DE102008023197A1

DE102008023197A1 - Automatische Schweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102008023197A1
Application number: DE102008023197A
Authority: DE
Inventors: Malte-E. Stahnke; Ulrich Grimm
Original assignee: Apt Automation und Produk GmbH; Apt Automation und Produktionstechnik GmbH
Current assignee: Apt Automation und Produk GmbH; Apt Automation und Produktionstechnik GmbH
Priority date: 2008-05-10
Filing date: 2008-05-10
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Eine automatische Schweißvorrichtung mit mindestens einem Schweißkopf (13) und einem Drehtisch zum Einspannen eines zu schweißenden Werkstückes (1), mit einem Drehmotor (3) zum Rotieren des Drehtisches und des Werkstückes (1) um eine Drehachse (2) während des Schweißvorgangs, mit mindestens einem Stellmotor (8, 16) zum Verändern der relativen Lage von Schweißkopf (13) zu Drehtisch, mit einer Steuereinrichtung (6) zum automatischen Steuern des Schweißvorganges einschließlich der relativen Lage von Schweißkopf (13) zur Drehachse (2) des Drehtisches wird zur Erzielung einer konstanten Schweißgeschwindigkeit und/oder einer konstanten Schweißstellung (steigendes oder fallendes Schweißen) verbessert, indem zwei Stellmotoren (8, 16) derart angeordnet sind, dass eine zweidimensionale Verschiebung der relativen Lage von Schweißkopf (13) zur Drehachse (2) des Drehtisches ausführbar ist, insbesondere in Radialrichtung (20) und in Tangentialrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische Schweißvorrichtung mit mindestens einem Schweißkopf und einem Drehtisch zum Einspannen eines zu schweißenden Werkstücks, mit einem Drehmotor zum Rotieren des Drehtisches und des Werkstückes um eine Drehachse während des Schweißvorgangs, mit mindestens einem Stellmotor zum Verändern der relativen Lage von Schweißkopf zu Drehtisch, mit einer Steuereinrichtung zum automatischen Steuern des Schweißvorgangs einschließlich der relativen Lage von Schweißkopf zu Drehtisch.
Bekannt sind automatische Schweißvorrichtungen und Schweißverfahren, bei denen rotationssymmetrische Werkstücke auf Drehtischen eingespannt und unter Rotation der Drehtische geschweißt werden. Üblicherweise werden Rohre, Ventile, Feuerlöscher, Tanks etc. auf Rundtischen mit horizontaler Drehachse verschweißt. Ein Schweißkopf ist in einem geeigneten radialen Abstand zur Drehachse positioniert und in dieser Position fixiert. Dies ist möglich, weil sich bei rotationssymmetrischen Werkstücken der Abstand der Schweißnaht von der Drehachse während der Drehung des Werkstückes nicht ändert. Es ist auch bekannt, den Schweißkopf quer zur Schweißrichtung in pendelnde Bewegungen zu versetzen, um eine besonders breite Schweißnaht zu erhalten. Bei solchen Schweißverfahren mit rotationssymmetrischen Werkstücken führt eine konstante Drehgeschwindigkeit zu einer konstanten Schweißgeschwindigkeit. Außerdem bleibt die Schweißposition des Schweißkopfes stets konstant. Befindet sich der Schweißkopf auf der sich nach unten drehenden Seite des Werkstückes, wird eine steigende Schweißnaht erzeugt, befindet er sich auf der ansteigenden Seite des Werkstückes, erhält man eine fallende Schweißung. Ohne die Veränderung der Position des Schweißkopfes bleibt die Schweißung entweder konstant steigend oder konstant fallend.
Diese Vorrichtungen und Verfahren sind allerdings nicht geeignet für das Schweißen von nicht rotationssymmetrischen Werkstücken. Bei der Drehung der Werkstücke ändert sich der Rotationsradius zwischen der Rotationsachse und dem Berührungspunkt der Spitze des Schweißkopfes an der Werkstoffoberfläche ständig. Als Beispiele seien hier Rechteckrohre, ovale Rohre, Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge etc. genannt. Solche Werkstücke können ebenfalls in einen Drehtisch eingespannt und während des Schweißens rotiert werden. Allerdings kann der Schweißkopf nicht in einem konstanten Abstand zur Drehachse verbleiben, sondern muss je nach dem momentanen Rotationsabstand des Werkstückes in radialer Richtung hin- und herbewegt werden, um mit seiner Spitze stets im Bereich der Werkstoffoberfläche zu schweißen. Diese Bewegung muss dem Schweißautomaten vorher einprogrammiert werden, was sehr aufwendig ist und nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden kann. Bei den üblichen Toleranzen der Werkstücke treten weitere Probleme für die Bewegungssteuerung des Schweißkopfes auf.
Der Schweißkopf kann auch durch einen mehrachsigen Roboter geführt werden, wie beispielsweise bei der aus der DE 201 01 452 U1 bekannten Bearbeitungsvorrichtung. Ein solcher Roboter ist noch kostenaufwendiger als die zuvor beschriebene Alternative und muss ebenfalls aufwendig von Fachpersonal programmiert werden.
Desweiteren kann beim Stand der Technik eine konstante Schweißgeschwindigkeit nur mit erheblichem Programmieraufwand erreicht werden, weil die Drehgeschwindigkeit des Drehtisches an den veränderlichen Werkstückradius angepasst werden muss. Der momentane Rotationsabstand r zwischen Rotationsachse und Spitze des Schweißkopfes ist vom Drehwinkel φ abhängig: r = r(φ). Für ein Wegstück ds der Schweißnaht an der Werkstoffoberfläche gilt dann: ds = r(φ)dφwobei dφ ein Winkelstück im Bogenmaß bedeutet. Wenn die Schweißgeschwindigkeit = ds/dt konstant sein soll, was in der Regel für die Schweißung gefordert wird, ergibt sich: r(φ)dφ/dt = const.
