DE102016204341A1

DE102016204341A1 - Sprühstation für Schweißtrennmittel und Verfahren zum automatisierten Besprühen

Info

Publication number: DE102016204341A1
Application number: DE102016204341.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bienwald
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sprühstation zum Benetzen eines Werkstücks mit einem Schweißtrennmittel im Vorfeld eines Laser-Remoteschweißprozess mit zumindest einer Sprühvorrichtung (30) mit Düse (32), durch die ein Schweißtrennmittel in einem Sprühbereich als Sprühfächer (S1) versprühbar ist, und einem Roboter (50), mit dem das Werkstück (100) in dem Sprühbereich positionierbar und entlang einer vorgegebenen Bahn relativ zum Sprühbereich bewegbar ist, und einer Steuerungsvorrichtung, die eingerichtet ist, die zumindest eine Sprühvorrichtung (30) in Abhängigkeit des Bewegungsablaufs des Roboters (50) zu betreiben, sowie ein Verfahren zum automatisierten Besprühen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sprühstation für Schweiß-Trennmittel zum Benetzen von Werkstücken vor einem Laser-Remoteschweißprozess sowie ein Verfahren
Beim Laser-Remoteschweißen wird ein Laserstrahl mit großem Arbeitsabstand von üblicherweise mehr als 40 cm über ein Werkstück geführt. Das Laser-Remoteschweißen gewinnt aufgrund der hohen erzielbaren Schweißgeschwindigkeiten zunehmend Verwendung im Fahrzeugbau, z.B. für Schweißverbindungen an Karosserieanbauteilen, wie z.B. Türen.
Zur Sicherstellung ausreichender Nahtqualität und Anbindung wird die Schweißnaht, insbesondere I-Nähte und Kehlnähte, üblicherweise als Durchschweißung mit sichtbarem Wurzeldurchbrand ausgeführt. Beim Durchschweißen entstehen unerwünschte Spritzer und Schweißperlen, insbesondere wenn es sich um Bauteile aus verzinkten Stahlblechen handelt. Die Spritzer und Schweißperlen haften auf dem Werkstück, vor allem auf der Rückseite der Naht und umliegenden Bereichen und müssen in aufwendiger Nacharbeit entfernt werden. Ohne Nacharbeit könnten sich z.B. mitlackierte Schweißspritzer zu einem späteren Zeitpunkt unkontrolliert lösen und Korrosionsprobleme verursachen. Weiterhin sind Schweißspritzer auch aus optischen Gründen, z.B. im Sichtbereich des Kunden, unerwünscht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Nacharbeit an Laser-Remote geschweißten Werkstücken reduziert werden kann.
Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Sprühstation zum Benetzen eines Werkstücks im Vorfeld eines Laser-Remoteschweißprozesses, mit zumindest einer Sprühvorrichtung mit Düse, durch die ein Schweißtrennmittel in einem Sprühbereich als Sprühfächer versprühbar ist, und einem Roboter, mit dem das Werkstück in dem Sprühbereich positionierbar und entlang einer vorgegebenen Bahn relativ zum Sprühbereich bewegbar ist. Eine Steuerungsvorrichtung der Sprühstation ist eingerichtet, die zumindest eine Sprühvorrichtung in Abhängigkeit des Bewegungsablaufs des Roboters zu betreiben.
Erfindungsgemäß ermöglicht die Sprühstation, welche den Betrieb der Sprühvorrichtung an den Bewegungsablauf des Roboters koppelt, einen automatisierten, definierten und reproduzierbaren Auftrag eines Schweißtrennmittels. Eine ausreichende Benetzung des Werkstücks kann sichergestellt werden, welche die Anhaftung von Schweißspritzern verhindert oder zumindest verringert, so dass diese leicht entfernt werden können, z.B. durch Wegwischen. Die Nacharbeit kann erheblich reduziert und beschleunigt werden.
