DE102009049327A1 - Method for controlling a welding robot, for welding with a welding tong and a force detecting device for detecting reaction forces on the welding tong, comprises determining a sum of reaction forces on the welding tong - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Kontrollvorrichtung zum Schweißen mittels einer Positioniervorrichtung, insbesondere eines Schweißroboters.The present invention relates to a method and a control device for welding by means of a positioning device, in particular a welding robot.
Beim Widerstandspunktschweißen (WPS) werden beispielsweise zu fügende Bleche durch zwei Schweißelektroden zusammengepresst und ein Schweißstrom durch die Elektroden und Bleche geleitet, wobei durch den erhöhten Übergangswiderstand zwischen den Blechen deren Temperatur so weit erhöht wird, dass die Bleche dort verschmelzen.In resistance spot welding (WPS), for example, sheets to be joined are pressed together by two welding electrodes and a welding current is conducted through the electrodes and sheets, whereby the elevated contact resistance between the sheets increases their temperature to such an extent that the sheets fuse there.
Wird dies automatisiert durch eine Positioniervorrichtung wie beispielsweise einen Schweißroboter ausgeführt, so fährt diese positionsgeregelt vorgegebene Posen an, um Schweißzange und Werkstück(e) relativ zueinander zu positionieren. Hierzu kann die Positioniervorrichtung das Werkstück und/oder die Schweißzange bewegen. Beispielsweise kann ein Schweißroboter eine robotergeführte Schweißzange an einem feststehenden Werkstück ansetzen oder umgekehrt ein gegriffenes Werkstück einer stationären Schweißzange zuführen.If this is carried out automatically by a positioning device, such as a welding robot, it moves in a positionally regulated manner to position the welding gun and workpiece (s) relative to one another. For this purpose, the positioning device can move the workpiece and / or the welding tongs. For example, a welding robot can attach a robot-guided welding gun to a stationary workpiece or conversely supply a gripped workpiece to a stationary welding gun.
Bei der Anfahrt und/oder in der Schweißpose wird durch Bewegung wenigstens einer Elektrode zur anderen Elektrode hin die Schweißzange geschlossen und ein Schweißpunkt erzeugt. Die Posen zum Setzen der Schweißpunkte können beispielsweise vorab durch manuelles Anfahren geteacht oder offline, beispielsweise auf Basis bekannter Werkstück- und Fertigungszellendaten, programmiert und zum Beispiel durch Proportional-Integral-Differential-Einzelgelenkregler angefahren werden.When approaching and / or in the welding pose, the welding tongs are closed by movement of at least one electrode towards the other electrode and a spot weld is produced. The poses for setting the welding points can, for example, be taught beforehand by manual starting or can be programmed offline, for example on the basis of known workpiece and production cell data, and approached, for example, by proportional-integral-differential universal joint controllers.
Weicht nun im Betrieb die Position, i. e. Lage und/oder Orientierung, eines zu schweißenden Werkstücks relativ zu einem Werkzeugreferenzsystem der Positioniervorrichtung wie zum Beispiel dem TCP („tool center point”) eines Schweißroboters von der Position ab, bezüglich der die Pose vorgegeben wurde, da beispielsweise Bleche verformt oder ungenau in einem Zubringwerkzeug eingespannt oder Zubringwerkzeug und Positioniervorrichtung ungenau zueinander positioniert sind, versucht die Positionsregelung gewaltsam, die Referenzposition zu erreichen. Dadurch kann es, insbesondere bei hoch- und höchstfesten Blechen, zu einer Verschlechterung bzw. einem Versagen des Schweißprozesses, einer Beschädigung von Werkstück, Werkzeug und/oder Positioniervorrichtung und dergleichen kommen.If the position deviates during operation, i. e. Position and / or orientation, of a workpiece to be welded relative to a tool reference system of the positioning device such as the TCP ("tool center point") of a welding robot from the position with respect to the pose was given, for example, because sheets deformed or inaccurate in one When the feed tool is clamped or the feed tool and positioning device are positioned inaccurately with respect to each other, the position control forcibly tries to reach the reference position. This can lead to a deterioration or failure of the welding process, damage to the workpiece, tool and / or positioning device and the like, in particular in the case of high-strength and ultra-high-strength metal sheets.
