultes Fachpersonal zu bedienen war, was zwangsläufig subjektive Fehler bei der Bewertung nicht ausschloss und auch nur stichprobenartige Prüfungen gestattete. Eine Verstärkung dieses nicht befriedigenden Trends erfolgte auch zusätzlich durch den zunehmend größeren Einsatz beschichteter Werkstoffe. Um den unbestritten vorhandenen subjektiven Einschätzungen zu begegnen, wurden von den Geräteherstellern verschiedene Bewertungsalgorithmen entwickelt. Mit diesen sollte anhand definierter Grenzwerte eine Basis für eine automatisierbare Bewertung geschaffen werden. Allerdings wurden in der praktischen Anwendung auch im Ergebnis dessen keine befriedigenden Ergebnisse erreicht. Dieser Nachteil ist beschrieben in Schulz, S., Langrock, S.: "Qualitätssicherung von Punktschweißverbindungen – Einsatz hochfrequenter Ultraschalltechnik", veröffentlicht in Schweißen und Schneiden, Band 50 (1998) H 2, S. 114–116.
• Weiter sind Entwicklungen bekannt, die darauf gerichtet sind, die Qualität eines geschweißten Punktes schon in der Entstehungs- bzw. Schweißphase zu bestimmen. Das Verfahren gemäß DE-PS 43 25 856 C2 "Verfahren zur Bewertung von Schweißverbindungen" wurde herangezogen, um eine Weiterentwicklung des Technikstandes zu bewirken und basiert im eigentlichen Sinne auf einer Laufzeitmessung des Ultraschalls beim Aufschmelzen der Schweißlinse. Es wird darauf abgezielt, den Unterschied der Laufzeiten des US (Ultraschalls) in flüssiger oder fester Umgebung dahingehend zu nutzen, um Aussagen zur Schweißpunktausdehnung, d. h. zu seiner Größe zu treffen.
• Mit großem elektronischem Aufwand werden verschiedene Parameter der Ultraschallprüfung ausgewertet und mit den vorhandenen Schweißdaten verglichen.
• Aus diesem Vergleich werden sodann Rückschlüsse zur Qualität gezogen. Offensichtlich von Nachteil ist bei dieser Lösung der umfangreiche Einsatz von Gerätetechnik, was besonders die Zugänglichkeit bei bestimmten Schweißpositionen, beispielsweise an Automobilkarosserien. erschwert.
• Mit den beschriebenen Nachteilen behaftet, kann der bekannte Stand der Verfahrenstechnik zum zerstörungsfreien Prüfen mittels US nicht befriedigen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzubieten, welche das manuelle US-Prüfen von Widerstandsschweißpunkten mit reproduzierbaren Ergebnissen objektiv ersetzt, mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand verbunden ist und an beliebiger Stelle in der Fließfertigung von Bauteilen mit komplizierter geometrischer Gestalt integrierbar ist.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.
• Zur erfindungsgemäßen Lösung sollen weitere Erläuterungen folgen.
• Ein als vorzugsweise Gelenkarmroboter ausgebildeter Industrieroboter ist mit Ultraschallgerätetechnik zur Widerstandspunktschweißprüfung bestückt, wobei die Robotersteuerung über eine Datenschnittstelle mit dem Ultraschallprüfgerät und der Zellensteuerung verbunden ist. Über die Zellensteuerung wird hierbei der Datenaustausch zwischen der genannten Robotersteuerung und dem Ultraschallprüfgerät vorgenommen. Im Ultraschallprüfgerät befindet sich im Sinne einer gespeicherten Datenbank ein hinterlegter Prüfplan, der eine Beschreibung der zu prüfenden Widerstandsschweißpunkte darstellt. Über ein in der Robotersteuerung gespeichertes Anwendungsprogramm, das Angaben zur Identifikation der Widerstandsschweißpunkte und zu deren Sollposition enthält sowie desgl. auch Informationen zur Bewertung der Ultraschallprüfergebnisse wird der Zusammenhang im Hinblick einer eindeutigen Zuordnung eines Widerstandsschweißpunktes bzgl. seiner Position am zu prüfenden Bauteil und den Angaben des dazu im Speicher des Ultraschall-Prüfgerätes befindlichen Prüfplans, hergestellt. Der Ultraschall-Prüfkopf ist an einem Prüfkopfträger, bestehend aus einer Kurzhub-Linearachse und einer Feder mit flacher Federkennlinie, montiert. Der