Dies bedeutet, dass die Winkelgeschwindigkeit im selben Maße reduziert werden muss, wie der momentane Rotationsabstand zunimmt, oder umgekehrt, um eine konstante Schweißgeschwindigkeit zu erzielen.
Die Ansteuerung des Drehtisches mit einer variablen Drehgeschwindigkeit ist aber wiederum nur mit erheblichem Programmieraufwand zu erzielen. Dabei muss die Form des Werkstückquerschnittes vorher genau bekannt und die entsprechenden Daten in ein Steuergerät der automatischen Schweißvorrichtung eingegeben werden. Dies kann nur sehr kostenaufwendig durch geschultes Fachpersonal geschehen.
Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Standes der Technik besteht darin, dass in Abhängigkeit von der Querschnittsform des Werkstückes ein nur in radialer Richtung verschiebbarer Schweißkopf zeitweise eine steigende Schweißung, zeitweise eine fallende Schweißung durchführt. Für bestimmte Schweißnähte ist es aber entscheidend, dass die Schweißung beispielsweise stets steigend ausgeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine automatische Schweißvorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern, sodass bei geringen Fertigungs- und Betriebskosten das Schweißen von nicht rotationssymmetrischen Werkstücken ohne die beschriebenen Nachteile ausgeführt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass zwei Stellmotoren derart angeordnet sind, dass eine zweidimensionale Verschiebung der relativen Lage von Schweißkopf zu Drehtisch ausführbar ist, insbesondere in radialer und tangentialer Richtung bezogen auf die Drehachse. Erfindungsgemäß sind somit zwei Freiheitsgrade der Relativbewegung vorgesehen. Dies ermöglicht nicht nur radiale Bewegungen zur Anpassung an den momentanen Rotationsabstand des nicht rotationssymmetrischen Werkstückes, sondern auch tangentiale Bewegungen, die insbesondere zur Erzielung einer konstanten Schweißgeschwindigkeit genutzt werden können, während der Drehtisch mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert wird. Andererseits kann die Erfindung auch zur Erzielung einer bestimmten Stellung des Schweißkopfes in Bezug auf das Werkstück, insbesondere für ein konstant steigendes oder fallendes Schweißen genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Radialmotor zur Verschiebung in radialer Richtung und ein Tangentialmotor zur Verschiebung in tangentialer Richtung vorgesehen. Diese beiden Richtungen stehen orthogonal zueinander und ermöglichen so die einfache Berechenbarkeit von Positionen des Schweißkopfes in Bezug auf das Werkstück im Steuergerät.
Als radiale Richtung soll im Rahmen dieser Patentanmeldung und im Zusammenhang mit den 1 bis 4 eine Richtung senkrecht von oben nach unten oder von unten nach oben sein. Die tangentiale Richtung ist demnach in den 1 bis 4 eine Bewegungsrichtung von links nach rechts oder von rechts nach links.
Um die in den Ansprüchen definierte relative Verschiebung zwischen Schweißkopf und Drehtisch zu erzielen, kann entweder der Drehtisch feststehen und der Schweißkopf bewegt werden oder es kann der Schweißkopf feststehen und der Drehtisch bewegt werden, sodass sich die Lage der Drehachse in irgendeine Richtung quer zur Drehachse verschiebt. Dies gilt für beide Freiheitsgrade der Bewegung separat. Das heißt: entweder wirken beide Stellmotoren auf den Schweißkopf ein, um ihn insbesondere entweder in tangentialer oder in radialer Richtung zu bewegen, oder beide Stellmotoren wirken auf den Drehtisch ein, um die Drehachse zu verschieben, insbesondere in radialer oder tangentialer Richtung.
Es ist aber auch eine Anordnung denkbar, wonach der Radialmotor auf den Schweißkopf einwirkt, um seinen Abstand zum Werkstück zu verändern, und dass der Tangentialmotor auf den Drehtisch einwirkt, um die Drehachse seitlich hin- und herzuschieben. Ebenso sinnvoll ist eine Anordnung, bei der der Radialmotor auf den Drehtisch und der Tangentialmotor auf den Schweißkopf einwirken.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass eine zweidimensionale relative Verschiebung zwischen Schweißkopf und Drehtisch nicht zwangsläufig eine radiale oder tangentiale Bewegung gemäß obiger Definition sein muss. Selbstverständlich sind auch beliebige andere zweidimensionale Koordinatensysteme verwendbar, bei denen die beiden Verstellrichtungen nicht unbedingt orthogonal zueinander sein müssen. Auch gekrümmte Verstellbahnen sind möglich und gehören zum Umfang der vorliegenden Erfindung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung mit einem Abstandsmesser verbunden ist, der den Abstand zwischen der Schweißspitze des Schweißkopfes und dem zu schweißenden Bereich des Werkstückes bestimmt, und dass die Steuereinrichtung die Stellmotoren, vorzugsweise den Radialmotor, derart ansteuert, dass ein für den Schweißvorgang geeigneter Abstand zum Schweißbereich selbsttätig eingehalten wird. Die Abstandsmessung wird vorzugsweise berührungslos durchgeführt, beispielsweise mittels Echoverfahren oder optischen Abstandsmessern. Die Signale des Abstandsmessers werden dem Steuergerät zugeführt, in welchem der optimale Abstandswert für den Schweißvorgang gespeichert ist. Das Steuergerät steuert nunmehr die Stellmotoren an, sodass der Schweißkopf in die korrekte Arbeitsposition verschoben und dort mit bestmöglicher Genauigkeit gehalten wird, auch wenn sich der