DE102013107229B4 - Fügevorrichtung zum stirnseitigen Fügen eines Überlappstoßes - Google Patents

Abstract

Fügevorrichtung (1) zum Fügen von Werkstücken (3) mittels eines Energiestrahls (5), aufweisend: – eine mitlaufende Spanneinrichtung (9) zum Einspannen der zu fügenden Werkstücke (3) unter Ausbildung eines Überlappstoßes (13), wobei die Spanneinrichtung Spannelemente (15, 17) zum Angreifen an den Werkstücken und mindestens ein Positionsreferenzelement (31, 32) aufweist, – einen optischen Sensor (33), der zum Erfassen der Positionierung des Überlappstoßes (13) bezüglich einer senkrecht zu einer Stirnfläche (21) des Überlappstoßes verlaufenden Vertikalrichtung (z) ausgebildet ist, – einen optischen Sensor, der zum Erfassen der Positionierung des mindestens einen Positionsreferenzelements (31, 32) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ausgebildet ist, und – eine Strahlführungseinrichtung (11), die ausgebildet ist, einen Energiestrahl (5) von der Stirnseite des Überlappstoßes (13) her auf den Überlappstoß zu richten.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum stirnseitigen Fügen eines Überlappstoßes mittels eines Energiestrahls, z. B. eines Laserstrahls, wobei die Fügevorrichtung z. B. zur Verwendung zum Laserschweißen einer stirnseitigen Flanschverbindung an Karosseriebauteilen vorgesehen sein kann.
• Es ist bekannt, Nähte an einem Überlappstoß – z. B. im Karosseriebau bei Schweißnähten etwa an Türeinstiegsöffnungen, an Türen oder entlang von Bauteilkanten – in Form einer I-Naht oder einer Kehlnaht auszubilden. Dabei kommen in der Regel sogenannte „Fliegende Optiken” in Verbindung mit stationärer oder mitlaufender Spanntechnik zum Einsatz, wobei mechanische Systeme zur Abstützung und Führung einer mitlaufenden Spanntechnik verwendet werden, wobei ein oder mehrere Andruckelemente fest auf dem von dem Überlappstoß gebildeten Verbindungsflansch aufsitzen und als mechanische taktile Führungselemente zum geführten Positionieren der verwendeten Systemtechnik fungieren.
• Beim Verschweißen von verzinkten Blechen im Karosseriebau führt das Laserschweißen von I-Nähten oder Kehlnähten an einem Überlappstoß infolge von Zinkausgasung häufig zu Nähten geringer Nahtqualität, wobei porendurchsetzte Nähte mit vielen Anbindungsfehlern erzeugt werden. Zudem ist der Anbindungsquerschnitt dieser Nähte durch die Blechstärke der zu verschweißenden Bleche begrenzt und die Einschweißtiefen sind, insbesondere bei Mehrblechverbindungen, schlecht reproduzierbar. Da bei der Ausbildung von I-Nähten oder Kehlnähten der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Flanschebene und somit parallel zur Richtung der zum Einspannen der Bleche aufgebrachten Einspannkraft auf den Flansch auftrifft, muss der Flansch hinreichend groß sein, um sowohl genügend Angriffsfläche für die Spannelemente zu bieten als auch ein Auftreffen des Laserstrahls neben den Spannelementen zu ermöglichen. Solche großen Blechflansche gehen mit entsprechend hohem Gewicht einher und sind daher z. B. im Karosseriebau unerwünscht.
• Des Weiteren sind Verfahren und Vorrichtungen zum stirnseitigen Schweißen von Verbindungsflanschen an Blechteilen bekannt. So beschreibt z. B. die WO 2011/147 891 A1 eine Vorrichtung zum stirnseitigen Laserfügen von Blechteilen mit einer mitlaufenden Spanntechnik zum Halten der zu fügenden Blechteile. Als ein anderes Beispiel beschreibt die DE 10 2006 030 060 A1 ein Verfahren zum stirnseitigen Schweißen von Blechen, wobei eine stirnseitige Umschmelzung des gesamten Blechpakets erfolgt, sodass die Flansche der einzelnen Bleche zum Erzeugen der gewünschten Schmelzbadmenge und Schmelzbadanordnung im Wesentlichen dieselbe Länge oder einen definierten Überstand aufweisen müssen. Die US 2004/0104204 A1 beschreibt eine Laserschweißvorrichtung mit einer mitlaufenden Spanntechnik und einem Abstandssensor zum Erfassen des Abstandes zwischen einem Laserbearbeitungskopf und einer Stirnfläche der zu bearbeitenden Werkstücke. Die DE 100 56 329 A1 beschreibt ein optisches Abstandsmessverfahren und einen entsprechenden Abstandssensor.
• Das stirnseitige Schweißen von Flanschen ermöglicht, da der Flansch nunmehr lediglich eine Angriffsfläche für die Spannelemente (und nicht auch zusätzlich eine Auftrefffläche für den Laserstrahl) bieten muss, das Ausbilden von Flanschen mit geringeren Abmessungen und entsprechend geringerem Gewicht. Jedoch können die geringen Flanschabmessungen zu Problemen beim mitlaufenden Einspannen der zu fügenden Werkstücke an den Flanschabschnitten führen, insbesondere zu Fehlpositionierungen der zum Einspannen verwendeten Spannelemente, worunter die Qualität der erzeugten Fügenaht leiden kann. Wird z. B. bei Verwendung eines Roboters als Führungsmaschine die mittels der Führungsmaschine abzufahrende Bewegungsbahn nicht exakt genug vorgegeben oder weisen die zu verschweißenden Bauteile zu starke Toleranzen auf, kann es dazu kommen, dass der Eingriff der Spanntechnik verloren geht oder die Spanntechnik über die Flanschabschnitte der zu fügenden Bauteile hinausläuft und mit den an die Flanschabschnitte anschließenden Abschnitte der zu fügenden Bauteile kollidiert. So sind z. B. herkömmliche Verfahren auf Flanschabmessungen bzw. Flanschhöhen von 12 mm bis 18 mm ausgelegt, wobei es genügt, die Spanntechnik mit einer Genauigkeit von ±3 mm zu positionieren; wobei diese Genauigkeit in der derzeitigen automatisierten Fertigung gut realisierbar ist. Für das stirnseitige Fügen (z. B. Einschweißen) an sehr kurzen Flanschen mit Flanschhöhen von 4 mm bis 8 mm ist jedoch für eine hohe Nahtqualität eine höhere Positioniergenauigkeit nötig.
• Durch die Erfindung wird eine Fügevorrichtung zum stirnseitigen Fügen eines Überlappstoßes bereitgestellt, mittels derer ein zuverlässiges Ausbilden einer Naht mit einer hohen Nahtqualität und insbesondere ein zuverlässiges und exaktes Positionieren einer mitlaufenden Spanntechnik ermöglicht ist.
• Gemäß der Erfindung wird eine Fügevorrichtung zum Fügen mehrerer (mindestens zweier) Werkstücke mittels eines Energiestrahls bereitgestellt, wobei die Werkstücke z. B. Blechteile sein können. Der Energiestrahl kann z. B. ein Laserstrahl sein; es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Energiestrahl allgemein ein Strahl elektromagnetischer Strahlung (z. B. ein Infrarotstrahl), ein Teilchenstrahl (z. B. ein Elektronenstrahl) oder ein Schallstrahl (z. B. in Form von gerichtetem Ultraschall) ist.
• Während des Fügens wird die Fügevorrichtung entlang eines vorgesehenen Nahtverlaufs relativ zu den zu fügenden Werkstücken verfahren. Die Fügevorrichtung kann z. B. mittels einer Führungsmaschine, z. B. mittels eines Industrieroboters, relativ zu den zu fügenden Werkstücken bzw. entlang des vorgesehenen Nahtverlaufs bewegt werden. Dabei kann durch kontinuierlichen Vorschub der Fügestelle bzw. Fügestellenposition entlang des vorgesehenen Fügenahtverlaufs eine durchgängige Fügenaht erzeugt werden.