Daher werden in der Praxis bisher schwimmend gelagerte Schweißzangen vorgesehen, die die Schweißzange während des Schweißvorgangs von Querkräften entkoppeln. Insbesondere bei nicht stationären, geführten Schweißzangen muss zum Anfahren der nächsten Pose dieser sogenannte Zangenausgleich fixiert werden, um die Schweißzange präzise positionieren zu können. Dies bedingt schwere, aufwändige, energieverbrauchende und fehleranfällige Mechaniken.Therefore, in practice hitherto floating welding tongs are provided, which decouple the welding tongs from transverse forces during the welding process. In particular with non-stationary, guided welding tongs, this so-called tong compensation must be fixed for approaching the next pose in order to be able to precisely position the welding tongs. This requires heavy, complex, energy-consuming and error-prone mechanics.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das automatisierte Schweißen zu verbessern.The object of the present invention is to improve automated welding.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 8 stellt eine Vorrichtung, Anspruch 9 bzw. 10 ein Computerprogramm bzw. ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger bzw. ein Speichermedium, zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Claim 8 provides a device, claim 9 or 10, a computer program or a computer program product, in particular a data carrier or a storage medium, for performing a method according to claim 1 under protection. The subclaims relate to advantageous developments.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, mit einer Positioniervorrichtung, insbesondere einem Schweißroboter, eine oder mehrere Schweißposen geregelt anzufahren. Dabei wird unter einer Regelung insbesondere die Bestimmung und Ausgabe von Stellgrößen, etwa Soll-Antriebskräften und/oder -momenten, Strömen, Leistungen oder dergleichen, von Antriebseinheiten der Positioniervorrichtung wie beispielsweise Elektromotoren verstanden, die auf Basis rückgeführter Ist-Größen, insbesondere Posen, Gelenkpositionen und/oder Gelenkgeschwindigkeiten, erfolgt. Beispielsweise kann hierzu eine Einzelgelenkregelung, etwa eine PID-Regelung, vorgesehen sein, die Stellgrößen proportional zu einer Regeldifferenz zwischen Soll- und Ist-Gelenkpositionen und/oder Zeitableitungen und/oder -integralen hiervon bestimmt. Die Regelung kann gleichermaßen im kartesischen Raum durch Vergleich von Soll- und Ist-Position (bzw. deren zeitlichen Ableitungen und/oder Integralen) und/oder modellbasiert erfolgen.The present invention provides, with a positioning device, in particular a welding robot to approach one or more Schweißposen regulated. In this case, a regulation is in particular the determination and output of manipulated variables, such as nominal drive forces and / or torques, currents, powers or the like, understood by drive units of the positioning such as electric motors, based on traced actual sizes, in particular poses, joint positions and / or joint speeds. For example, for this purpose, a single joint control, such as a PID control, be provided, the manipulated variables proportional to a control difference between desired and actual joint positions and / or time derivatives and / or integrals thereof determined. The control can equally be done in Cartesian space by comparing setpoint and actual position (or their temporal derivatives and / or integrals) and / or model-based.
Erfindungsgemäß wird nun softwaretechnisch eine angefahrene Schweißpose der Positioniervorrichtung während des Schließens einer Schweißzange, während des Schweißvorgangs und/oder während des Öffnens der Schweißzange, nachfolgend zusammenfassend als Aktivierung der Schweißzange bezeichnet, nachgiebig gehalten. Die solcherart in ihrer Kontrolle „weich” geschaltete Positioniervorrichtung kann dann Reaktionskräften, die aufgrund von Fehlpositionierungen beim Anfahren des Werkstückes auf die Schweißzange wirken, durch Änderung ihrer Pose nachgeben und sich so bezüglich der tatsächlichen Werkstückposition justieren, so dass ein aufwändiger mechanischer Zangenausgleich entfallen kann, der bislang zwischen der steif positionsgeregelt in ihrer Referenzpose verharrenden Positioniervorrichtung und dem versetzten Werkstück ausgleicht.According to the invention a softened weld pose of the positioning device during the closing of a welding gun, during the welding process and / or during the opening of the welding gun, hereinafter collectively referred to as activation of the welding gun, is now compliant. The thus "soft" switched in their control positioning can then yield reaction forces that act due to incorrect positioning when starting the workpiece on the welding gun by changing their pose and adjust so with respect to the actual workpiece position, so that a complex mechanical pliers compensation can be omitted the previously compensated between the stiff positionally controlled in their Referenzpose persistent positioning and the staggered workpiece.
In einer vorteilhaften Ausführung kann hierzu die Schweißpose gesteuert gehalten werden. Dabei wird unter einer Steuerung im Gegensatz zur oben erläuterten Regelung insbesondere die Bestimmung und Ausgabe von Stellgrößen unabhängig von Ist-Größen, insbesondere Gelenkpositionen verstanden.In an advantageous embodiment, the welding pose can be kept controlled for this purpose. there In contrast to the regulation explained above, a control is understood to mean, in particular, the determination and output of manipulated variables independent of actual variables, in particular joint positions.