Rotationsabstand des Werkstückes ändert. Sollte sich der optimale Arbeitsabstand verkleinern, weil bei der Rotation des Werkstückes ein Bereich mit größerem Radius geschweißt werden muss, so führt das Steuergerät den Schweißkopf radial nach außen nach, um den optimalen Abstand möglichst konstant zu halten. Dasselbe gilt im umgekehrten Fall, dass das Werkstück während der Drehung dem Schweißkopf gegenüber einen kleiner werdenden Rotationsradius zeigt. Wenn die Anordnung der Stellmotoren als Radialmotor und Tangentialmotor ausgeführt ist, braucht man für diese Abstandsregelung nur den Radialmotor zu betätigen. Das System funktioniert aber auch bei beliebiger anderer Aufteilung der Koordinaten in Bezug auf das Werkstück. Bei abweichenden Koordinaten müssen zur Einstellung des Abstands zwischen Schweißkopf und Werkstück im Allgemeinen beide Stellmotoren koordiniert bewegt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stellmotoren oder zumindest der Radialmotor, mit Positionsgebern in Verbindung stehen, welche Positionsdaten an das Steuergerät übermitteln, aus denen zumindest näherungsweise der momentane Rotationsabstand der Schweißspitze des Schweißkopfes in Bezug auf die Rotationsachse des Drehtisches ermittelbar ist, dass das Steuergerät unter Berücksichtigung der dem Drehmotor vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit des Drehtisches und dem momentanen Rotationsabstand eine erste momentane Komponente der Relativgeschwindigkeit zwischen Schweißbahn am Werkstück und Schweißspitze ermittelt und die Stellmotoren derart ansteuert, dass eine zweite momentane Komponente der tangentialen Relativgeschwindigkeit erzeugt wird, die sich mit der ersten momentanen Komponente zu einer konstanten Schweißgeschwindigkeit addiert. Diese Maßnahme ergibt bei der Schweißung den Vorteil, dass selbst bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Werkstückes eine konstante Schweißgeschwindigkeit gewährleistet werden kann, indem der Schweißkopf in Abhängigkeit vom momentanen Rotationsabstand mittels der Stellmotoren entweder in Schweißrichtung oder gegen diese verschoben wird. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der momentane Rotationsradius, d. h. der Abstand zwischen der Schweißspitze des Schweißkopfes und der Rotationsachse, durch die automatische Einstellung des optimalen Schweißabstandes mittels der Merkmale des Anspruchs 5 durch das Steuergerät zur Verfügung steht. Zusammen mit der ebenfalls bekannten Winkelgeschwindigkeit des Drehtisches, welche entweder aus den Ansteuerdaten des Drehmotors oder aus einem mit der Drehachse verbundenen Drehgeber gewonnen werden kann, berechnet das Steuergerät die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstückes an der Schweißstelle. Sei v₁ die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstückes an einer festen Winkelposition, beispielsweise in Bezug auf einen Punkt genau senkrecht über der Drehachse; sei weiter r(φ) der Rotationsabstand des Werkstückes unter dem Drehwinkel φ und schließlich dφ/dt die Winkelgeschwindigkeit, so gilt die Beziehung: v1 = r(φ)dφ/dtSei weiterhin v₂ die Verschiebegeschwindigkeit der Schweißkopfspitze in Richtung der Schweißbahn, dann soll die Summe aus v₁ und v₂ konstant sein: v1 + v2 = const.
Durch Einsetzen der vorletzten in die letztgenannte Gleichung und Auflösen nach v₂ ergibt sich: v2 = const. – r(φ)dφ/dt
Das Steuergerät kennt aus dem Drehgeber den Drehwinkel φ und hat eine eingebaute Zeituhr, sodass sich dφ/dt berechnen lässt. Vom Positionsgeber des Radialmotors oder im allgemeinen Fall von beiden Positionsgebern der beiden Stellmotoren erhält das Steuergerät Informationen, aus denen sich der Rotationsabstand r berechnen lässt. Desweiteren ist in das Steuergerät die geforderte konstante Schweißgeschwindigkeit const. eingegeben. Somit besitzt das Steuergerät alle Parameter, aus denen sich v₂, d. h. die Geschwindigkeit berechnen lässt, mit denen der Schweißkopf in tangentialer Richtung zu verschieben ist, um die konstante Schweißgeschwindigkeit zu erzielen. Die beschriebene Situation ist in 4 veranschaulicht. Dort ist v₂ in derselben Richtung wie v₁ angeordnet, sodass die Schweißgeschwindigkeit kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit v₁ ist. Wenn sich das ovale Werkstück 1 um 90° weitergedreht hat, wird v₂ nach links gerichtet sein und die Schweißgeschwindigkeit größer als die dann langsamere Umfangsgeschwindigkeit sein.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stellmotoren oder zumindest der Radialmotor mit Positionsgebern in Verbindung stehen, welche Positionsdaten an das Steuergerät übermitteln, aus denen zumindest näherungsweise der momentane Rotationsabstand der Schweißspitze des Schweißkopfes in Bezug auf die Rotationsachse des Drehtisches ermittelbar ist, dass das Steuergerät den Drehmotor derart ansteuert, dass die momentane Winkelgeschwindigkeit des Drehtisches umgekehrt proportional zum momentanen Rotationsabstand ist. Bei dieser Variante kann der Schweißkopf in einer festen Winkelposition verbleiben und wird aufgrund der Abstandsmessung gemäß Anspruch 6 lediglich in radialer Richtung zur Einstellung des optimalen Schweißabstandes angesteuert. Die Bedingung einer konstanten Schweißgeschwindigkeit wird in dieser Situation folgendermaßen ausgedrückt: r(φ)dφ/dt = const.