• Die Fügevorrichtung weist eine mitlaufende (d. h. mit der Fügevorrichtung mitbewegte) Spanneinrichtung zum Einspannen der zu fügenden Werkstücke auf, wobei während des Fügens die zu fügenden Werkstücke unter Ausbildung eines Überlappstoßes bzw. Verbindungsflansches eingespannt werden und an der Einspannposition miteinander verbunden bzw. gefügt werden. Insbesondere kann jedes der zu fügenden Werkstücke einen Flanschabschnitt aufweisen, wobei die einzelnen Flanschabschnitte unter Ausbildung eines Verbindungsflansches stoßartig flach aneinanderliegend angeordnet und mittels der Spanneinrichtung eingespannt werden. Die Werkstücke werden eingespannt, indem Spannelemente der Spanneinrichtung an den Werkstücken angreifen und diese entlang einer Spannrichtung gegeneinander pressen (wobei die Spannrichtung parallel zu der von den Spannelementen aufgebrachten Einspannkraft verläuft). Die Spannelemente können z. B. als Andruckrollen ausgebildet sein.
• Die Fügevorrichtung weist zudem eine Strahlführungseinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass von ihr während des Fügens der Energiestrahl von der Stirnseite des Überlappstoßes her auf den Überlappstoß, insbesondere auf eine bzw. die Stirnfläche des Überlappstoßes, gerichtet wird. Der Energiestrahl verläuft somit z. B. im Wesentlichen parallel zu der Flanschebene des Verbindungsflanschs und quer zu der Spannrichtung, wobei der Energiestrahl z. B. im Wesentlichen senkrecht zu einer bzw. der Stirnfläche des Überlappstoßes verlaufen kann. Der Energiestrahl kann von außerhalb in die Strahlführungseinrichtung eingekoppelt sein oder mittels einer in oder an der Strahlführungseinrichtung angeordneten Strahlquelle (z. B. Laserquelle) erzeugt sein. Der Energiestrahl wird mittels der Strahlführungseinrichtung derart geführt, dass er an der Einspannposition bzw. im Einspannbereich der Werkstücke auf die Stirnseite des Überlappstoßes auftrifft und die Werkstücke somit stirnseitig gefügt bzw. miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Es kann z. B. vorgesehen sein, die Werkstücke mittels Schweißens oder Lötens miteinander zu verbinden, wobei das Fügen mit oder ohne Verwendung eines zusätzlich zu den Werkstücken bereitgestellten Zusatzwerkstoffes (z. B. eines Lotmaterials), der an der jeweiligen Fügestelle zugeführt wird, erfolgen kann.
• Die Fügevorrichtung weist zudem einen ersten optischen Sensor auf, der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihm die an der jeweiligen Fügestelle vorliegende Positionierung bzw. Lage des Überlappstoßes bezüglich einer senkrecht zu einer bzw. der Stirnfläche des Überlappstoßes verlaufenden Vertikalrichtung erfasst wird. Die Positionierung des Überlappstoßes entlang der Vertikalrichtung wird im Folgenden auch als Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes bezeichnet, der erste optische Sensor auch als erster Vertikalpositionierungs-Sensor. Der erste Vertikalpositionierungs-Sensor kann z. B. derart ausgebildet sein, dass von ihm der Abstand entlang der Vertikalrichtung (auch als Vertikal-Abstand bezeichnet) zwischen dem Vertikalpositionierungs-Sensor und dem Überlappstoß als Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes erfasst wird.
• Der erste Vertikalpositionierungs-Sensor ist ein optischer Sensor, der z. B. derart ausgebildet ist, dass von ihm die an der jeweiligen Fügestelle bzw. Einspannposition vorliegende Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes bezüglich des Vertikalpositionierungs-Sensors erfassbar ist. Der erste Vertikalpositionierungs-Sensor ist bevorzugt ein Triangulationssensor, sodass die Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes mittels Triangulation erfasst wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der erste Vertikalpositionierungs-Sensor ein auf dem Interferenzprinzip beruhender Abstandssensor, ein auf dem Lichtschrankenprinzip beruhender Abstandssensor, oder eine Kamera ist, wobei im letzen Fall die Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes mittels Bildauswertung erfasst wird. Der erste Vertikalpositionierungs-Sensor kann z. B. derart ausgebildet sein, dass von ihm die Position bzw. Lage des Endabschnitts des Überlappstoßes, z. B. die Lage einer stirnseitigen Abschlusskante des Überlappstoßes oder die Lage einer Stirnfläche des Überlappstoßes, bezüglich der Vertikalrichtung erfasst wird.
• Indem mittels des ersten Vertikalpositionierungs-Sensors während des Fügens fortlaufend die Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes an der jeweiligen Fügestelle erfasst wird, kann z. B. die Positionierung der Spannelemente gemäß der erfassten Vertikal-Positionierung eingestellt werden, sodass stets ein zuverlässiges, positionsgenaues Fixieren der Werkstücke mittels der Spannelemente und somit ein Ausbilden einer Naht mit einer hohen Nahtqualität ermöglicht ist. Insbesondere kann die Höhe des Druckpunktes bzw. Angriffsbereichs der Spanneinrichtung an den Werkstücken gemäß der erfassten Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes definiert eingestellt werden und während des Fügens definiert gehalten bzw. nachgeregelt werden. Zudem kann die Fügevorrichtung derart ausgebildet sein, dass der zum Fügen verwendete Energiestrahl unter Einbeziehung der erfassten Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes entlang der Vertikalrichtung derart fokussiert wird, dass die Vertikal-Koordinate der Fokusposition auf dem Überlappstoß, insbesondere auf der Stirnfläche des Überlappstoßes, liegt.
• Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass von ihr basierend auf der erfassten Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes ein Stellsignal an eine zum Positionieren der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung ausgebildete Aktorik generiert und ausgegeben wird, sodass die Positionierung der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung mittels der Aktorik gemäß dem Stellsignal eingestellt bzw. nachgeregelt wird; wobei die Positionierung der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung im Folgenden auch als Vertikal-Positionierung der Spannelemente bezeichnet wird. Indem die Spanneinrichtung in einen Regelkreis eingebunden wird, wobei die Signale des Vertikalpositionierungs-Sensors als Ist-Werte zum Ermitteln der Abweichung von vorgegebenen Soll-Werten und Generieren entsprechender Stellsignale zum Korrigieren der Abweichung dienen, wird eine adaptive Spanntechnik bereitgestellt, die selbst bei widrigen Verhältnissen am Prozessort ein Positionieren der Spannelemente mit einer hohen Genauigkeit von z. B. ±0,05 mm ermöglicht.