Der Roboter ist vorzugsweise ein mehrachsiger Industrieroboter, z.B. ein Gelenkarmroboter, der mit einem Effektor zur Aufnahme und Positionierung des Werkstücks, z.B. einer Greifvorrichtung, ausgestattet ist. Weiterhin verfügt der Roboter über eine Robotersteuervorrichtung, welche den Bewegungsablauf des Roboters steuert. Die Sprühvorrichtung ist im Arbeitsbereich des Roboters angeordnet, so dass der Roboter das zu besprühende Werkstück im Sprühbereich der Düse bewegen kann.
Der Betrieb der Sprühvorrichtung wird von der Steuerungsvorrichtung gesteuert, die hierzu in Wirkverbindung mit der Sprühvorrichtung steht.
Vorzugsweise haben Sprühvorrichtung und Roboter in einer Ausgestaltung eine gemeinsame Steuerungsvorrichtung, d.h. die Steuerungsvorrichtung steuert in einer Ausgestaltung sowohl den Betrieb der zumindest einen Sprühvorrichtung als auch den Bewegungsablauf des Roboters. Beispielsweise kann die Sprühvorrichtung hierzu von der zentralen Robotersteuervorrichtung, insbesondere einer speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), angesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Sprühstation zwei Düsen auf, aus denen einander zugewandte Sprühfächer erzeugbar sind. Der Abstand der Düsen zueinander ist so gewählt, dass das Werkstück von dem Roboter zwischen den Düsen positionierbar und bewegbar ist und im Betrieb gleichzeitig von zwei Seiten, d.h. von beiden Sprühfächern, mit Schweißtrennmittel benetzt wird. Vorzugsweise weist die Sprühstation in dieser Ausgestaltung zwei separate Sprühvorrichtungen mit jeweils einer Düse auf, deren Düsen einander zugewandt sind.
Das Schweißtrennmittel kann z.B. in einem Vorratsbehälter an der Sprühstation vorgesehen sein und der Sprühdüse mittels Leitungen zugeführt werden. Während des Betriebs der Sprühvorrichtung tritt das Schweißtrennmittel unter Druck aus der Düse der Sprühvorrichtung aus und wird hierbei zerstäubt. Die Form und Reichweite des Sprühfächers hängt hierbei u.a. von der Art der verwendeten Düse und den Sprühparametern, wie z.B. Sprühdruck, Volumenstrom etc. ab. Es können herkömmliche Sprühdüsen verwendet werden. Als Schweißtrennmittel kann ein herkömmliches flüssiges Schweißtrennmittel verwendet werden, z.B. eine silikonfreie wässrige Trennmittel-Emulsion.
Vorzugsweise saugt die Sprühvorrichtung das Trennmittel nach dem Venturiprinzip mittels eines Druckluftstroms über eine Ansaugleitung an und zerstäubt es mittels einer Einstoffdüse. Als Einstoffdüse wird in dieser Anmeldung eine Düse verstanden, der lediglich ein Volumenstrom, nämlich das Trennmittel-Druckluftgemisch, zugeführt wird, und bei der die Zerstäubung aufgrund der Energie des Trennmittel-Druckluftgemisches erfolgt.
Die Steuerungsvorrichtung steht in einer Wirkverbindung mit der Sprühvorrichtung, um den Betrieb derselben zu steuern, insbesondere den Sprühfächer ein- und auszuschalten. In einer bevorzugten Ausgestaltung schaltet die Steuerungsvorrichtung ein Ventil in einer Druckluftzuleitung zum Ein- oder Ausschalten des Sprühfächers.
Zur Reduzierung des Schweißtrennmittelverbrauchs weist die Sprühstation in einer Ausgestaltung weiterhin eine Auffangwanne auf, die unterhalb der Düse angeordnet ist. Abtropfendes Trennmittel wird in der Auffangwanne gesammelt und kann, ggf. nach einer Reinigung, wiederverwendet werden.