Wenn man diese Gleichung nach der Winkelgeschwindigkeit auflöst, ergibt sich: dφ/dt = const./r(φ)
Aus dieser Gleichung erkennt man, dass der vom Drehwinkel φ abhängige Rotationsabstand r(φ) umgekehrt proportional zur Winkelgeschwindigkeit dφ/dt des Drehtisches ist. Eine solche umgekehrt proportionale Ansteuerung der Drehgeschwindigkeit ist durch das Steuergerät ohne weiteres möglich. Dabei braucht das Steuergerät nicht wie beim Stand der Technik auf die Abmessungen des Werkstückes programmiert zu werden. Die erfindungsgemäße Ansteuerung erfolgt vollkommen automatisch, indem der Rotationsabstand indirekt über die Abstandsmessung und die automatische Abstandsregelung des Schweißkopfes ermittelt wird.
In Weiterbildung der Erfindung kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das Steuergerät aus der Änderung des Rotationsabstandes in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Drehtisches die Richtung einer Tangente an die Schweißbahn des Werkstückes berechnet und die Stellmotoren oder zumindest den Tangentialmotor so ansteuert, dass entweder ein konstant steigendes oder ein konstant fallendes Schweißen gewährleistet ist. Bei dieser Variante wird der Schweißkopf in tangentialer Richtung nicht zur Erzielung einer konstanten Schweißgeschwindigkeit bewegt, sondern er folgt sozusagen einem Punkt, an dem bei der jeweiligen Winkelstellung des Werkstückes die Tangente an das Werkstück stets einen vorgegebenen Winkel zur Richtung der Schwerkraft einnimmt. In den 2a bis d ist eine solche Position durch die mit durchgezogenen Linien dargestellte Stellung des Schweißkopfes gegeben, sofern weder fallende noch steigende Schweißung gewünscht ist, denn die Tangente an das Werkstück ist stets horizontal. Hält man das Zeichnungsblatt allerdings vertikal und dreht es im Uhrzeigersinn, wobei die Richtung der Schwerkraft stets vertikal nach unten zeigt, so erhält man jeweils eine Situation, in der die Tangente in Bezug auf die Schwerkraft ansteigend ist. Dreht man dagegen das Zeichnungsblatt entgegen dem Uhrzeigersinn, so erhält man eine Situation, in der die Tangente in Bezug auf die Schwerkraft stets abfallend ist.
In einer einfachen Ausführungsform steht der Radialmotor mit einem Radialpositionsgeber in Verbindung, welcher Radialpositionsdaten an das Steuergerät übermittelt. Dies reicht in den meisten Fällen aus, um den momentanen Rotationsabstand hinreichend genau zu bestimmen. Dabei kann der Radialpositionsgeber direkt am Radialmotor angebracht sein oder an irgendeiner Stelle der mechanischen Elemente bis zum Schweißkopf. Wenn der Radialmotor als Rotationsmotor ausgeführt ist, kann der Radialpositionsgeber vorzugsweise als Drehgeber direkt auf der Achse des Radialmotors angebracht sein. Wenn der Radialmotor als Schrittmotor ausgestaltet ist, kann sogar auf ein besonderes Bauteil als Radialpositionsgeber verzichtet werden. In diesem Fall kann im Steuergerät ein virtueller Radialpositionsgeber programmiert oder geschaltet sein, der aus den Ansteuersignalen des Schrittmotors die jeweilige Radialposition ermittelt. Alle diese technischen Varianten umfasst der hier verwendete Begriff „Radialpositionsgeber”. Dasselbe gilt selbstverständlich auch für den entsprechenden „Tangentialpositionsgeber”.
In einer verbesserten Ausführungsform steht der Radialmotor mit einem Radialpositionsgeber und der Tangentialmotor mit einem Tangentialpositionsgeber in Verbindung, welche jeweils ihre Positionsdaten an das Steuergerät übermitteln, wobei der momentane Rotationsabstand aus den Radialpositionsdaten und den Tangentialpositionsdaten unter Berücksichtigung des Winkels zwischen der Verschieberichtung des Radialmotors und der Verschieberichtung des Tangentialmotors ermittelt wird. Diese Variante ist auch ausführbar, wenn die beiden Verschieberichtungen nicht orthogonal aufeinander stehen. Im orthogonalen Fall errechnet sich der Rotationsabstand aus den beiden Positionsdaten einfach nach dem Satz des Pythagoras, siehe 4. Im allgemeinen Fall ist eine kompliziertere Formel anwendbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein zusätzlich auf den Schweißkopf einwirkender Kippmotor vorgesehen, mit dem ein vorgebbarer Winkel zwischen dem Schweißkopf und der Tangente an die Schweißbahn am Werkstück einstellbar ist. Diese Maßnahme ermöglicht die Optimierung des Schweißergebnisses in bestimmten Fällen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Schweißverfahren unter Verwendung einer automatischen Schweißvorrichtung wie oben beschrieben. Das erfindungsgemäße Schweißverfahren ermöglicht die Schweißung bei konstanter Schweißgeschwindigkeit auch bei nicht rotationssymmetrischen Werkstücken unter konstanter Winkelgeschwindigkeit des Drehtisches, indem der Abstand zwischen der Schweißspitze des Schweißkopfes und der Schweißbahn am Werkstück bestimmt wird, und die Stellmotoren derart angesteuert werden, dass ein für den Schweißvorgang geeigneter Abstand zur Schweißbahn selbsttätig eingehalten wird, wobei aus den Positionsdaten, die dem so eingestellten Abstand entsprechen, ein momentaner Rotationsabstand ermittelt und unter Berücksichtigung der konstanten Winkelgeschwindigkeit des Werkstückes eine erste momentane Komponente der tangentialen Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstückoberfläche und der Schweißspitze ermittelt und die Stellmotoren derart angesteuert werden, dass eine zweite momentane Komponente der Tangentialrelativgeschwindigkeit erzeugt wird, die sich mit der ersten momentanen Komponente zu einer konstanten Schweißgeschwindigkeit addiert.
