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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Schweißprozesses von an einem Schweißpunkt miteinander zu verschweißenden Werkstücken sowie eine Steuereinheit, ein Schweißgerät und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Mittels Schweißprozessen wie beispielsweise dem Widerstandsschweißen können Werkstücke stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Beispielsweise werden im Zuge des automatisierten Karosserierohbaus durch robotergeführte Schweißgeräte unterschiedliche Werkstücke, z.B. Bleche, miteinander verschweißt. Zum Herstellen einer Karosserie werden dabei bis zu mehrere tausend Schweißpunkte abgearbeitet, die teilweise sehr unterschiedlich hinsichtlich einer zu verschweißenden Werkstückdicken- und/oder Materialkombination sein können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Durchführen eines Schweißprozesses von an einem Schweißpunkt miteinander zu verschweißenden Werkstücken sowie eine Steuereinheit, ein Schweißgerät und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Der Schweißprozess wird mit einem Schweißgerät durchgeführt, insbesondere mit einer Schweißzange des Schweißgeräts. Das Schweißgerät kann ein automatisiertes, robotergeführtes Schweißgerät oder auch ein manuelles, handgeführtes Schweißgerät, beispielsweise mit einer Handzange sein.
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Das Schweißgerät weist einen Inertialsensor auf. Mittels dieses Inertialsensors werden Inertialdaten erfasst, welche eine Orientierung und/oder eine Position und/oder eine Bewegung des Schweißgeräts beschreiben, insbesondere in Bezug auf einen Referenzpunkt im Raum.
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Insbesondere ist anhand der Inertialsensoren bekannt, wie das Schweißgerät relativ zu den zu bearbeitenden Werkstücken ausgerichtet ist und relativ zu diesen bewegt wird. Diese Information wird im Rahmen der Erfindung genutzt, um den Schweißprozess bestmöglich zu beeinflussen und um eine optimale Schweißqualität zu gewährleisten. Die erfassten Inertialdaten werden ausgewertet und in Abhängigkeit von den ausgewerteten Inertialdaten wird wenigstens ein Schweißparameter des Schweißprozesses eingestellt bzw. angepasst.
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Basierend auf den Inertialdaten können beispielsweise gespeicherte bzw. hinterlegte Soll-Werte für Schweißparameter zur Bearbeitung eines Schweißpunkts angepasst werden, um die Schweißqualität zu optimieren. Diese Soll-Werte können beispielsweise in einer Kalibrierphase ermittelt werden, im Zuge derer ein entsprechender Schweißpunkt vermessen wird. Zumeist erfolgt eine derartige Vermessung bei optimaler Orientierung des Schweißgeräts relativ zum Schweißpunkt. Im Rahmen des Verfahrens können derartige gespeicherte Soll-Werte an aktuelle Bedingungen des aktuell durchgeführten Schweißprozesses angepasst werden, insbesondere an die aktuelle Orientierung des Schweißgeräts relativ zum Schweißpunkt.
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Orientierung bzw. Position und Lage des Schweißgeräts, insbesondere einer entsprechenden Schweißzange, zweckmäßigerweise in Bezug auf den zu bearbeitenden Schweißpunkt, haben einen großen Einfluss auf die Schweißqualität. Eine unerwünschte Bewegung des Schweißgeräts während des Schweißablaufs bzw. des Schweißprozesses kann diesen negativ beeinflussen. Durch die Erfindung können unerwünschte Position, Lage und Bewegung des Schweißgeräts, welche zu einer Verminderung der Schweißqualität führen können, frühzeitig erkannt werden und es kann entsprechend entgegengewirkt werden, um negative Einflüsse auf die Schweißqualität zu vermeiden.
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Bei zu verschweißenden Werkstücken mit eingeschränkter Zugänglichkeit kann es oftmals dazu kommen, dass Position und Lage des Schweißgeräts nicht optimal sind. Durch die Erfindung kann auch in diesem Fall gewährleistet werden, dass die Werkstücke bestmöglich miteinander verschweißt werden.