• Insbesondere kann vorgesehen sein, dass von der Fügevorrichtung ein Stellsignal an eine zum Verfahren der Fügevorrichtung vorgesehene Führungsmaschine generiert und ausgegeben wird, sodass die Strahlführungseinrichtung zusammen mit den Spannelementen gemäß dem Stellsignal bezüglich der Vertikalrichtung verfahren wird und somit eine Veränderung des Vertikal-Abstands zwischen dem ersten Vertikalpositionierungs-Sensor und dem Überlappstoß mit einer Veränderung der Vertikal-Positionierung der Spannelemente an dem Überlappstoß einhergeht. Es kann z. B. vorgesehen sein, das Stellsignal basierend auf einer vorgegebenen Soll-Vertikalpositionierung der Spannelemente derart zu generieren, dass mittels der gemäß dem Stellsignal erfolgenden Stellbewegung der Unterschied bzw. Abstand zwischen der vorliegenden Ist-Vertikalpositionierung und Soll-Vertikalpositionierung der Spannelemente verringert wird. Gemäß dieser Ausführung kann z. B. vorgesehen sein, den Vertikal-Abstand zwischen dem ersten Vertikalpositionierungs-Sensor und dem Überlappstoß – und somit auch zwischen der Strahlführungseinrichtung und dem Überlappstoß – mittels entsprechender Stellsignale konstant auf einem vorgegebenen Soll-Vertikalabstand zu halten, sodass z. B. eine Fokussiereinrichtung zum Verstellen der Fokusposition des Energiestrahls entlang der Vertikalrichtung entbehrlich sein kann.
• Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung eine Positioniereinrichtung aufweist, die zum Verfahren der Spannelemente bezüglich der übrigen Fügevorrichtung (insbesondere bezüglich der Strahlführungseinrichtung) entlang der Vertikalrichtung ausgebildet ist; wobei von der Fügevorrichtung ein Stellsignal an die Positioniereinrichtung generiert und ausgegeben wird und somit die Spannelemente gemäß dem Stellsignal relativ zu der Strahlführungseinrichtung bezüglich der Vertikalrichtung verfahren werden.
• Demgemäß dienen die mittels des Vertikalpositionierungs-Sensors erfassten Vertikal-Positionierungen als Ist-Vorgabe für die Berechung der Stellsignale zum Ansteuern der Führungsmaschine und/oder der Positioniereinrichtung, sodass die jeweilige Aktorik als Ergebnis der Ermittlung der Vertikal-Positionierung fortlaufend ein Stell- bzw. Korrektursignal erhält. Somit kann die Fügevorrichtung derart ausgebildet sein, dass die Positionierung der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung basierend auf der erfassten Positionierung des Überlappstoßes bezüglich der Vertikalrichtung eingestellt wird. Das heißt, an der jeweiligen Fügestelle wird die Vertikal-Positionierung der Spannelemente in Abhängigkeit von der mittels des ersten Vertikalpositionierungs-Sensors erfassten Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes eingestellt, sodass der Angriffspunkt der Spannelemente an den Werkstücken entsprechend eingestellt und nachgeregelt werden kann.
• Des Weiteren weist die Spanneinrichtung mindestens ein Positionsreferenzelement auf; wobei zudem die Fügevorrichtung einen zweiten optischen Sensor aufweist, der zum Erfassen der Positionierung eines solchen Positionsreferenzelements bezüglich der Vertikalrichtung (auch als Vertikal-Positionierung des Positionsreferenzelements bezeichnet) ausgebildet ist.
• Bei Erfassen ausschließlich der Vertikal-Positionierung des Verbindungsflanschs kann das Problem bestehen, dass die Ursache für eine detektierte Fehlpositionierung bzw. Abweichung von einer vorgegebenen Soll-Positionierung der Spannelemente nicht genau identifizierbar ist (mögliche Ursachen für eine solche Abweichung können z. B. sein: Fehlpositionierung der Führungsmaschine, Maßhaltigkeit der zu fügenden Werkstücke, Ungenauigkeiten der verwendeten Sensorik infolge von Drift, oder mechanische Verstellung von Komponenten der Fügevorrichtung).
• Indem die Vertikal-Positionierung des an der Spanneinrichtung vorgesehenen Positionsreferenzelements erfasst werden kann, kann zusätzlich zu der Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes auch die Vertikal-Positionierung der Spanneinrichtung erfasst werden, sodass auch die Vertikal-Positionierung der Spanneinrichtung relativ zu dem Überlappstoß erfassbar ist und somit ein Regeln dieser Relativpositionierung gemäß Soll-Vorgaben derart ermöglicht ist, dass die Werkstücke stets zuverlässig mittels der Spanneinrichtung fixiert sind. Insbesondere ist ein Regelsystem ermöglicht, welches nicht auf der Erfassung der Vertikal-Positionierung (z. B. der Abschlusskante) des Überlappstoßes in einem virtuellen Werkzeugkoordinatensystem basiert, wobei die Positionierung der Spannelemente absolut bezüglich dieses Koordinatensystems erfolgt, sondern stattdessen kann die Positionierung der Spannelemente relativ zu dem Verbindungsflansch z. B. anhand der ermittelten Höhendifferenz (d. h. Abstand entlang der Vertikal- bzw. Höhenrichtung) zwischen der Stirnseite des Verbindungsflanschs und dem Positionsreferenzelement erfolgen, wobei die ermittelte Abweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert der Höhendifferenz den Stellwert für die Aktorik ergibt. Die Fügevorrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass von ihr das Stellsignal basierend auf den an einer jeweiligen Fügestelle erfassten Vertikal-Positionierungen sowohl des Überlappstoßes als auch des Positionsreferenzelements generiert wird.
• Die Fügevorrichtung kann z. B. derart ausgebildet sein, dass von ihr das Stellsignal an eine zum Positionieren der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung ausgebildete Aktorik basierend auf der Differenz zwischen den an der jeweiligen Fügestelle erfassten Vertikal-Positionierungen des Überlappstoßes und des Positionsreferenzelements generiert wird. Die Vertikalpositionierung der Spannelemente kann z. B. mittels des Stellsignals derart geregelt werden, dass die Differenz zwischen der Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes und der Vertikal-Positionierung des Positionsreferenzelements beim Abfahren des Fügenahtverlaufs konstant auf einem vorgegebenen Soll-Differenzwert oder innerhalb eines vorgegebenen Soll-Differenzwertintervalls gehalten wird. Dementsprechend kann die Fügevorrichtung derart ausgebildet sein, dass die Vertikal-Positionierung der Spannelemente basierend auf der Differenz zwischen der Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes und der Vertikal-Positionierung des Positionsreferenzelements eingestellt wird.
• Ein solches Positionsreferenzelement kann ein passives Referenzelement in Form einer geometrischen Positionsmarkierung, z. B. in Form einer Schneide oder eines geometrischen Musters, oder ein aktives Referenzelement in Form eines optischen Emitters, z. B. einer Leuchtdiode oder sonstigen Lichtquelle, sein.
• Der zweite optische Sensor (auch als zweiter Vertikalpositionierungs-Sensor bezeichnet) ist zum Erfassen eines Positionsreferenzelements ausgebildet und kann z. B. ein Triangulationssensor, ein auf dem Interferenzprinzip beruhender Abstandssensor, ein auf dem Lichtschrankenprinzip beruhender Abstandssensor, oder eine Kamera sein, wobei im letzten Fall die Vertikal-Positionierung des Referenzelements mittels Bildauswertung erfasst wird. Der zweite Vertikalpositionierungs-Sensor ist z. B. derart ausgebildet, dass von ihm der Vertikal-Abstand zwischen dem zweiten Vertikalpositionierungs-Sensor und einem jeweiligen Positionsreferenzelement als Vertikal-Positionierung des Referenzelements erfasst wird.