Ultraschall-Prüfkopf kann entlang der Linearachse eine Ausgleichsbewegung ausführen. Mit der durch die Feder verursachten Vorspannung wird er im Ruhezustand gegen den in Bauteilrichtung liegenden Endanschlag der Linearachse gedrückt. Durch Verwendung dieser Einrichtung ist es möglich, die Sollposition zur Prüfung eines Schweißpunktes an die untere Lagetoleranzgrenze des Bauteils zu legen. Wird diese Sollposition innerhalb des Arbeitsablaufs von einer Zwischenposition senkrecht über der Bauteiloberfläche aus angefahren, wird der Ultraschall-Prüfkopf nach dem Aufsetzen auf die Bauteiloberfläche entlang der Linearachse verschoben und gleichzeitig durch die Feder mit konstanter Vorspannung gegen die Bauteiloberfläche gedrückt. Bei starrer Montage des Ultraschall-Prüfkopfes ist die Wahl einer sicheren Sollposition, in der der Prüfkopf unter keinen Umständen mit dem Bauteil kollidiert und, von dieser ausgehend, die Ermittlung eines korrekten Abstands zu Beginn des nachfolgend beschriebene Prüfablauf notwendig.
• Im einzelnen wird das Prüfverfahren durch den nachfolgend beschriebenen Ablauf charakterisiert.
• Die Robotersteuerung baut die Verbindung zum Ultraschall-Prüfgerät auf und es wird kontrolliert, ob ein zum Anwendungsprogramm gehöriger Prüfplan vorhanden ist. Bei gegebener Voraussetzung wird durch den jetzt eingeleiteten Datenaustausch zwischen Robotersteuerung und Ultraschall-Prüfgerät geprüft, ob im Prüfplan Angaben zum aktuell anzufahrenden Widerstandsschweißpunkt enthalten sind. Bei positiver Bestätigung wird die im Anwendungsprogramm gespeicherte Sollposition so angefahren, um zunächst das Koppelmittel auf die Punktoberfläche aufzutragen. Anschließend wird der Ultraschall-Prüfkopf auf die gespeicherte Sollposition des Schweißpunktes positioniert.
• Die Robotersteuerung fordert daraufhin Daten des Ultraschallsignals an (Amplitude des 1. und 2. Rückwandechos, Amplitude des 1. Zwischenechos) und vergleicht diese mit den vorgegebenen Kriterien zur Erkennung eines Schweißpunktes, der die jeweiligen Qualitätsanforderungen erfüllt (i.O.-Schweißpunkt). Werden die Kriterien vom Ultraschallsignal erfüllt, wird von der Robotersteuerung die Bewertung des Schweißpunktes durch das Ultraschall-Prüfgerät ausgelöst und die Ergebnisse im Prüfplan abgespeichert. Sind die Kriterien nicht erfüllt, da aufgrund vorhandener Lagetoleranzen des Bauteils und/oder des Schweißpunktes der Ultraschall-Prüfkopf außermittig oder unter falschem Winkel zur Linsenachse positioniert wurde, werden die übertragenen Daten zusammen mit der aktuellen Roboterposition abgespeichert und die Position des Ultraschall-Prüfkopfes um eine im Anwendungsprogramm festgelegte Schrittweite in eine Startsuchrichtung verändert, die innerhalb der Toleranzfelder von Bauteillage und Schweißpunktposition liegt. Die Daten des Ultraschallsignals werden durch die Robotersteuerung erneut abgefragt und mit denen eines i.O.-Schweißpunktes verglichen und bei Vorliegen von Daten für einen i.O.-Schweißpunkt wird die Bewertung ausgelöst. Sind die Kriterien nicht erfüllt, werden die aktuellen Daten mit den gespeicherten Daten der vorhergehenden Auswertung verglichen und aus den Ergebnissen die neue Suchrichtung und Suchschrittweite abgeleitet. In gleicher Weise werden neue Positionen mit aus den vorangegangenen Prüfergebnissen ermittelten Daten angefahren. solange bis das Prüfergebnis die Kriterien für einen i.O.-Schweißpunkt erfüllt oder die Matrix räumlicher Positionen vollständig angefahren wurde, die mit großer Wahrscheinlichkeit die optimale Position für die Bewertung des Schweißpunktes enthält. Im letztgenannten Fall wird vor der Bewertung des Schweißpunktes die gespeicherte Position angefahren, in der die im Verlauf des Abfahrens der Matrix die einem i.O.-Schweißpunkt nächstliegenden Prüfergebnisse ermittelt wurden. Danach werden die Prüfparameter nach einem festen Regime angepasst, um den Vergleich der Ultraschallsignale mit denen im Ultraschall-Prüfgerät hinterlegten Referenzbildern zu gewährleisten und im Anschluss die Bewertung des Schweißpunktes ausgelöst.