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Wenn die Inertialdaten beispielsweise auf eine Schiefstellung des Schweißgeräts hindeuten, kann der wenigstens eine Schweißparameter derart angepasst bzw. eingestellt werden, dass Schweißspritzer, die ansonsten aufgrund der Schiefstellung entstehen können, vermieden werden.
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Beispielsweise wenn anhand der Inertialdaten auf eine unerwünschte Bewegung des Schweißgeräts geschlossen werden kann, kann die Position des Schweißgeräts entsprechend nachgeregelt bzw. reguliert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Benutzer über die unerwünschte Bewegung informiert werden, so dass dieser entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten kann.
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Vorteilhafterweise werden im Zuge der Auswertung der Inertialdaten die Orientierung und/oder die Position und/oder die Bewegung des Schweißgeräts bestimmt, insbesondere in Bezug auf einen Referenzpunkt. Somit kann insbesondere die absolute Lage des Schweißgeräts, vorzugsweise der Schweißzange im Raum bestimmt und präzise geregelt werden.
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Besonders bevorzugt werden Orientierung und/oder Position und/oder Bewegung des Schweißgeräts in Bezug auf den Schweißpunkt bestimmt. Somit wird insbesondere bestimmt, wie das Schweißgerät bzw. die Schweißzange relativ zu dem zu bearbeitenden Schweißpunkt ausgerichtet ist. Diese Kenntnis ist besonders von Vorteil, wenn die zu verschweißenden Werkstücke aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind und/oder unterschiedliche Dicken aufweisen. Bei derartigen unterschiedlichen zu verschweißenden Werkstücken kann es von großer Bedeutung für die Schweißqualität sein, wie das Schweißgerät ausgerichtet ist.
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Insbesondere ist es von großer Bedeutung, an welchem der unterschiedlichen Werkstücke eine Anode bzw. eine Kathode des Schweißgeräts anliegt. Vorteilhafterweise wird daher im Zuge der Auswertung der Inertialdaten die Orientierung einer Anode und/oder einer Kathode des Schweißgeräts relativ zu den miteinander zu verschweißenden Werkstücken bestimmt. Da während des Schweißprozesses die Anode zumeist die heißere der beiden Elektroden darstellt, kann es bei bestimmten Materialkombinationen bzw. Dickenkombination der zu verschweißenden Werkstücke von Bedeutung sein, dass die Anode an einem speziellen dieser Werkstücke (aus speziellem Material bzw. mit spezieller Dicke) anliegt, um Energie bestmöglich in die Werkstücke einbringen zu können.
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Durch Auswerten der Inertialdaten kann in einem derartigen Fall erkannt werden, ob die Anode wie gewünscht ausgerichtet ist und an dem entsprechenden Werkstück anliegt. Wenn erkannt wird, dass dies nicht der Fall ist, kann der wenigstens eine Schweißparameter entsprechend verändert werden, um dennoch trotz der "falschen Ausrichtung" des Schweißgeräts eine bestmögliche Energieeinbringung zu gewährleisten. Zweckmäßigerweise kann der Schweißstrom erhöht werden, wenn erkannt wird, dass die Anode nicht an dem gewünschten Werkstück anliegt.
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Bevorzugt werden in Abhängigkeit von den ausgewerteten Inertialdaten ein Schweißstrom und/oder eine Schweißspannung und/oder eine Stromzeit bzw. Schweißzeit (d.h. die Zeit, zu der ein Schweißstrom fließt) und/oder eine Elektrodenkraft (d.h. die Kraft, mit der Schweißelektroden gegen die Werkstücke gedrückt werden) als der wenigstens eine Schweißparameter eingestellt. Insbesondere werden Soll-Werte dieser Größen entsprechend eingestellt bzw. angepasst.
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Es ist von Vorteil, wenn der Inertialsensor als wenigstens ein Beschleunigungssensor und/oder als wenigstens ein Drehratensensor bzw. Kreiselinstrument ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Inertialsensor auch einen Kompass aufweisen. Besonders bevorzugt ist dabei eine Verwendung von drei Beschleunigungssensoren und drei Drehratensensoren, die jeweils drei unterschiedliche translatorische bzw. rotatorische Richtungen abdecken, bzw. eine Verwendung eines 3-Achs-Beschleunigungssensors und eines 3-Achs-Drehratensensors. Dies ermöglicht eine besonders effektive und umfassende Ermittlung einer Orientierung, einer Position und/oder deren Veränderung im Raum.