• Es kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Vertikalpositionierungs-Sensor integral miteinander als ein einziger Sensor ausgebildet sind, sodass derselbe optische Sensor sowohl zum Erfassen der Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes als auch der Vertikal-Positionierung des Referenzelements dient.
• Das oder die Positionsreferenzelemente sind an der Spanneinrichtung angeordnet. Gemäß einer Ausführung ist mindestens ein solches Positionsreferenzelement derart mit einem der Spannelemente der Spanneinrichtung verbunden, dass es bei einer Bewegung des Spannelements mit demselben mitbewegt wird. Es kann z. B. vorgesehen sein, das Positionsreferenzelement kontaktierend an einem der Spannelemente anzuordnen. Indem das Referenzelement mitbewegt mit einem der an den Werkstücken angreifenden Spannelemente verbunden ist, kann die Positionierung, insbesondere die Vertikal-Positionierung, der Spannelemente in unmittelbarer Nähe von deren Angriffsposition an den Werkstücken erfasst werden, wodurch z. B. eine Höhenerfassung mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht ist und auch bei relativ zu der übrigen Fügevorrichtung höhenverstellbaren Spannelementen stets eine zuverlässige Höheneinstellung ermöglicht ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführung weist die Spanneinrichtung mindestens zwei Positionsreferenzelemente auf, die an zwei einander bezüglich der Spannrichtung gegenüberliegenden Spannelementen derart angeordnet sind, dass sie bei einer Bewegung der Spannelemente mit denselben mitbewegt werden; wobei die Fügevorrichtung einen dritten optischen Sensor (auch als Querpositionierungs-Sensor bezeichnet) aufweist, der zum Erfassen der Positionierung bzw. Lage der beiden Positionsreferenzelemente bezüglich einer quer zu dem Überlappstoß verlaufenden Querrichtung ausgebildet ist. D. h., das erste der beiden Positionsreferenzelemente ist mitbewegt mit dem einen der beiden Spannelemente verbunden und das zweite der beiden Positionsreferenzelemente ist mitbewegt mit dem anderen der beiden Spannelemente verbunden; wobei das erste Spannelement an der ersten Außenseite des Überlappstoßes und das zweite Spannelement an der zweiten Außenseite des Überlappstoßes angreift. Die Positionsreferenzelemente können z. B. mit den gegenüberliegenden Spannelementen mitbewegt verbunden sein, indem sie kontaktierend an denselben angeordnet sind. Die Positionierung eines Positionsreferenzelements bezüglich der Querrichtung wird auch als Quer-Positionierung des Referenzelements bezeichnet.
• Indem die Quer-Positionierung zweier derartiger Positionsreferenzelemente erfasst wird, können die Positionierung und die Abmessung des Überlappstoßes bzw. Verbindungsflanschs bezüglich der Querrichtung erfasst werden, wobei diese Informationen z. B. zur Strahlführung des Energiestrahls und/oder zum Dosieren der mittels der Spannelemente aufgebrachten Einspannkraft verwendet werden können.
• Die Fügevorrichtung kann z. B. derart ausgebildet sein, dass von ihr basierend auf der Quer-Positionierung des ersten der beiden Positionsreferenzelemente die Positionierung bzw. Lage der ersten Außenseite des Überlappstoßes und basierend auf der Quer-Positionierung des zweiten der beiden Positionsreferenzelemente die Positionierung bzw. Lage der zweiten Außenseite des Überlappstoßes bezüglich der Querrichtung erfassbar ist. Die Kenntnis der Quer-Positionierung der beidseitig der eingespannten Werkstücke angeordneten Positionsreferenzelemente ermöglicht somit die indirekte Erfassung der Stoßdicke (z. B. Blechpaketdicke) des eingespannten Überlappstoßes und – bei Vorgabe bzw. Kenntnis der Dicke der Flanschabschnitte der einzelnen Werkstücke (z. B. der einzelnen Bleche) – auch die Erfassung der Gesamtdicke der zwischen den Werkstücken ausgebildeten bzw. verbleibenden Spalte und/oder der Positionierung dieser Spalte bezüglich der Querrichtung. Zum Beispiel ergibt sich beim Fügen zweier Werkstücke bei Vorgabe der Dicke jedes der beiden Werkstücke die Dicke des zwischen den Werkstücken verbleibenden Spaltes als Differenz zwischen der mittels der Quer-Positionierung der Referenzelemente ermittelbaren Stoßdicke und der Gesamtdicke der beiden Werkstücke, wobei die Lage des Spaltes sich durch Abtragen der Dicke des ersten Werkstückes von der Position der ersten Außenseite des Überlappstoßes und Abtragen der Dicke des zweiten Werkstückes von der Position der zweiten Außenseite des Überlappstoßes ergibt. Demgemäß kann die Fügevorrichtung derart ausgebildet sein, dass von ihr basierend auf der Quer-Positionierung der beiden Positionsreferenzelemente die Dicke des Überlappstoßes, die Gesamtdicke der zwischen den eingespannten Werkstücken verbleibenden Spalte und/oder die Lage der zwischen den eingespannten Werkstücken verbleibenden Spalte bezüglich der Querrichtung erfassbar ist.
• Die genaue Kenntnis der Lage und der Dicke des zu fügenden Überlappstoßes bzw. Verbindungsflanschs sind für ein zuverlässiges Fügen (z. B. Schweißen) wichtig. So ist z. B. für die Realisierung des Flanschschweißens mittels Laserstrahls eine laterale Positioniergenauigkeit der Auftreffposition des Laserstrahls am Wirkort bzw. an der Fügestelle mit einem Positionierungsfehler von höchstens 0,05 mm erforderlich, sodass der Laserstrahl bezüglich der Quer- bzw. Lateralrichtung mit einer entsprechenden Genauigkeit auf den Spalt positioniert werden muss. Zudem kann eine sichere Verschweißung nur bis zu einem maximalen Spaltmaß realisiert werden, wobei das Spaltmaß wie beschrieben bei Kenntnis der Dicken der einzelnen Flanschabschnitte aus der Stoßdicke gefolgert werden kann, sodass auch die Kenntnis der Dicke des Überlappstoßes an der Fügestelle ein wichtiges Qualitätssicherungskriterium ist.
• Indem die Erfassung der Quer-Positionierung des Überlappstoßes mittels Erfassens der mit den Spannelementen mitbewegten Positionsreferenzelemente erfolgt, während die Spannelemente an den zu fügenden Werkstücken anliegen, können potentielle störende Einflüsse bzw. Fehlerquellen wie z. B. Lagerspiel, elastische Deformation, Verschleiß, Ungenauigkeiten anderer gekoppelter Sensoriken (wie z. B. Drehgeber oder Weggeber) automatisch einbezogen werden und somit als Fehlerquellen eliminiert werden. Die mitlaufende Spanneinrichtung ist während des Fügens stets im Eingriff mit den zu fügenden Werkstücken bzw. dem Überlappstoß und stellt somit eine Maßverkörperung der Lage und Dicke des Überlappstoßes dar.