Ein alternatives Schweißverfahren sieht vor, dass der Abstand zwischen der Schweißspitze des Schweißkopfes und der Schweißbahn bestimmt wird, dass die Stellmotoren derart angesteuert werden, dass ein für den Schweißvorgang geeigneter Abstand zur Schweißbahn selbsttätig eingehalten wird, dass aus den Positionsdaten, die dem so eingestellten Abstand entsprechen ein momentaner Rotationsabstand ermittelt und der Drehmotor derart angesteuert wird, dass die momentane Winkelgeschwindigkeit des Drehtisches umgekehrt proportional zum momentanen Rotationsabstand ist. Auch mit diesem Schweißverfahren kann ein nicht rotationssymmetrisches Werkstück geschweißt werden, indem eine konstante Schweißgeschwindigkeit durch Variation der Winkelgeschwindigkeit der Rotation des Werkstückes erzielt wird, wobei die erforderlichen Daten über die Form des Werkstückes nicht aufwendig einprogrammiert werden müssen, sondern im Rahmen des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens selbsttätig ermittelt werden.
Zur Vollendung des vorgenannten Schweißverfahrens dient die Maßnahme, dass aus der Änderung des Rotationsabstandes in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Drehtisches die Richtung einer Tangente an die Schweißbahn des Werkstückes berechnet und die Stellmotoren oder zumindest der Tangentialmotor so angesteuert werden, dass sich entweder ein konstant steigendes oder ein konstant fallendes Schweißen ergibt. Auf diese Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Schweißverfahren ein konstant steigendes oder fallendes Schweißen bei konstanter Schweißgeschwindigkeit an nicht rotationssymmetrischen Werkstücken, ohne die vorherige Programmierung eines automatischen Schweißgerätes mit den Werkstückdaten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung;
2: vier verschiedene Phasen a bis d des Schweißvorgangs in einer schematischen Darstellung;
3: eine Einrichtung zum Kippen des Schweißkopfes gegenüber dem Werkstück in schematischer Darstellung;
4: eine geometrische Veranschaulichung der Wirkmechanismen der erfinderischen Maßnahmen.
In 1 erkennt man ein Werkstück 1 mit einem ovalen Querschnitt, welches in einen nicht gezeigten Drehtisch eingespannt ist. Der Drehtisch gibt allein die Drehachse 2 für die Drehung des Werkstückes 1 vor. Der Drehtisch ist mit einem Drehmotor 3 versehen, welcher das Werkstück 1 in Drehung versetzt. Der Drehsinn 4 ist durch einen Pfeil angedeutet. Der Drehmotor 3 wird über eine Steuerleitung 5 durch ein Steuergerät 6 angesteuert. Das Steuergerät 6 steuert über eine andere Steuerleitung 7 einen Tangentialmotor 8 an, der über mechanische Stellelemente 9 auf den Drehtisch, hier symbolisiert durch die Drehachse 2, einwirkt und den Drehtisch in horizontaler Richtung, die in der Zeichnung mit der Tangentialrichtung 10 übereinstimmt, verschiebt. Der Tangentialmotor 8 ist mit einem Tangentialpositionsgeber 11 ausgestattet, der über eine Signalleitung 12 Tangentiaipositionsdaten an das Steuergerät 6 übermittelt.
Gegenüber dem Werkstück 1 ist ein Schweißkopf 13 angeordnet, dessen Schweißspitze 14 in unmittelbarer Nähe der Werkstoffoberfläche positioniert ist, um dort eine umlaufende Schweißnaht zu erzeugen, wenn sich das Werkstück 1 um 360° um die Drehachse 2 dreht. Über mechanische Stellelemente 15 steht der Schweißkopf 13 mit einem Radialmotor 16 in Verbindung. Der Radialmotor wird über eine Steuerleitung 17 durch das Steuergerät 6 angesteuert. Der Radialmotor 16 ist mit einem Radialpositionsgeber 18 verbunden, welcher Radialpositionsdaten über eine Signalleitung 19 an das Steuergerät 6 übermittelt. Mithilfe des Radialmotors 16 kann der Schweißkopf 13 in Radialrichtung 20, die hier mit der Vertikalrichtung übereinstimmt, verschoben werden. Dabei ändert sich der Abstand der Schweißspitze 14 von der Oberfläche des Werkstückes 1.
Der Schweißkopf 13 ist weiterhin mit einem Abstandsmesser 21 versehen, der berührungslos mithilfe akustischer oder optischer Signale 22 den Abstand zwischen Schweißspitze 14 und Werkstückoberfläche bestimmt. Die Abstandssignale gelangen über eine Signalleitung 23 in das Steuergerät 6.
Der Abstandsmesser kann aber auch unabhängig vom radial bewegten Schweißkopf angeordnet sein, wobei die Abstandsmessung zeitlich vor dem jeweiligen Schweißvorgang erfolgt.
In 3 erkennt man einen Kippmotor 24, der über eine Steuerleitung 25 vom Steuergerät 6 ansteuerbar ist. Der Kippmotor 24 wirkt über Stellelemente 26 auf den Schweißkopf 13 ein, um diesen gegenüber dem Werkstück 1 zu verkippen. Im Idealfall ist die Kipprichtung 27 so angeordnet, dass sich der Schweißkopf 13 um die Schweißspitze 14 als Drehpunkt kippen lässt. In 3 ist ein gekippter Zustand des Schweißkopfes 13 nach links mit durchgezogenen Linien dargestellt. Eine Stellung des Schweißkopfes 13 im nicht gekippten Zustand ist mit gestrichelten Linien dargestellt. Selbstverständlich ist auch eine Kippung des Schweißkopfes 13 gegenüber der gestrichelten Stellung nach rechts möglich. Die mit durchgezogenen Linien dargestellte Kippstellung des Schweißkopfes 13 ist insbesondere von Vorteil bei einer steigenden Schweißung, beispielsweise in einer Situation, wenn man die 3 im Uhrzeigersinn um 90° dreht und das Werkstück 1 während der Schweißung durch den Drehmotor 3 ebenfalls im Uhrzeigersinn gedreht wird.