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Besonders bevorzugt ist der Inertialsensor als einen MEMS-Sensor, d.h. als ein mikroelektromechanischer Sensor ausgebildet. MEMS-Sensor besitzen eine besonders kompakte Bauform und eine kostengünstige Fertigung. Insbesondere aufgrund ihrer geringen Größe und Masse können MEMS-Sensoren problemlos in existierende Schweißgeräte integriert werden. Ein derartiger MEMS-Sensor kann zweckmäßigerweise als ein Bauteil ausgebildet sein, in welchem platzsparend und kostengünstig Beschleunigungssensoren, Drehratesensoren bzw. ein Kreiselinstrument und/oder ein Kompass integriert sein können. Weiterhin kann ein MEMS-Sensor auch einen Mikrocontroller aufweisen, auf welchem eine zweckmäßige Software ausgeführt wird, beispielsweise zur Verarbeitung der erfassten Sensor- bzw. Inertialdaten.
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Besonders vorteilhaft eignet sich das Verfahren für den Karosserierohbau, insbesondere für automatisierte Schweißprozesse im Karosserierohbau, vorzugsweise im Zuge einer Kraftfahrzeugproduktion. Insbesondere werden dabei Bleche miteinander verschweißt, um die Karosserie eines Kraftfahrzeugs herzustellen. Im Zuge des Herstellungsprozesses einer einzigen Karosserie können bis zu mehrere tausend Schweißpunkte (z.B. ca. 5.000 Schweißpunkte für ein Mittelklasse-Fahrzeug) automatisiert bearbeitet werden. Durch das Verfahren können die einzelnen Schweißpunkte mit bestmöglicher Qualität und schnellstmöglich geschweißt werden, wodurch die Herstellungsdauer der Karosserie erheblich verkürzt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Steuereinheit (Recheneinheit), z.B. eine Schweißsteuerung eines Schweißgeräts, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schweißgeräts, das dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schweißgeräts schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
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Mit dem Schweißgerät 100 werden Werkstücke 150 durch Widerstandsschweißen miteinander stoffschlüssig verbunden. Insbesondere werden die Werkstücke 150 im Zuge eines Karosseriebaus miteinander verschweißt, wobei insbesondere eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs hergestellt wird.
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Als Werkstücke werden hier beispielsweise ein erstes dünneres Blech 151 und ein zweites dickeres Blech 152 miteinander verschweißt. Beispielsweise besitzt das erste Blech 151 eine Dicke von 1,0 mm und das zweite Blech 152 eine Dicke von 1,5 mm.
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Das Schweißgerät 100 weist eine Schweißzange 110 mit zwei Schweißelektroden 111 und 112 auf. Die Schweißzange 110 ist robotergeführt und mit einem Roboterarm 130 verbunden.
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Im Zuge des Widerstandsschweißens werden die Schweißelektroden 111 und 112 mit einer Elektrodenkraft an einem Schweißpunkt 155 gegen die Bleche 151 und 152 gedrückt. Die Schweißelektroden 111 und 112 werden für die Dauer einer Schweißzeit mit einem Schweißstrom bestromt, wodurch eine Widerstandserwärmung der Bleche 151 und 152 am Schweißpunkt 155 erfolgt. Beispielsweise wird die Schweißelektrode 111 als Kathode bestromt und die Schweißelektrode 112 als Anode.
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Das Schweißgerät 100 weist weiterhin eine Steuereinheit (Schweißsteuerung) 140 auf, welche die Schweißzange 110 ansteuert und den Schweißprozess regelt. Die Steuereinheit 140 steuert die Roboterarme 130 an, um Orientierung und Position der Schweißzange 110 relativ zu dem Schweißpunkt 155 zu verändern und relativ zu diesem zu bewegen. Weiterhin werden durch die Steuereinheit 140 Schweißparameter für den Schweißprozess eingestellt und geregelt, beispielsweise Schweißstrom, Schweißspannung, Schweißzeit und Elektrodenkraft. Beispielsweise kann die Steuereinheit 140 als SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) ausgebildet sein.