Eine Verringerung der Nacharbeit durch ein automatisiertes, reproduzierbares Besprühen eines Werkstücks mit Schweißtrennmittel wird durch ein Verfahren erzielt, bei dem ein Roboter das Werkstück in einem Sprühbereich einer Sprühstation positioniert und entlang einer vorgegebenen Bahn durch den Sprühbereich führt. In Abhängigkeit des Bewegungsablaufs des Roboters wird in dem Sprühbereich zumindest ein Schweißtrennmittel-Sprühfächer erzeugt.
Vorteilhafter Weise ist es möglich, nicht das gesamte Werkstück, sondern gezielt diejenigen Werkstückabschnitte mit Schweißtrennmittel zu besprühen, in denen nachfolgend mit einer Belastung durch Schweißspritzer zu rechnen ist, z.B. in den Bereichen rund um eine nachfolgend auszubildende Schweißnaht. So erfolgt in einer Ausgestaltung die Bahnbewegung des Werkstücks und der Betrieb der Sprühvorrichtung so, dass die für eine nachfolgende Schweißung relevanten Werkstückabschnitte besprüht werden. Beispielsweise ist die vorgegebene Bahn so gewählt, dass die relevanten Werkstückabschnitte durch den Sprühbereich, d.h. an der Düse der Sprühvorrichtung vorbei, geführt werden.
Der Betrieb der Sprühvorrichtung ist an den Bewegungsablauf des Roboters gekoppelt. Der Roboter positioniert das Werkstück zunächst in einer Anfangsposition im Sprühbereich vor der Düse. Dann wird das Werkstück entlang der vorgegebenen Bahn an der Düse vorbeibewegt, bis ein Endpunkt erreicht ist. Nach Erreichen des Endpunktes entfernt der Roboter das Werkstück aus dem Sprühbereich der Düse und kann es z.B. in einen Zwischenpuffer ablegen. Der vom Roboter auszuführende Bewegungsablauf, insbesondere zur Erzielung der vorgegebenen Werkstückbewegung vor der Düse bzw. im Sprühfächer derselben, ist z.B. als Programmierung in der Robotersteuervorrichtung abgelegt. Die Sprühvorrichtung wird ein- bzw. ausgeschaltet, wenn der Roboter bestimmte, vorgegebene Positionen eingenommen hat. Vorzugsweise wird die Sprühvorrichtung aktiviert, d.h. der Sprühfächer wird erzeugt, wenn der Roboter das Werkstück in die Anfangsposition gebracht hat und die Sprühvorrichtung wird deaktiviert, wenn das Werkstück bis an den Endpunkt der Bahnbewegung bewegt wurde. Insbesondere kann die Sprühvorrichtung solange eingeschaltet bleiben, wie der Roboter das Werkstück entlang der vorgegebenen Bahn an der Düse vorbeiführt.
Zur Erreichung einer beidseitigen Besprühung des Werkstücks wird dieses vorzugsweise zwischen zwei einander zugewandten Sprühfächern vorbeigeführt.
Das Werkstück wird entlang der auszubildenden Schweißnaht großflächig besprüht. Insbesondere wird das zur späteren Schweißnaht benachbarte Material vollflächig mit Trennmittel benetzt, z.B. wird die Benetzung in einem Bereich von mindestens 5 cm oder vorzugsweise mindestens 10 cm beidseitig des geplanten Schweißnahtverlaufs sichergestellt.
Bei der Verfahrensführung werden die Sprühparameter so gewählt, dass eine ausreichende Benetzung des Werkstücks mit Schweißtrennmittel erfolgt, vorzugsweise beträgt die Benetzung des Werkstücks entlang der Bahn mindestens 1,5 g Trennmittel pro Quadratmeter Werkstückoberfläche. Die Sprühparameter sind insbesondere der Sprühdurchsatz der Sprühvorrichtung, der Sprühdruck, die Geschwindigkeit der Werkstückbewegung und der Abstand zwischen Werkstück und Düse.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Verfahren vollautomatisch durchgeführt. Das Verfahren kann mit der voranstehend beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden.
Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich zum Besprühen von Werkstücken vor einem nachfolgenden Schweißprozess, insbesondere einem Remote-Schweißprozess. Vorteilhafterweise kann das Werkstück unmittelbar vor dem Schweißprozess besprüht werden, z.B. bevor es in die Laserkabine gebracht wird. Das Werkstück kann aus einem oder mehreren Bauteilen bestehen, vorzugsweise Blechbauteile wie z.B. Karosserieanbauteile. Die Bauteile können insbesondere aus verzinktem Stahlblech bestehen. Zum Zeitpunkt des Besprühens können die Bauteile bereits über Schweißpunkte zueinander und aneinander fixiert sein.
Mit der voranstehend beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren kann erreicht werden, dass bei einem nachfolgenden Laserprozess keine bis wenige Schweißrückstände auf dem Werkstück haften bleiben. Die erforderliche Nacharbeit kann entsprechend reduziert werden. Durch die automatisierte Prozessführung kann zudem die Unfallgefahr reduziert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Sprühstation
2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Funktion der Sprühstation aus 1
1 zeigt eine Sprühstation 10 zum automatisierten Besprühen eines Werkstücks 100 mit Schweißtrennmittel.
Das Werkstück 100 besteht aus einem Türaußenblech und einem Schließblech. Die beiden Bleche sollen nachfolgend mittels Laser-Remoteschweißen gefügt werden und sind im Vorfeld bereits zueinander positioniert und mittels einiger Widerstandschweißpunkte aneinander fixiert worden.
Vor dem Laser-Remoteschweißen wird das Werkstück nun an der Sprühstation 10 mit dem Schweißtrennmittel besprüht, um eine Nacharbeit nach dem Schweißprozess zu vereinfachen und zu reduzieren.
Die Sprühstation 10 beinhaltet ein Gestell 20 mit zwei daran angebrachten Sprühvorrichtungen 30 und 40. Das Gestell 20 hat einen senkrechten Hauptträger 22 und zwei davon seitlich in die gleiche Richtung wegstehende Arme 24 und 26.
Die Sprühvorrichtungen 30 und 40 sind ortsfest übereinander angeordnet, wobei die Düsen 32 und 42 an den freien Enden der Arme 24 und 26 angeordnet sind. Die Düsen 32 und 42 liegen sich gegenüber und zeigen mit ihren Sprührichtungen aufeinander zu. Zwischen den Düsen 32 und 42 bzw. den Armen 24 und 26 ist ausreichend Abstand vorgesehen, so dass das Werkstück 100 mit den einzusprühenden Flächen zwischen die Düsen eingebracht werden kann.
Jede Sprühvorrichtung verfügt über einen Vorratsbehälter 37 bzw. 47, in dem Schweißtrennmittel bereitgestellt wird. Das Schweißtrennmittel wird den Düsen über Leitungen zugeführt. Der genaue Aufbau der Sprühvorrichtungen 30 und 40 ist mit Bezug auf 2 beschrieben.
Zum Auffangen von herabtropfendem Schweißtrennmittel ist der Fuß des Gestells 20 als Auffangwanne 28 ausgebildet, die sich unterhalb der Düsen 32 und 42 befindet.
Im Betrieb erzeugen die Sprühvorrichtungen 30 und 40 aus ihren Düsen 32 und 42 jeweils einen Sprühfächer S1 bzw. S2, angedeutet durch die strichlierten Linien in 1. Zum Besprühen des Werkstücks 100 wird dieses zwischen die Düsen 32 und 42 eingebracht und durch die Sprühfächer S1 und S2 geführt. Die Sprühparameter und der Abstand der Düsen voneinander sind so gewählt, dass eine beidseitige Benetzung des Werkstücks 100 erfolgt.