• Der Querpositionierungs-Sensor ist zum Erfassen der Positionsreferenzelemente ausgebildet und kann z. B. ein Triangulationssensor, ein auf dem Interferenzprinzip beruhender Sensor, ein auf dem Lichtschrankenprinzip beruhender Sensor, oder eine Kamera sein, wobei im letzen Fall die Quer-Positionierung des Referenzelements mittels Bildauswertung erfasst wird. Es kann vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Vertikalpositionierungs-Sensor integral mit dem Querpositionierungs-Sensor als ein einziger Sensor ausgebildet ist.
• Gemäß einer Ausführung ist die Fügevorrichtung bzw. die Strahlführungseinrichtung derart ausgebildet, dass von ihr (z. B. mittels einer entsprechenden Ablenkeinrichtung, die z. B. in die Strahlführungseinrichtung integriert sein kann) die Auslenkung des Energiestrahls bezüglich der Querrichtung (auch als Quer-Auslenkung des Energiestrahls bezeichnet) einstellbar bzw. variierbar ist; wobei die Fügevorrichtung zudem derart ausgebildet ist, dass die Quer-Auslenkung des Energiestrahls basierend auf der mittels des Querpositionierungs-Sensors erfassten Quer-Positionierung des ersten und/oder zweiten Positionsreferenzelements (und ggf. unter Einbeziehung der Dicken der einzelnen eingespannten Werkstücke) eingestellt wird. Die Fügevorrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass der Energiestrahl entlang der Querrichtung derart ausgelenkt wird, dass er auf einen zwischen zwei eingespannten Werkstücken ausgebildeten Spalt auftrifft. Vorliegend wird unter dem Begriff Spalt sowohl ein Spalt mit einer freien Dicke bzw. einem Spaltmaß von größer als Null als auch ein Spalt mit einer Dicke von Null (sogenannter technischer Nullspalt) verstanden.
• Gemäß einer anderen Ausführung ist die Fügevorrichtung bzw. die Spanneinrichtung derart ausgebildet, dass von ihr die mittels der Spannelemente aufgebrachte Einspannkraft basierend auf der erfassten Quer-Positionierung des ersten und/oder des zweiten Positionsreferenzelements (und ggf. unter Einbeziehung der Dicken der einzelnen eingespannten Werkstücke) eingestellt wird. So kann vorgesehen sein, die Einspannkraft derart einzustellen, dass die Gesamtdicke der zwischen den eingespannten Werkstücken verbleibenden Spalte eine vorgegebene Soll-Spaltdicke einnimmt oder unterschreitet. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, die Einspannkraft zu erhöhen, wenn die ermittelte Gesamtdicke der zwischen den Werkstücken verbleibenden Spalte oberhalb einer vorgegebenen Maximal-Spaltdicke liegt. Zudem kann über eine variierende Andruck- bzw. Einspannkraft bei vorgegebener Vorspannung der zu fügenden Werkstücke gezielt eine vorgegebene Spaltgröße eingestellt werden, indem ein Regelkreis zwischen dem Quer-Positionierungssensor und einem Spann-Aktor der Spanneinrichtung realisiert wird. Somit kann stets ein zuverlässiges Fixieren der zu fügenden Werkstücke in einer vorgegebenen Fügegeometrie bei minimaler Krafteinwirkung realisiert werden.
• Zudem kann vorgesehen sein, die Spannelemente basierend auf den vorgegebenen Einzeldicken der zu fügenden Werkstücke unabhängig von der dafür erforderlichen Einspannkraft derart entlang der Querrichtung zu verfahren, dass die Quer-Positionierung jedes der Positionsreferenzelemente einer für das jeweilige Positionsreferenzelement vorgegebenen Soll-Querpositionierung entspricht. Die Soll-Querpositionierungen können z. B. derart vorgegeben werden, dass bei Vorliegen dieser Soll-Querpositionierungen der Referenzelemente die Gesamtdicke der zwischen den eingespannten Werkstücken verbleibenden Spalte eine vorgegebene Soll-Spaltdicke einnimmt oder unterschreitet.
• Gemäß einer weiteren Ausführung weist die Fügevorrichtung eine Referenzstruktur bzw. ein Referenznormal zum Kalibrieren der mittels der Positionsreferenzelemente entlang der Vertikalrichtung und/oder Querrichtung erfassten Positionierungen auf; wobei die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass von ihr mittels Angreifens der Spannelemente an der Referenzstruktur und Erfassens der Vertikal-Positionierung bzw. der Quer-Positionierung der Referenzelemente bezüglich der Referenzstruktur (z. B. mittels des ersten, zweiten oder dritten optischen Sensors) die mittels der Positionsreferenzelemente erfassten Positionierungen kalibrierbar sind.
• Die direkte Erkennung der Kanten des Überlappstoßes mittels optischer Sensoren (z. B. mittels Triangulation oder bildverarbeitender Systeme) während des Fügens, z. B. in realer Schweißumgebung, ist schwierig realisierbar. So weisen z. B. Blechpakete bei stirnseitiger Einschweißung oft nur ungenügende Merkmale zur sicheren Erkennung auf. Zusätzliche Störgrößen ergeben sich z. B. aus dem Prozess aus variierenden Anstellwinkeln, variierender Intensität der Rückreflexionen, Graten bzw. Unregelmäßigkeiten an den Schnittkanten, sowie dem Einfluss der Plasmafackel. Für eine sichere und hoch präzise Erkennung reichen die bekannten Sensoriken oftmals nicht aus, insbesondere wenn eine Ortsauflösung mit einem Maximalfehler im Bereich von 0,05 mm gefordert ist.
• Indem, z. B. während einer Unterbrechung des Fügens, die Referenzstruktur mit den Spannelementen angefahren wird, kann eine Selbstkalibrierung der Positionserfassung erfolgen; wobei mögliche Fehlerquellen wie z. B. Verschleiß, Lagerspiel und Elastizitäten der Spanneinrichtung ausgeglichen bzw. automatisch eliminiert werden können. Dadurch ist es z. B. möglich, Stoßdicken, Dickenschwankungen und Welligkeiten exakt zu bestimmen. Es kann auch vorgesehen sein, zum Kalibrieren der mittels der Positionsreferenzelemente entlang der Querrichtung erfassten Positionierungen die Spannelemente (d. h. zumindest zwei einander bezüglich der Spannrichtung gegenüberliegende) zusammenzufahren bzw. miteinander in Kontakt zu bringen und einen Nullabgleich durchzuführen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
• 1 eine Seitenansicht einer Fügevorrichtung gemäß einer Ausführungsform beim Fügen zweier Bleche,
• 2 eine Detailansicht eines Ausschnitts aus 1, und
• 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Kalibriervorgangs.
• 1 veranschaulicht eine Fügevorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform beim Fügen zweier Werkstücke 3 in Form von Blechteilen 3 mittels eines Energiestrahls 5 in Form eines Laserstrahls 5, wobei ein stirnseitiges Einschweißen am Bördelstoß als Zweiblechverbindung veranschaulicht ist. Die Fügevorrichtung 1 ist eine Vorrichtung zum stirnseitigen Lasereinschweißen, wobei die Fügevorrichtung 1 mittels einer Führungsmaschine 7 entlang eines vorgesehenen Schweißnahtverlaufs bewegt wird.
• Die Fügevorrichtung 1 weist eine mitlaufende Spanneinrichtung 9 und eine Strahlführungseinrichtung 11 auf. Jedes der beiden Blechteile 3 weist einen Flanschabschnitt auf, wobei die beiden Flanschabschnitte unter Ausbildung eines Überlappstoßes bzw. Verbindungsflansches 13 zwischen zwei Spannelementen 15, 17 der Spanneinrichtung 9 eingespannt sind. Jedes der Spannelemente 15, 17 ist als drehend mitlaufende Andruckrolle ausgebildet, wobei jede der Andruckrollen 15, 17 mittels eines Verbindungsarms 19 mit der Strahlführungseinrichtung 11 verbunden und drehbar an dem Endabschnitt des jeweiligen Verbindungsarms angeordnet ist.