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An der Schweißzange 110 ist ein Inertialsensor 120 angeordnet, welcher vorteilhafterweise als MEMS-Sensor ausgebildet ist. Dieser MEMS-Sensor 120 umfasst Beschleunigungs- und Drehratesensoren sowie einen Kompass. Mittels des MEMS-Sensors 120 werden Inertialdaten erfasst, welche Orientierung, Position und Bewegung der Schweißzange 110 relativ zu dem Schweißpunkt 155 beschreiben. Diese Inertialdaten werden an die Steuereinheit 140 übermittelt.
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Die Steuereinheit 140 ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, welches in 2 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt ist. Im Zuge dessen wird wenigstens ein Schweißparameter in Abhängigkeit der von dem MEMS-Sensor erfassten Inertialdaten eingestellt bzw. angepasst, um eine bestmögliche Schweißqualität zu gewährleisten.
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Gemäß Schritt 201 erfasst der MEMS-Sensor 120 entsprechende Inertialdaten und übermittelt diese an die Steuereinheit 140, welche die empfangenen Inertialdaten in Schritt 202 auswertet. Beispielsweise bestimmt die Steuereinheit 140 in Schritt 202 aus den Inertialdaten die Position und die Orientierung der Schweißzange 110 in Bezug zu dem Schweißpunkt 155 sowie ob die Schweißzange 110 sich relativ zu diesem bewegt.
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In Abhängigkeit von diesen ausgewerteten Inertialdaten werden von der Steuereinheit in Schritt 203 wenigstens ein Parameter ausgewählt aus Schweißstrom, Schweißspannung, Schweißzeit und Elektrodenkraft als Schweißparameter eingestellt bzw. angepasst.
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Da die Bleche 151 und 152 eine unterschiedliche Dicke aufweisen, ist es für die Schweißqualität von großer Bedeutung, welche der Schweißelektroden an welchem Blech anliegt. Die als Anode bestromte Schweißelektrode 112 soll beispielsweise an dem dünneren Blech 151 anliegen, da die Anode 112 während des Schweißprozesses die heißere der beiden Elektroden ist und somit eine höhere Energieeinbringung in die Bleche 150 erzielt werden kann. Insbesondere bestimmt die Steuereinheit 140 im Zuge der Auswertung der Inertialdaten in Schritt 202 daher, wie die Schweißelektroden 111 und 112 relativ zu den Werkstücken 151 und 152 orientiert sind.
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Stellt die Steuereinheit 140 im Zuge der Auswertung 202 beispielsweise fest, dass die als Anode bestromte Elektrode 112 nicht das dünnere Blech 151, sondern das dickere Blech 152 berührt, wird der Schweißstrom in Schritt 203 als Schweißparameter entsprechend erhöht, um trotz der unerwünschten Orientierung der Schweißzange dennoch die nötige Energieeinbringung zu erzeugen und die gewünschte Schweißqualität zu gewährleisten.
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Weiterhin ist die Orientierung der Schweißelektroden relativ zu dem Schweißpunkt 155 bzw. relativ zu den Blechen 150 von großer Bedeutung. Beispielsweise kann eine optimale Schweißqualität erzeugt werden, wenn beide Elektroden 111 und 112 jeweils senkrecht zu den Blechen 150 orientiert sind. Wenn die Elektroden nicht senkrecht orientiert sind, kann beispielsweise eine erhöhte Gefahr von Schweißspritzern bestehen.
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Stellt die Steuereinheit 140 im Zuge der Auswertung 202 beispielsweise fest, dass die Elektroden 111 und 112 sich in Schiefstellung relativ zu den Blechen 150 befinden, werden Schweißstrom, Schweißspannung, Schweißzeit und Elektrodenkraft in Schritt 203 als Schweißparameter entsprechend eingestellt, damit es trotz der Schiefstellung nicht zu Schweißspritzern kommt und dass die Bleche 150 mit gewünschter Schweißqualität verbunden werden können.