Die notwendige Werkstückbewegung wird durch einen mehrachsigen Industrieroboter 50 realisiert, der das Werkstück 100 mittels eines geeigneten Effektors 52 hält und positioniert. Der Roboter 50 bewegt das Werkstück 100 entlang einer vorgegebenen Bahn, so dass diejenigen Bereiche durch den Sprühnebel geführt werden, in denen nachfolgend eine Laser-Remoteschweißung erfolgen soll und in denen eine Anhaftung von Schweißspritzern vermieden werden soll.
In dem Beispiel von 1 werden die Sprühvorrichtungen 30 und 40 und der Roboter 50 durch eine gemeinsame Steuerungsvorrichtung in Form einer nicht dargestellten speicherprogrammierbaren Steuerung des Roboters 50 gesteuert.
Wenn der Roboter 50 das Werkstück 100 in einer vorgegebenen Anfangsposition zwischen den Düsen 32 und 42 der Sprühvorrichtungen 30 und 40 positioniert hat, wird der Sprühvorgang gestartet. Während die Sprühvorrichtungen 30 und 40 ihre Sprühfächer S1 und S2 erzeugen, bewegt der Roboter 50 das Werkstück 100 entlang der vorgegebenen Bahn durch den Sprühnebel hindurch. Der Verlauf der Bahn ist dabei so gewählt, dass alle Werkstückbereiche benetzt werden, die aufgrund des nachfolgenden Schweißprozesses vor der Anhaftung von Schweißspritzern geschützt werden sollen. Hat der Roboter 50 das Werkstück bis zu einen Endpunkt der vorgegebenen Bahn bewegt, so werden die Sprühvorrichtungen 30 und 40 ausgeschaltet. Anschließend kann das Werkstück 100 zum Laser-Remoteschweißen verbracht werden, z.B. in eine benachbarte Laserkabine.
Die Parameter zur Benetzung des Werkstücks 100 mit Schweißtrennmittel, welche u.a. der Abstand zwischen Werkstück 100 und Düsen 32 und 42, der versprühte Trennmittelstrom, der Sprühdruck und die Geschwindigkeit der Werkstückbewegung sind, werden so gewählt, dass die Werkstückoberfläche entlang des späteren Schweißnahtverlaufs mit mindestens 1,5 g Trennmittel pro Quadratmeter benetzt wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Sprühstation aus 1 zur Veranschaulichung der Funktion der Sprühvorrichtungen 30 und 40.
Jede Sprühvorrichtung 30 und 40 verfügt über eine Düse 32 bzw. 42 durch die das Schweißtrennmittel versprüht wird. Die Düse 32 bzw. 42 ist über eine Venturidüse 33 bzw. 43 und Zuleitungen 34 und 35 bzw. 44 und 45 mit einer nicht dargestellten Druckluftversorgung verbunden. Wird nun Druckluft vom Druckluftanschluss durch die Venturidüse 33 bzw. 43 geleitet, so entsteht hinter der Düsenverengung ein Unterdruck. Über eine Saugleitung 36 bzw. 46 ist dort ein Vorratsbehälter 37 bzw. 47 mit dem Schweißtrennmittel angeschlossen. Der Luftstrom saugt das Schweißtrennmittel an und reißt dieses mit zur Düse 32 bzw. 42. Das dort ankommende Schweißtrennmittel-Luftgemisch wird in den als Einstoffdüsen ausgebildeten Düsen 32 bzw. 42 zerstäubt und tritt als Sprühfächer S1 bzw. S2 aus.