• Gemäß 1 verläuft die Stoß- bzw. Trennebene des Überlappstoßes 13 parallel zur xz-Ebene des in den Figuren dargestellten xyz-Koordinatensystems; wobei die Längsrichtung des Überlappstoßes 13 parallel zur x-Richtung verläuft, die quer zu dem Verbindungsflansch 13 verlaufende Querrichtung parallel zur y-Richtung verläuft, und die senkrecht zu der Stirnfläche 21 des Verbindungsflansches 13 verlaufende Vertikalrichtung (auch als Höhenrichtung bezeichnet) parallel zur z-Richtung verläuft. Die Flanschhöhe des Überlappstoßes bzw. Verbindungsflansches 13 erstreckt sich somit parallel zur z-Richtung.
• Die beiden Spannelemente 15, 17 sind entlang der y-Richtung gegeneinander bewegbar, z. B. indem jeder der beiden Verbindungsarme mittels eines Spannaktors (nicht dargestellt) bezüglich der Strahlführungseinrichtung 11 entlang der y-Richtung verfahrbar ist, sodass mittels der Spannelemente 15, 17 die beiden Flanschabschnitte der Blechteile 3 gegeneinander gepresst und eine entlang der y-Richtung als Spannrichtung wirkende Einspannkraft auf den Verbindungsflansch 13 ausgeübt werden kann.
• Die Strahlführungseinrichtung 11 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass von ihr während des Fügens der Laserstrahl 5 (der als Beispiel von außerhalb in die Strahlführungseinrichtung 11 eingekoppelt ist) von der Stirnseite des Verbindungsflansches 13 her auf die Stirnfläche 21 des Verbindungsflansches 13 gerichtet ist, sodass der Laserstrahl 5 am Stoß der beiden Blechteile 3 auf dieselben auftrifft und die beiden Blechteile 3 an der Auftreffposition des Laserstrahls 5 auf der Stirnfläche 21 unter Ausbildung einer Schweißnaht 22 stirnseitig miteinander verschweißt werden. Der Laserstrahl 5 ist mittels der Strahlführungseinrichtung 9 derart geführt, dass er während des Fügens im Einspannbereich der Blechteile 3 zwischen den Andruckelementen 15, 17 auf die Blechteile 3 auftrifft, wobei die Kontaktierungspunkte der Andruckrollen 15, 17 an den Blechteilen 3 im Wesentlichen dieselbe Längs-Koordinate (x-Koordinate) haben wie die Auftreffposition des Laserstrahls 5 auf den Blechteilen. Die Strahlführungseinrichtung 11 weist als Beispiel eine Fokussiereinrichtung 23 zum Fokussieren des Laserstrahls 5 sowie eine Quer-Ablenkeinrichtung 25 in Form eines angetrieben schwenkbaren Spiegels 25 zum variablen Auslenken des Laserstrahls 5 entlang der Querrichtung auf (wobei die Schwenkbewegung des Spiegels 25 in 1 durch den Doppelpfeil 27 veranschaulicht ist). Mittels des Spiegels 25 ist somit die Quer-Koordinate der Auftreffposition des Laserstrahls 25 auf der Stirnfläche 21 einstellbar. Zudem kann die Strahlführungseinrichtung 9 eine Längs-Ablenkeinrichtung (nicht dargestellt) zum variablen Auslenken des Laserstrahls 5 entlang der Längsrichtung aufweisen.
• Die Fügevorrichtung 1 ist mittels der Führungsmaschine 7 entlang der Längsrichtung des Verbindungsflanschs 13 (d. h. vorliegend entlang der x-Richtung) und entlang der Vertikalrichtung des Verbindungsflansches (d. h. vorliegend entlang der z-Richtung) verfahrbar; wobei die Bewegung der Fügevorrichtung 1 bezüglich der Vertikalrichtung in 1 durch den Doppelpfeil 29 veranschaulicht ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung 1 mittels eines Vertikalbewegungs-Aktors (nicht dargestellt) bezüglich der Führungsmaschine 1 entlang der Vertikalrichtung verfahrbar ist.
• Die Spanneinrichtung 9 weist zwei Positionsreferenzelemente 31, 32 auf, wobei das erste Positionsreferenzelement 31 kontaktierend an dem ersten Spannelement 15 und das zweite Positionsreferenzelement 32 kontaktierend an dem zweiten Spannelement 17 angeordnet ist. Vorliegend ist jedes der Positionsreferenzelemente 31, 32 als passives Referenzelement in Form einer ringförmigen, konzentrisch zu der jeweiligen Andruckrolle 15, 17 angeordneten Schneide ausgebildet.
• Die Fügevorrichtung 1 weist einen optischen Vertikalpositionierungs-Sensor 33 auf, der zum Erfassen der Positionierung des Überlappstoßes 13 und der beiden Referenzelemente 31, 32 bezüglich der Vertikalrichtung (z-Richtung) ausgebildet ist; wobei der Vertikalpositionierungs-Sensor 33 als Beispiel ein Triangulationssensor ist. In 1 sind die von dem Triangulationssensor 33 zu dem Überlappstoß 13 und zu den beiden Referenzelementen 31, 32 verlaufenden Sensor-Lichtstrahlen 35 des Triangulationssensors 33 veranschaulicht.
• Der Vertikalpositionierungs-Sensor 33 ist derart ausgebildet, dass von ihm der an der Einspannposition vorliegende Vertikal-Abstand zwischen dem Vertikalpositionierungs-Sensor 33 und der Stirnfläche 21 des Überlappstoßes 13 als Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes 13 und der Vertikal-Abstand zwischen dem Vertikalpositionierungs-Sensor 33 und einem jeweiligen der Positionsreferenzelemente 31, 32 als Vertikal-Positionierung des Referenzelements 31, 32 erfasst wird.
• 2 veranschaulicht den Einspannbereich der beiden Blechteile 3 zwischen den Andruckrollen 15, 17 in einer Detailansicht. Gemäß 2 entspricht die Vertikal-Positionierung der Positionsreferenzelemente 31, 32 somit einer Vertikal-Koordinate z₁ und die Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes 13 einer Vertikal-Koordinate z₂, wobei die Differenz Δz dieser beiden Koordinaten auch als Höhendifferenz bezeichnet wird.
• Die Fügevorrichtung 1 ist derart ausgebildet (z. B. mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung), dass von ihr basierend auf der erfassten Vertikal-Positionierung z₂ des Überlappstoßes 13 und der erfassten Vertikal-Positionierung z₁ zumindest eines der Positionsreferenzelemente 31, 32 ein Stellsignal an die Führungsmaschine 7 generiert und ausgegeben wird, wobei das Stellsignal zum Einstellen der Positionierung der Fügevorrichtung 7 – und somit auch der Spannelemente 15, 17 – bezüglich der Vertikalrichtung (z-Richtung) dient.
• Vorliegend ist die Fügevorrichtung 1 derart ausgebildet, dass von ihr die an der jeweiligen Fügestelle vorliegende Differenz Δz zwischen der Vertikal-Positionierung z₂ des Überlappstoßes 13 und der Vertikal-Positionierung z₁ der Positionsreferenzelemente 31, 32 gebildet wird und die Führungsmaschine 7 mittels des Stellsignals derart angesteuert wird, dass diese Differenz Δz während des Verfahrens der Fügevorrichtung 1 entlang der Längsrichtung des Verbindungsflansches 13 konstant auf einem vorgegebenen Soll-Differenzwert gehalten wird. Zudem kann vorgesehen sein, die Fokussiereinrichtung 23 derart auszubilden, dass die Vertikal-Koordinate des Laserstrahl-Fokus gemäß der erfassten Vertikal-Positionierung z₂ der Stirnfläche 21 des Überlappstoßes 13 derart eingestellt wird, dass die Fokusposition des Laserstrahls 5 stets auf der Stirnfläche 21 liegt.