Hierzu kann in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Positionsregelung, mit der die Schweißpose präzise angefahren wird, beim Schließen der Schweißzange, während des Schweißvorgangs und/oder beim Öffnen der Schweißzange unterdrückt werden, beispielsweise, indem Regeldifferenzen zu Null gesetzt bzw. Soll-Größen auf Ist-Größen gesetzt werden, so dass keine Schleppfehler vorliegen. Weist die Positionsregelung eine Vorsteuerung auf, kann diese weiterhin aktiv bleiben. Vorzugsweise kann zwischen einer Regelung mit und einer Steuerung ohne Berücksichtigung rückgeführter Posen bzw. Positionen der Positioniervorrichtung umgeschaltet werden.For this purpose, in a preferred embodiment of the present invention, a position control, with which the welding pose is approached precisely, be suppressed during closing of the welding gun, during the welding process and / or during opening of the welding gun, for example by setting control differences to zero or setpoint variables be set to actual sizes, so that there are no following errors. If the position control has a feedforward control, this can still remain active. Preferably, it is possible to switch over between a closed-loop control system and a control without consideration of returned poses or positions of the positioning device.
In einer bevorzugten Ausführung kann die Steuerung vorbestimmte Kräfte, insbesondere Gewichtskräfte, kompensieren, die beispielsweise auf die Positioniervorrichtung wirken, indem beispielsweise die hierzu erforderlichen Stellgrößen, etwa Antriebskräfte bzw. -momente, Ströme oder dergleichen vorab bestimmt, abgespeichert und während der Aktivierung der Schweißzange zur Ansteuerung der Aktuatoren der Positioniervorrichtung verwendet werden.In a preferred embodiment, the controller can compensate for predetermined forces, in particular weight forces, which act, for example, on the positioning device, for example by determining the manipulated variables required for this purpose, such as drive forces or moments, currents or the like, and storing them during activation of the welding gun Actuation of the actuators of the positioning device can be used.
Auch eine Steuerung, insbesondere Positionssteuerung, im Sinne der vorliegenden Erfindung kann noch eine untergeordnete Regelschicht, etwa in Form eines Stromreglers oder dergleichen aufweisen, die Unterscheidung zwischen (Positions)Regelung und (Positions)Steuerung bezieht sich insofern insbesondere darauf, ob Pose bzw. Gelenkpositionen der Positioniervorrichtung rückgeführt und berücksichtigt werden (Regelung) oder nicht (Steuerung).A control, in particular position control, within the meaning of the present invention may also have a subordinate control layer, for example in the form of a current regulator or the like, the distinction between (position) control and (position) control in particular refers to whether pose or joint positions the positioning are returned and taken into account (control) or not (control).
Wird, spätestens beim oder nach dem Öffnen der Schweißzange, wieder auf die Positionsregelung umgeschaltet, um die nächste Schweißpose anzufahren, kann die aktuelle Ist-Pose der Positioniervorrichtung aufgrund ihres Nachgebens während der Aktivierung der Schweißzange derart von der angefahrenen Soll-Pose abweichen, dass ein abruptes Umschalten zu einem Sprung in der Regelabweichung und somit zu einer Schwingungsanregung oder einem Ansprechen einer Schleppfehlerüberwachung führt. Daher wird in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung nach dem nachgiebigen Halten der Schweißpose zunächst, vorzugsweise für einen vorgegebenen Zeitraum, die aktuelle Pose beim Beenden des Schließens oder Öffnens der Schweißzange oder des Schweißvorganges als Soll-Pose einer Regelung verwendet.Is, at the latest when or after the opening of the welding gun, switched back to the position control to approach the next welding pose, the current actual pose of the positioning due to their yielding during activation of the welding gun so different from the approached target pose that a abrupt switching leads to a jump in the system deviation and thus to a vibration excitation or a response of a following error monitoring leads. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, after compliantly holding the welding pose, first, preferably for a predetermined period of time, the current pose is used as the target pose of a control upon completion of closing or opening of the welding gun or welding operation.
Wenn während des nachgiebigen Haltens der Schweißpose die Positionsregelung nicht sicherstellt, dass die Positioniervorrichtung ihre Schweißpose, wenigstens näherungsweise, hält, kann in einer bevorzugten Ausführung während des nachgiebigen Haltens der Schweißpose die aktuelle Pose überwacht werden. Wird die Differenz zwischen dieser aktuellen Pose und der angefahrenen, theoretisch zu haltenden Schweißpose zu groß, kann eine entsprechende Reaktion erfolgen, insbesondere ein Halt, vorzugsweise Nothalt der Positioniervorrichtung.In a preferred embodiment, if during the compliant holding of the welding pose, the position control does not ensure that the positioning device holds its weld pose, at least approximately, during the compliant holding of the weld pose, the current pose can be monitored. If the difference between this current pose and the approached, theoretically maintained welding pose too great, a corresponding reaction can take place, in particular a stop, preferably emergency stop of the positioning device.