Die Sprühvorrichtung 30 bzw. 40 wird über ein Magnetventil 38 bzw. 48 ein- und ausgeschaltet, das in der Druckluftleitung 35 bzw. 45 vorgesehen und der Venturidüse 33 bzw. 43 vorgeschaltet ist. Die Magnetventile 38, 48 werden von der Steuerungsvorrichtung des Roboters 50 geschaltet und sind hierzu über Leitungen 39 bzw. 49 mit dieser verbunden.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichenliste

10: Sprühstation
20: Gestell
22: Hauptträger
24, 26: Arme
28: Auffangwanne
30, 40: Sprühvorrichtung
32, 42: Düse
33, 43: Venturidüse
34, 35, 44, 45: Zuleitungen
36, 46: Saugleitungen
37, 47: Vorratsbehälter
38, 48: Magnetventil
50: Roboter
52: Effektor
100: Werkstück
S1, S2: Sprühfächer

Claims

Sprühstation zum Benetzen eines Werkstücks mit einem Schweißtrennmittel im Vorfeld eines Laser-Remoteschweißprozess, mit – zumindest einer Sprühvorrichtung (30) mit Düse (32), durch die ein Schweißtrennmittel in einem Sprühbereich als Sprühfächer (S1) versprühbar ist, – einem Roboter (50), mit dem das Werkstück (100) in dem Sprühbereich positionierbar und entlang einer vorgegebenen Bahn relativ zum Sprühbereich bewegbar ist, und – einer Steuerungsvorrichtung, die eingerichtet ist, die zumindest eine Sprühvorrichtung (30) in Abhängigkeit des Bewegungsablaufs des Roboters (50) zu betreiben.
Sprühstation nach Patentanspruch 1, wobei die Steuerungsvorrichtung weiterhin den Bewegungsablauf des Roboters (50) steuert.
Sprühstation nach Patentanspruch 1 oder 2, mit zwei Düsen (32, 42), aus denen einander zugewandte Sprühfächer (S1, S2) erzeugbar sind und die so angeordnet sind, dass das Werkstück (100) gleichzeitig von zwei Seiten mit Schweißtrennmittel benetzbar ist.
Sprühstation nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die zumindest eine Sprühvorrichtung (30, 40) das Schweißtrennmittel nach dem Venturiprinzip mittels eines Druckluftstroms über eine Saugleitung (36; 46) ansaugt und mittels einer Einstoffdüse (32; 42) zerstäubt.
Sprühstation nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Steuervorrichtung ein Ventil (38; 48) in einer Druckluftzuleitung schaltet zum Ein- oder Ausschalten des Sprühfächers.
Sprühstation nach einem der vorangehenden Patentansprüche, weiterhin mit einer Auffangwanne (28), die unterhalb der Düse (32, 42) angeordnet ist.
Verfahren zum automatisierten Besprühen eines Werkstücks, insbesondere zweier miteinander zu verschweißender Karosserieanbauteile, mit einem Schweißtrennmittel in einer Sprühstation, insbesondere einer Sprühstation (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, bei dem ein Roboter (50) das Werkstück (100) in einem Sprühbereich zumindest einer Sprühvorrichtung (30) positioniert und entlang einer vorgegebenen Bahn durch den Sprühbereich führt und die Sprühvorrichtung in Abhängigkeit des Bewegungsablaufs des Roboters (50) betrieben wird.
Verfahren nach Patentanspruch 7, bei dem die Bahnbewegung des Werkstücks (100) und der Betrieb der Sprühvorrichtung (30) so erfolgt, dass die für eine nachfolgende Schweißung relevanten Werkstückabschnitte besprüht werden.
Verfahren nach Patentanspruch 7 oder 8, bei dem die zumindest eine Sprühvorrichtung (30) aktiviert wird, wenn das Werkstück (100) in eine Anfangsposition der Bahnbewegung gebracht wird, und die zumindest eine Sprühvorrichtung (40) deaktiviert wird, wenn das Werkstück (100) in eine Endposition der Bahnbewegung gebracht wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, bei dem das Werkstück (100) zwischen zwei einander zugewandten Sprühfächern (S1, S2) geführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 7 bis 10, bei dem die Sprühparameter so gewählt sind, dass eine Benetzung der Oberfläche des Werkstücks (100) entlang der Bahn mit mindestens 1,5 g Trennmittel pro Quadratmeter erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 7 bis 11, das vollautomatisch erfolgt.