In 2 sind vier Phasen des Schweißvorganges dargestellt. Die Drehung des Werkstückes 1 erkennt man an der Markierung 28, die zwischen den dargestellten Momentaufnahmen jeweils um 45° gedreht wird. In der ersten Phase a steht der Schweißkopf 13 mittig und senkrecht über der Markierung 28. Die Tangente 29 an die Werkstoffoberfläche ist genau horizontal ausgerichtet. Dies bedeutet, dass die Schweißung weder fallend noch steigend erfolgt. Dieselbe Darstellung von 2 lässt sich allerdings auch im Sinne einer fallenden Schweißung interpretieren, wenn man die Darstellungen der 2 jeweils entgegen dem Uhrzeigersinn um einen vorgegebenen Winkel, beispielsweise 30° dreht, und alle Phasen a bis d unter diesem Winkel betrachtet, während das Werkstück 1 im Drehsinn 4 imaginär im Uhrzeigersinn gedreht wird. Ebenso erhält man entsprechend eine steigende Schweißung, wenn man die 2 beispielsweise um 30° im Uhrzeigersinn dreht und in dieser Stellung die einzelnen Phasen a bis d betrachtet, während das Werkstück 1 imaginär im Drehsinn 4 gedreht wird.
Um stets eine waagerechte Tangente 29 zu erhalten, muss aber der Schweißkopf 13 in der Phase b aus der gestrichelt gezeichneten Position nach links in die mit durchgezogenen Linien dargestellte Position verschoben werden. Die Verschiebung erfolgt in Tangentialrichtung 10 nach links. In Position c ist der Schweißkopf 13 in der entgegengesetzten Tangentialrichtung 10 wieder nach rechts in die Ausgangsposition wie bei Phase a zu verschieben, um die Tangente 29 in horizontaler Richtung zu halten. Bei der weiteren Drehung des Werkstückes 1 in die unter d dargestellte Phase muss der Schweißkopf 13 jetzt weiter nach rechts in Tangentialrichtung 10 verschoben werden, um die Tangente 29 weiterhin in horizontaler Richtung zu stabilisieren. Bei der weiteren Drehung des Werkstückes 1 im Drehsinn 4 muss der Schweißkopf 13 wiederum nach links in Tangentialrichtung 10 verschoben werden, bis er die Ausgangssituation a erreicht. Von hier ausgehend wiederholt sich das Spiel bei jeder halben Umdrehung des Werkstückes 1 um den Drehwinkel 180°.
Wäre der Schweißkopf 13 bezüglich der Tangentialrichtung 13 fixiert, so hätte man in der Phase b die gestrichelt dargestellte Position, bei der die Schweißspitze 14 auf einen Punkt der Werkstückoberfläche zeigt, dessen gestrichelt dargestellte Tangente 30 von der Horizontalen abweicht. Beim vorgegebenen Drehsinn 4 hätte man in der Phase b eine steigende Schweißung. Anders ist die Situation in der Phase d, wo der gestrichelt dargestellte Schweißkopf 13 ohne seitliche Verschiebung mit seiner Schweißspitze 14 auf einen Punkt der Werkstückoberfläche zeigt, in dem die Tangente 30 ebenfalls gegenüber der Horizontalen gekippt ist. Beim vorgegebenen Drehsinn 4 erhält man in Phase d mit einem Schweißkopf in der gestrichelten Stellung eine fallende Schweißung. In Stellung c hingegen stimmen die Tangenten 29 und 30 beide mit der Horizontalen überein und die Schweißung ist weder fallend noch steigend. Dasselbe gilt für die Phase a.
Wird also der Schweißkopf 13 nicht in tangentiale Richtung verschoben, so ergäbe sich in Phase a eine neutrale, in Phase b eine steigende, in Phase c eine neutrale und in Phase d eine fallende Schweißung. Hingegen wird durch die erfindungsgemäße seitliche Verschiebung des Schweißkopfes 13 stets eine gleichbleibende Ausrichtung der Tangente 29 erzielt, je nach den technischen Anforderungen neutral, fallend oder steigend.
Wegen der nicht rotationssymmetrischen Form des Werkstückes 1 ist allerdings eine Verschiebung des Schweißkopfes 13 nicht allein in Tangentialrichtung 10 erforderlich, sondern auch in Radialrichtung 20. Nur durch die mittels Abstandsmesser 21 und der entsprechenden Steuerlogik des Steuergerätes 6 automatisch durchgeführten Abstandsanpassung der Schweißspitze 14 des Schweißkopfes 13 an die Werkstückoberfläche in Radialrichtung 20 wird eine optimale Schweißung unter Verschiebung des Schweißkopfes 13 in Tangentialrichtung 10 gewährleistet. Das erfindungsgemäße Zusammenwirken der beiden Stellmotoren 8, 16 ist hierfür erforderlich.
Im Ausführungsbeispiel von 1 wirkt der Tangentialmotor 8 auf den durch die Drehachse 2 symbolisierten Drehtisch und der Radialmotor 16 auf den Schweißkopf 13 ein. Auf diese Weise kann die zweidimensionale Verschiebung mit besonders einfachen maschinenbaulichen Komponenten verwirklicht werden. Die Erfindung umfasst aber auch solche Vorrichtungen, bei denen beide Stellmotoren entweder auf den Schweißkopf 13 einwirken oder beide Stellmotoren auf den durch die Drehachse 2 symbolisierten Drehtisch einwirken.