• Im Anschluss an die Auswertung wird die aktuelle Position des Ultraschall-Prüfkopfes gespeichert und als Sollposition für den nächsten Prüfvorgang am identischen Schweißpunkt des nächsten zu prüfenden Serienbauteils verwendet.
• Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
• Dabei soll auf 1 zurückgegriffen werden, die die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Zuordnung der einzelnen Elemente in Übersichtsform darstellt.
• Nach Aktivierung der Robotersteuerung 2 und dem Aufbau der Verbindung zum Ultraschall-Prüfgerät 4 wird abgeprüft, ob ein zum Anwendungsprogramm der Robotersteuerung 2 passender Prüfplan vorhanden ist. Nach Feststellung seiner Existenz erfolgt ein Datenaustausch mit dem Ziel, Angaben zu ermitteln, die zur Prüfung aktuell zu untersuchender Widerstandsschweißpunkte erforderlich sind. Der Gelenkarmroboter 1 fährt danach, den am Prüfkopfträger montierten Ultraschall-Prüfkopf 6 in die gespeicherte Sollposition des zu prüfenden Widerstandsschweißpunktes, wobei in Vorbereitung der Prüfung aus dem Koppelmediumvorratsbehälter 8 mittels der Dosierpumpe 9 Koppelmittel auf die Punktoberfläche aufgetragen wird. Über die Robotersteuerung 2 werden daraufhin Daten des Ultraschallsignals angefordert (Amplitude des 1. und 2. Rückwandechos, Amplitude des 1. Zwischenechos) und in Auswertung der über den Prüfplan vorgegebenen Kriterien zur optimalen Ausführung der Schweißverbindung die qualitäts- oder nicht qualitätsgerechte Größe des Widerstandsschweißpunktes festgestellt. Bei Übereinstimmung mit den gespeicherten Ausgangsdaten erfolgt die Abspeicherung im Prüfplan sowie der aktuellen Prüfkopfposition im Anwenderprogramm und es wird der nächste Prüfort angefahren.
• Liegen erkannte Abweichungen vor, werden die übertragenen Daten gemeinsam mit der aktuellen Roboterposition abgespeichert und die Position des Ultraschall-Prüfkopfes 6 um eine im Anwendungsprogramm festgelegte Schrittweite in eine Start-Such-Richtung geändert, die innerhalb der Toleranzfelder der Lage des Bauteils 10 und der Schweißpunktposition liegt. An dieser Stelle setzt die Ultraschall-Prüfung mit den vorgegebenen Prämissen erneut ein und es wird mit den im Prüfplan festgelegten Daten die Akzeptanz des nunmehr ermittelten Ergebnisses überprüft. Liegen auch hier keine zufriedenstellenden Ergebnisse vor, werden die aktuellen Daten mit der gespeicherten vorhergehenden Auswertung verglichen und aus diesem folgenden Resultat heraus eine neue Suchrichtung sowie Suchschrittweite ermittelt. Desgleichen werden neue Positionen mit aus den vorangegangenen Prüfergebnissen ermittelten Daten angefahren, solange, bis das Prüfergebnis die Kriterien eines qualitätsgerecht ausgeführten Widerstandsschweißpunktes (i.O.-Schweißpunkt) erfüllt oder die Matrix räumlicher Positionen vollständig angefahren wurde, die mit großer Wahrscheinlichkeit die optimale Position für die Bewertung des Widerstandsschweißpunktes enthält. Im letztgenannten Fall wird vor der Bewertung des Widerstandsschweißpunktes die gespeicherte Position angefahren, in der die im Verlauf des Abfahrens der Matrix die einem i.O.-Widerstandsschweißpunkt nächstliegenden Prüfergebnisse ermittelt wurden. Danach werden die Prüfparameter nach einem festen Regime angepasst, um den Vergleich der Ultraschallsignale mit den im Ultraschall-Prüfgerät 4 hinterlegten Referenzbildern zu gewährleisten und im Anschluss die Bewertung des Widerstandsschweißpunktes ausgelöst.
• Die aktuelle Position des Ultraschall-Prüfkopfes 6 wird anschließend im Anwenderprogramm gespeichert und der nächste Prüfort angefahren.