An Stelle einer Unterdrückung der Positionsregelung, unter der, wie vorstehend erläutert, insbesondere eine kartesische, Posen- bzw. Gelenkpositionsregelung verstanden wird, kann diese auch entsprechend modifiziert werden, um während der Aktivierung der Schweißzange die Schweißpose nachgiebig zu halten. Beispielsweise können hierzu Stellgrößenbeschränkungen, etwa Maximalwerte, auf die Antriebskräfte und/oder -momente begrenzt werden, entsprechend reduziert werden, so dass die Positioniervorrichtung einer Verschiebung aus ihrer angefahrenen Schweißpose aufgrund des Kontakts mit dem versetzten Werkstück nur noch diese verringerten Maximalwerte entgegensetzt. Vorzugsweise erfolgt dies für alle Bewegungsachsen der Positioniervorrichtung. Gleichermaßen ist es möglich, eine Kraftregelung zu verwenden, insbesondere von Positions- auf Kraftregelung umzuschalten, wobei Soll-Kraftwerte der Kraftregelung während der Aktivierung der Schweißzange entsprechend niedrig vorgegeben werden. Es kann auch genügen, den Integral-Anteil einer PI(D)-Regelung zu reduzieren oder zu eliminieren, da die Positioniervorrichtung dann einem Ausweichen aufgrund des Kontakts mit einem versetzten Werkstück nur eine Kraft entgegensetzt, die proportional zu diesem Versatz ist, jedoch mit verbleibendem Versatz nicht bzw. nur wenig anwächst.Instead of a suppression of the position control, which, as explained above, in particular a Cartesian, Posen- or joint position control is understood, this can also be modified accordingly to keep the welding pose yielding during the activation of the welding gun. For example, manipulated variable limitations, such as maximum values, to which the drive forces and / or torques are limited, can be correspondingly reduced so that the positioning device only opposes a reduced shift from its approached welding pose due to the contact with the offset workpiece. This is preferably done for all movement axes of the positioning device. Similarly, it is possible to use a force control, in particular to switch from position to force control, wherein desired force values of the force control during activation of the welding gun are set correspondingly low. It may also be sufficient to reduce or eliminate the integral portion of a PI (D) control, since the positioner will then oppose dodge due to contact with a staggered workpiece only with a force proportional to that offset, but with remaining Offset does not increase or grows only slightly.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:Further advantages and features emerge from the subclaims and the exemplary embodiments. This shows, partially schematized:
Eine Kontrollvorrichtung
Zum Anfahren einer Schweißpose, wie sie exemplarisch in
Hat der Roboter die geteachte Schweißpose qt angefahren (
Damit wird die Schweißpose gesteuert und somit nachgiebig gehalten, da die Stellgröße für den Stromregler RS nicht mehr von dem Positionsregler R in Abhängigkeit der Ist-Pose, sondern unabhängig von dieser von der Steuerung S auf Basis des vorbestimmten Stromwertes bestimmt wird. Gewichts- und andere eingeprägte Kräfte werden dabei durch diese Steuerung näherungsweise kompensiert, so dass die Pose des Roboters mit entsprechend geringen äußeren Kräften verändert werden kann.Thus, the welding pose is controlled and thus held compliant, since the manipulated variable for the current controller RS is no longer determined by the position controller R as a function of the actual pose, but independently of this by the controller S based on the predetermined current value. Weight and other impressed forces are approximately compensated by this control, so that the pose of the robot with correspondingly small external forces can be changed.
Nun wird die Zange
Hat sich dabei seine Pose durch ein Nachgeben beim Aktivieren der Schweißzange gegenüber der ursprünglich unter Positionsregelung angefahrenen Pose verändert, würde die abrupte Vorgabe dieser ursprünglich angefahrenen Pose zu einem großen Schleppfehler mit entsprechenden Regelproblemen führen.Has his pose changed by a yielding when activating the welding gun compared to the originally approached under position control pose, the abrupt specification of this originally approached pose would lead to a large following error with corresponding control problems.
Daher wird zum Umschalten auf die Positionsregelung (
Hat die Soll-Pose qs der Regelung nach Δt die ursprünglich unter Positionsregelung angefahrenen Pose qs,SPS erreicht (S50: „J”), kann die Umschalteinrichtung
Die Kontrollvorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Roboterrobot
- 22
- Schweißzangewelding gun
- 33
- Werkstücke (Bleche)/ReferenzkonfigurationWorkpieces (sheets) / reference configuration
- 44
- Kontrollvorrichtungcontrol device
- RR
- Positionsreglerposition controller
- RSRS
- Stromreglercurrent regulator
- SS
- Positionssteuerungposition control
- aktuelle Pose (Gelenkwinkel)current pose (joint angle)
- qs q s
- Soll-PoseDesired pose
- qs,SPS qs , PLC
- Schweiß-Soll-PoseWelding desired pose
Claims (10)
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