• Die Fügevorrichtung 1 weist zudem einen optischen Querpositionierungs-Sensor 37 auf, der in 1 der besseren Übersichtlichkeit halber zusammen mit dem Vertikalpositionierungs-Sensor 33 dargestellt ist. Der Querpositionierungs-Sensor 37 ist derart ausgebildet, dass von ihm die Positionierung der beiden Positionsreferenzelemente 31, 32 bezüglich der Querrichtung des Verbindungsflansches 13 (d. h. der y-Richtung) erfasst wird; wobei der Querpositionierungs-Sensor 37 als Beispiel ein kamerabasierter Sensor ist und die Quer-Positionierungen der Referenzelemente 31, 32 mittels Graubildauswertung erfasst wird.
• Von dem Querpositionierungs-Sensor 37 wird die Position der Schneidenkante der Referenzelemente 31, 32 an der den eingespannten Werkstücken 3 zugewandten Seite der Andruckrollen 15, 17 als Quer-Positionierung des jeweiligen Positionsreferenzelements 31, 32 erfasst, sodass (siehe 2) die Quer-Positionierung des ersten Positionsreferenzelements 31 einer Quer-Koordinate y₁ und die Quer-Positionierung des zweiten Positionsreferenzelements 32 einer Quer-Koordinate y₆ entspricht.
• Die Fügevorrichtung 1 ist derart ausgebildet, dass von ihr basierend auf der Quer-Positionierung y₁ des ersten Positionsreferenzelements 31 die Quer-Positionierung y₂ der ersten Außenfläche 39 und basierend auf der Quer-Positionierung y₆ des zweiten Positionsreferenzelements 32 die Quer-Positionierung y₅ der zweiten Außenfläche 41 des Überlappstoßes 13 erfasst wird. Zudem ist die Fügevorrichtung 1 derart ausgebildet, dass von ihr unter Einbeziehung der Blechdicke d₁ des ersten Blechteils und der Blechdicke d₂ des zweiten Blechteils die Lage des zwischen den eingespannten Blechteilen 3 verbleibenden Spaltes 43 erfasst wird. Gemäß 2 erstreckt sich der Spalt 43 zwischen den Quer-Koordinaten y₃ und y₄, sodass die Spaltdicke d₃ durch die Differenz dieser beiden Quer-Koordinaten gegeben ist.
• Die Fügevorrichtung 1 ist derart ausgebildet, dass von ihr die Auslenkung des Laserstrahls 5 entlang der Querrichtung (y-Richtung) mittels entsprechender Orientierung des Spiegels 25 derart eingestellt wird, dass der Laserstrahl 5 an der Position des Spaltes 43, d. h. zwischen den Quer-Koordinaten y₃ und y₄, auf die Stirnfläche 21 des Verbindungsflansches 13 auftrifft; wobei die Quer-Koordinaten y₃ und y₄ des Spaltes 43 unter Einbeziehung der Quer-Positionierungen y₁ und y₆ der Positionsreferenzelemente 31, 32 sowie der Dicken d₁, d₂ der beiden Blechteile 3 erfasst werden.
• Die Fügevorrichtung 1 ist ferner derart ausgebildet, dass von ihr die mittels der Spannelemente in Form der Andruckrollen 15, 17 auf den Verbindungsflansch 13 aufgebrachte Einspannkraft basierend auf der erfassten Spaltdicke d₃ derart eingestellt wird, dass die Spaltdicke d₃ einen vorgegebenen Spaltdicken-Maximalwert nicht überschreitet; wobei die Dicke d₃ des Spaltes 43 unter Einbeziehung der Quer-Positionierungen y₁ und y₆ der Positionsreferenzelemente 31, 32 sowie der Dicken d₁, d₂ der beiden Blechteile 3 erfasst wird.
• Ein Fügevorgang läuft wie folgt ab. Zu Beginn des Schweißvorgangs positioniert die Führungsmaschine 7 auf einen Startpunkt. Die Lage bzw. Positionierung der beiden Blechteile 3 entlang der Querrichtung und der Vertikalrichtung wird vor Beginn des Schweißvorgangs mittels des optischen Querpositionierungs-Sensors und Vertikalpositionierungs-Sensors erkannt, z. B. mittels Triangulation, wobei das Höhensignal aus der Triangulation je nach auflaufender Toleranz (Position der Führungsmaschine, Position der Blechteile, Mettfehler etc.) variiert. Über eine Sensorschnittstelle regelt die Führungsmaschine 7 (oder ein zusätzlicher Aktor) die Höhenposition der Spannelemente 15, 17 bis auf einen vorgegebenen Soll-Wert nach, wobei dieser Soll-Wert z. B. auch weiterhin von der Triangulationssensorik geliefert wird. Nun erst wird die Spanntechnik geschlossen, d. h. die Blechteile 3 von den Spannelementen 15, 17 fixiert (eine Positionskorrektur ausschließlich entlang der Vertikalrichtung ist nun nicht mehr möglich, da eine unzulässige Kraft auf die Werkstücke 3 und die Systemtechnik ausgeübt werden würde). Nunmehr erfolgt eine Vermessung der Position der Spannelemente 15, 17 mittels Erfassens der Positionen der Referenzelemente 31, 32 durch den Quer- und den Vertikalpositionierungssensor, und es findet ein Vergleich der erfassten Ist-Positionen mit vorgegebenen Soll-Positionen statt. Die Blechpaketdicke und die Spaltgröße werden erfasst. Dieser Signalabgleich erfolgt weiterhin während des gesamten Fügevorgangs.
• Während des Fügens wird der Bearbeitungsspot bzw. die Auftreffposition des Laserstrahls 5 mittels der dafür vorgesehenen Aktoren und/oder Ablenkeinrichtungen auf die richtige Position auf dem Verbindungsflansch 13 positioniert, wobei die Positionierung mittels der von dem Vertikal-Positionierungssensor 33 und/oder dem Quer-Positionierungssensor 37 erfassten Messwerte erfolgt. Nach dem Starten des Fügevorgangs können während der Vorschubbewegung der Fügevorrichtung kleine Positionskorrekturen der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung durch die Führungsmaschine 7 (oder zusätzliche Aktoren) derart vorgenommen werden, dass die Spannelemente 15, 17 stets sicher im Eingriff mit den Blechteilen 3 sind. Diese Höhenregelung erfolgt anhand der von dem Vertikalpositionierungs-Sensor 33 erfassten Messwerte.
• Die Fügevorrichtung 1 weist zudem eine Referenzstruktur 45 zum Kalibrieren der mittels der Positionsreferenzelemente 31, 32 erfassten Positionierungen auf. 3 veranschaulicht eine mögliche Funktionsweise der Kalibrierung mittels einer solchen Referenzstruktur 45.
• Die Referenzstruktur 45 weist einen Referenzabschnitt 47 mit einer Referenz-Breite Δy_ref und einer Referenz-Höhe Δz_ref auf. Zum Kalibrieren wird, z. B. in einer Schweißunterbrechung zwischen zwei Schweißvorgängen, die Referenzstruktur 45 mit den Andruckrollen 15, 17 derart angefahren, dass die Andruckrollen 15, 17 sowohl bezüglich der Vertikalrichtung z als auch bezüglich der Querrichtung y in Anschlag mit der Referenzstruktur 45 sind und der Referenzabschnitt 47 zwischen den beiden Andruckrollen 15, 17 eingespannt ist. Nunmehr wird mittels des Querpositionierungs-Sensors 37 der zwischen den beiden Positionsreferenzelementen 31, 32 vorliegende Quer-Abstand Δy_mess und mittels des Vertikalpositionierungs-Sensors 33 der zwischen den Positionsreferenzelementen 31, 32 und der stirnseitigen Abschlusskante des Referenzabschnittes 47 vorliegende Vertikal-Abstand Δz_mess erfasst. Die Kalibrierung der mittels der Referenzelemente 31, 32 erfassten Positionierungen kann nunmehr mittels Vergleichs der Referenz-Breite Δy_ref mit dem gemessenen Quer-Abstand Δy_mess und Vergleichs der Referenz-Höhe Δz_ref mit dem gemessenen Vertikalabstand Δz_mess erfolgen. Durch eine solche Kalibrierung kann z. B. der Einfluss einer Abnutzung der Andruckrollen 15, 17 auf die Genauigkeit der Positionierungserfassung kompensiert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Fügevorrichtung