Ein sehr wichtiger Aspekt der Erfindung ist in der automatischen Ermittlung des Rotationsabstandes r zwischen Drehachse 2 und Schweißspitze 14 zu sehen. Das Steuergerät kann aus dem jeweils momentanen Rotationsabstand r(φ), der vom Drehwinkel φ abhängt und der vorgegebenen oder beispielsweise über einen Drehgeber ermittelten Drehgeschwindigkeit des Drehmotors 3 bzw. des Werkstückes 1 jederzeit die Umfangsgeschwindigkeit an der zu schweißenden Oberfläche des Werkstückes 1 ermitteln. Durch diese Erfindung kann das Steuergerät 6 ohne vorherige Programmierung durch teures Fachpersonal die Winkelgeschwindigkeit dφ/dt des Drehmotors 3 stets so einregeln, dass unter Berücksichtigung des vom Drehwinkel abhängigen, veränderlichen Rotationsabstandes r(φ) dennoch eine konstante Umfangsgeschwindigkeit v₁ eingestellt wird.
Diese Umfangsgeschwindigkeit kann selbst schon die konstante Schweißgeschwindigkeit sein. Diese Maßnahme ist in den Ansprüchen 9 und 15 beschrieben. In den Ansprüchen 8 und 14 ist eine Betriebsweise beschrieben, bei der die Winkelgeschwindigkeit dφ/dt konstant bleibt und eine konstante Schweißgeschwindigkeit durch Addition einer Tangentialbewegung v₂ des Schweißkopfes zur Umfangsgeschwindigkeit v₁ des Werkstückes erreicht wird. Diese Methode ist in 4 veranschaulicht. In einem dritten Betriebsverfahren kann das automatische Schweißgerät auch die Tangentialverschiebung 10 des Schweißkopfes 13 wie in 2 dargestellt zur Erzielung einer konstanten Schweißstellung, entweder neutral oder steigend oder fallend verwenden, während die konstante Schweißgeschwindigkeit wiederum durch eine Anpassung der Drehgeschwindigkeit des Drehmotors 3 erzielt wird. Diese Situation ist in den Ansprüchen 10 und 16 beschrieben.
Mit allen beschriebenen Betriebsverfahren kann noch die in 3 dargestellte Kippung des Schweißkopfes 13 mittels Kippmotor 24 in Kipprichtung 27 kombiniert werden.
Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung durch die zweidimensionale Verstellbarkeit des Schweißkopfes 13 gegenüber der Drehachse 2 des Werkstückes 1 ein durchgehend fallendes oder steigendes Schweißen, eine konstante Schweißgeschwindigkeit unabhängig vom nicht rotationssymmetrischen Querschnitt des Werkstückes 1, einen vorgebbaren Schweißwinkel 31 zwischen Schweißkopf 13 und Tangente 29, 30 an die Werkstückoberfläche und eine Messung des Drehwinkel bezogenen momentanen Rotationsradius r(φ), der ohne Programmierung des Steuergerätes 6 eine automatische Einstellung des Schweißabstandes der Schweißspitze 14, der konstanten Schweißgeschwindigkeit und der konstanten Schweißstellung (fallend, neutral, steigend) ermöglicht.

1: Werkstück
2: Drehachse
3: Drehmotor
4: Drehsinn
5: Steuerleitung
6: Steuergerät
7: Steuerleitung
8: Tangentialmotor
9: Stellelemente
10: Tangentialrichtung
11: Tangentialpositionsgeber
12: Signalleitung
13: Schweißkopf
14: Schweißspitze
15: Stellelemente
16: Radialmotor
17: Steuerleitung
18: Radialpositionsgeber
19: Signalleitung
20: Radialrichtung
21: Abstandsmesser
22: Signale
23: Signalleitung
24: Kippmotor
25: Steuerleitung
26: Stellelemente
27: Kipprichtung
28: Markierung
29: Tangente
30: Tangente
31: Schweißwinkel
v₁: Umfangsgeschwindigkeit des Werkstückes
v₂: Tangentialbewegung des Schweißkopfes
φ: Drehwinkel
r(φ): drehwinkelabhängiger Rotationsabstand
r: Rotationsabstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20101452 U1 [0004]

Claims

Automatische Schweißvorrichtung mit mindestens einem Schweißkopf (13) und einem Drehtisch zum Einspannen eines zu schweißenden Werkstückes (1), mit einem Drehmotor (3) zum Rotieren des Drehtisches und des Werkstückes (1) um eine Drehachse (2) während des Schweißvorgangs, mit mindestens einem Stellmotor (8, 16) zum Verändern der relativen Lage von Schweißkopf (13) zur Drehachse (2) des Drehtisches, mit einer Steuereinrichtung (6) zum automatischen Steuern des Schweißvorgangs einschließlich der relativen Lage von Schweißkopf (13) zur Drehachse (2) des Drehtisches, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stellmotoren (8, 16) derart angeordnet sind, dass eine zweidimensionale Verschiebung der relativen Lage von Schweißkopf (13) zur Drehachse (2) des Drehtisches ausführbar ist, insbesondere in Radialrichtung (20) und in Tangentialrichtung (10).
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radialmotor (16) zur Verschiebung in Radialrichtung (20) und ein Tangentialmotor (8) zur Verschiebung in Tangentialrichtung (10) vorgesehen ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stellmotoren (8, 16) auf den Schweißkopf (13) einwirken.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stellmotoren (8, 16) auf die Drehachse (2) des Drehtisches einwirken.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialmotor (16) auf den Schweißkopf (13) und der Tangentialmotor (8) auf die Drehachse (2) des Drehtisches einwirkt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tangentialmotor (8) auf den Schweißkopf (13) und der Radialmotor (16) auf die Drehachse (2) des Drehtisches einwirkt.
Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) mit einem Abstandsmesser (21) verbunden ist, der den Abstand zwischen der Schweißspitze (14) des Schweißkopfes (13) und dem zu schweißenden Bereich des Werkstückes (1) bestimmt, und dass die Steuereinrichtung (6) die Stellmotoren (8, 16), vorzugsweise den Radialmotor (16), derart ansteuert, dass ein für den Schweißvorgang geeigneter Abstand zum Schweißbereich selbsttätig eingehalten wird.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmotoren (8, 16) oder zumindest der Radialmotor (16) mit Positionsgebern (11, 18) in Verbindung stehen, welche Positionsdaten an das Steuergerät (6) übermitteln, aus denen zumindest näherungsweise der momentane Rotationsabstand (r) der Schweißspitze (14) des Schweißkopfes (13) in Bezug auf die Drehachse (2) des Drehtisches ermittelbar ist, dass das Steuergerät (6) unter Berücksichtigung der dem Drehmotor (3) vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit (dφ/dt) des Drehtisches und dem momentanen Rotationsabstand (r) eine erste momentane Komponente (v₁) der tangentialen Relativgeschwindigkeit zwischen Schweißbahn am Werkstück (1) und Schweißspitze (14) ermittelt und die Stellmotoren (8, 16) derart ansteuert, dass eine zweite momentane Komponente (v₂) der tangentialen Relativgeschwindigkeit erzeugt wird, die sich mit der ersten momentanen Komponente (v₁) zu einer konstanten Schweißgeschwindigkeit (const.) addiert.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmotoren (8, 16) oder zumindest der Radialmotor (16) mit Positionsgebern (11, 18) in Verbindung stehen, welche Positionsdaten an das Steuergerät (6) übermitteln, aus denen zumindest näherungsweise der momentane Rotationsabstand (r) der Schweißspitze (14) des Schweißkopfes (13) in Bezug auf die Drehachse (2) des Drehtisches ermittelbar ist, dass das Steuergerät (6) den Drehmotor (3) derart ansteuert, dass die momentane Winkelgeschwindigkeit (dφ/dt) des Drehtisches umgekehrt proportional zum momentanen Rotationsabstand (r) ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (6) aus der Änderung des Rotationsabstandes (r) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (φ) des Drehtisches die Richtung einer Tangente (29) an die Schweißbahn des Werkstückes (1) berechnet und die Stellmotoren (8, 16) oder zumindest den Tangentialmotor (8) so ansteuert, dass entweder ein konstant steigendes oder konstant fallendes Schweißen gewährleistet ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialmotor (16) mit einem Radialpositionsgeber (18) in Verbindung steht, welcher Radialpositionsdaten an das Steuergerät (6) übermittelt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialmotor (16) mit einem Radialpositionsgeber (18) und der Tangentialmotor (8) mit einem Tangentialpositionsgeber (11) in Verbindung steht, welche jeweils ihre Positionsdaten an das Steuergerät (6) übermitteln und dass der momentane Rotationsabstand (r) aus den Radialpositionsdaten und den Tangentialpositionsdaten unter Berücksichtigung des Winkels zwischen der Verschieberichtung des Radialmotors (16) und der Verschieberichtung des Tangentialmotors (8) ermittelt wird.
Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein auf den Schweißkopf (13) einwirkender Kippmotor (24) vorgesehen ist, mit dem ein vorgebbarer Winkel (31) zwischen dem Schweißkopf (13) und der Tangente an die Schweißbahn am Werkstück (1) einstellbar ist.
Schweißverfahren unter Verwendung einer automatischen Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehtisch mit konstanter Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, dass der Abstand zwischen der Schweißspitze (14) des Schweißkopfes (13) und der Schweißbahn am Werkstück (1) bestimmt wird, dass die Stellmotoren (8, 16) derart angesteuert werden, dass ein für den Schweißvorgang geeigneter Abstand zur Schweißbahn selbsttätig eingehalten wird, dass aus den Positionsdaten, die dem so eingestellten Abstand entsprechen, ein momentaner Rotationsabstand (r) ermittelt und unter Berücksichtigung der konstanten Winkelgeschwindigkeit (dφ/dt) des Werkstückes (1) eine erste momentane Komponente (v₁) der tangentialen Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstückoberfläche und Schweißspitze (14) ermittelt und die Stellmotoren (8, 16) derart angesteuert werden, dass eine zweite momentane Komponente (v₂) der tangentialen Relativgeschwindigkeit erzeugt wird, die sich mit der ersten momentanen Komponente (v₁) zu einer konstanten Schweißgeschwindigkeit (const.) addiert.
Schweißverfahren unter Verwendung einer automatischen Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Schweißspitze (14) des Schweißkopfes (13) und der Schweißbahn am Werkstück (1) bestimmt wird, dass die Stellmotoren (8, 16) derart angesteuert werden, dass ein für den Schweißvorgang geeigneter Abstand zur Schweißbahn selbsttätig eingehalten wird, dass aus den Positionsdaten, die dem so eingestellten Abstand entsprechen, ein momentaner Rotationsabstand (r) ermittelt und der Drehmotor (3) derart angesteuert wird, dass die momentane Winkelgeschwindigkeit (dφ/dt) des Drehtisches umgekehrt proportional zum momentanen Rotationsabstand (r) ist.
Schweißverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Änderung des Rotationsabstandes (r) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (φ) des Drehtisches die Richtung der Tangente (30) an die Schweißbahn des Werkstückes (1) berechnet und die Stellmotoren (8, 16) oder zumindest der Tangentialmotor (8) so angesteuert werden, dass sich entweder ein konstant steigendes oder ein konstant fallendes Schweißen ergibt.