1

Gelenkarmroboter

2

Robotersteuerung

3

Zellensteuerung

4

Ultraschall-Prüfgerät

5

Ultraschall-Signalvorverstärker

6

Ultraschall-Prüfkopf

7

Prüfkopfträger mit Linearführung und Feder

8

Koppelmediumvorratsbehälter

9

Dosierpumpe

10

Bauteil

Claims (4)

1. Verfahren zur automatisierten Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweissverbindungen an Bauteilen (10) in der Serienfertigung bei Positionierung des mit einem elastisch abgegrenzten Koppelmedium-Depot ausgestatteten Ultraschall-Prüfkopfes (6) mittels einer Robotersteuerung (2) eines Gelenkarmroboters (1), wobei nach Aktivierung der Robotersteuerung (2) und dem Aufbau der Verbindung zum Ultraschall-Prüfgerät (4) abgeprüft wird, ob ein zum Anwendungsprogramm der Robotersteuerung (2) passender Prüfplan existiert und nach der Erkennung seines Vorliegens und dem Datenaustausch zwischen diesem und der Robotersteuerung (2) das Anfahren in Richtung des ersten Widerstandsschweißpunktes gemäß einer in einer Matrix des Prüfplanes definierten Sollposition erfolgt und zuvor aus dem Koppelmediumvorratsbehälter (8) mittels einer Dosierpumpe (9) ein Koppelmitteltropfen auf den zu prüfenden Widerstandsschweißpunkt gegeben wird und die Robotersteuerung (2) nach Erhalt der Daten aus dem gewonnenem Ultraschallsignal einen Abgleich mit den im Prüfplan vorgegebenem Wert vornimmt, so daß bei Übereinstimmung der theoretisch gespeicherten und praktisch aufgenommenen Daten, im Sinne einer fachgerechten Ausführung des geprüften Widerstandsschweißpuktes, der entsprechend des Prüfplanes folgende Widerstandsschweißpunkt angefahren wird und im Falle einer festgestellten Abweichung. die Daten des Ultraschallergebnisses mit der aktuellen Position des Ultraschall-Prüfkopfes (6) abgespeichert und dahingehend ausgewertet werden, daß dem Ultraschall-Prüfkopf (6) über das Anwendungsprogramm der Robotersteuerung (2) eine neue Schrittweite innerhalb eines festgelegten Toleranzfeldes zugeordnet wird und mit Hilfe derer erneut die Zulässigkeit des vorgefundenen Prüfergebnisses geprüft wird und erst nach Erkennen eines nunmehr akzeptablen Messergebnisses, diese neue Schrittweite zur Auswertung weiterer Widerstandsschweißpunkte im Anwendungsprogramm der Robotersteuerung (2) festgehalten wird, wobei jeder weitere zu prüfende Widerstandsschweißpunkt einen Ausgangswert liefern kann, der Anlaß zur Neufestlegung der Schrittweite des Ultraschall-Prüfkopfes (6) bietet.
2. Verfahren zur automatisierten Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass für den programmierten Suchablauf, insbesondere durch eine maximale Prüfschrittzahl ohne qualitatives Verändern des Prüfsignals Abbruchkriterien definiert sind, die eine zeitliche Begrenzung des Suchvorganges sichern.
3. Verfahren zur automatisierten Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass am Ende des programmierten Suchablaufs die aktuelle Position des Ultraschall-Prüfkopfs (6) für sich nachfolgend wiederholende Prüfvorgänge abgespeichert wird.
4. Verfahren zur automatisierten Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass mit dem federnd gelagerten Ultraschall-Prüfkopf (6) in jeder Position Fertigungs- und Lagetoleranzen ausgeglichen werden.