3

Werkstück/Blechteil

5

Energiestrahl/Laserstrahl

7

Führungsmaschine

9

Spanneinrichtung

11

Strahlführungseinrichtung

13

Überlappstoß/Verbindungsflansch

15, 17

Spannelement/Andruckrolle

19

Verbindungsarm

21

Stirnfläche des Überlappstoßes

22

Fügenaht/Schweißnaht

23

Fokussiereinrichtung

25

Ablenkeinrichtung

27

Schwenkbewegung

29

Höhenverstellbewegung

31, 32

Positionsreferenzelement

33

erster und zweiter optischer Sensor/Vertikalpositionierungs-Sensor

35

Sensor-Lichtstrahl

37

dritter optischer Sensor/Querpositionierungs-Sensor

39, 41

Außenseite des Überlappstoßes

43

Spalt

45

Referenzstruktur

47

Referenzabschnitt

x

Längsrichtung

y

Querrichtung

z

Vertikalrichtung/Höhenrichtung

Claims (8)

1. Fügevorrichtung (1) zum Fügen von Werkstücken (3) mittels eines Energiestrahls (5), aufweisend: – eine mitlaufende Spanneinrichtung (9) zum Einspannen der zu fügenden Werkstücke (3) unter Ausbildung eines Überlappstoßes (13), wobei die Spanneinrichtung Spannelemente (15, 17) zum Angreifen an den Werkstücken und mindestens ein Positionsreferenzelement (31, 32) aufweist, – einen optischen Sensor (33), der zum Erfassen der Positionierung des Überlappstoßes (13) bezüglich einer senkrecht zu einer Stirnfläche (21) des Überlappstoßes verlaufenden Vertikalrichtung (z) ausgebildet ist, – einen optischen Sensor, der zum Erfassen der Positionierung des mindestens einen Positionsreferenzelements (31, 32) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ausgebildet ist, und – eine Strahlführungseinrichtung (11), die ausgebildet ist, einen Energiestrahl (5) von der Stirnseite des Überlappstoßes (13) her auf den Überlappstoß zu richten.
2. Fügevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fügevorrichtung (1) derart ausgebildet ist, dass von ihr basierend auf der erfassten Positionierung des Überlappstoßes (13) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ein Stellsignal an eine zum Positionieren der Spannelemente (15, 17) bezüglich der Vertikalrichtung ausgebildete Aktorik (7) generiert wird.
3. Fügevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fügevorrichtung (1) derart ausgebildet ist, dass von ihr basierend auf einer Differenz zwischen den erfassten Positionierungen des Überlappstoßes (13) und des mindestens einen Positionsreferenzelements (31, 32) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ein Stellsignal an eine zum Positionieren der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung ausgebildete Aktorik (7) generiert wird.
4. Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der optische Sensor (33) zum Erfassen der Positionierung des Überlappstoßes (13) bezüglich der Vertikalrichtung (z) integral mit dem optischen Sensor (33) zum Erfassen der Positionierung des mindestens einen Positionsreferenzelements (31, 32) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ausgebildet ist.
5. Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine Positionsreferenzelement (31, 32) derart mit einem der Spannelemente (15, 17) der Spanneinrichtung (9) verbunden ist, dass es bei einer Bewegung des Spannelements (15, 17) mit demselben mitbewegt wird.
6. Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spanneinrichtung (9) ein erstes (31) und ein zweites (32) Positionsreferenzelement aufweist, wobei die beiden Positionsreferenzelemente an zwei gegenüberliegenden Spannelementen (15, 17) derart angeordnet sind, dass sie bei einer Bewegung der Spannelemente mit denselben mitbewegt werden, und wobei die Fügevorrichtung (1) einen optischen Sensor (37) aufweist, der zum Erfassen der Positionierung des ersten und des zweiten Positionsreferenzelements bezüglich einer quer zu dem Überlappstoß (13) verlaufenden Querrichtung (y) ausgebildet ist.
7. Fügevorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass von ihr die Auslenkung des Energiestrahls (5) bezüglich der Querrichtung (y) basierend auf der erfassten Positionierung des ersten und/oder des zweiten Positionsreferenzelements bezüglich der Querrichtung eingestellt wird.
8. Fügevorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass von ihr die mittels der Spannelemente (15, 17) aufgebrachte Einspannkraft basierend auf der erfassten Positionierung des ersten (31) und/oder des zweiten (32) Positionsreferenzelements bezüglich der Querrichtung eingestellt wird.

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