DE102018004120A1

DE102018004120A1 - Vorrichtung und Verfahren zur automatisierten Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere aus einem Guss- oder Werkzeugstahl, Anordnung mit einem Roboterarm und mit der Vorrichtung und deren Verwendung und Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks

Info

Publication number: DE102018004120A1
Application number: DE102018004120.5A
Authority: DE
Inventors: Clemens Kuhn; Thomas Beil; Gawain Kaltenbach
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: STELLANTIS AUTO SAS, FR
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Vorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks 3, wobei die Vorrichtung 1 eine Schweißeinrichtung 10 zum Auftragen von Schweißgut auf das Werkstück 3 umfasst, wobei die Vorrichtung 1 eine Aufnahmeeinrichtung 9 mit einer Kopplungsschnittstelle 13 zur lösbaren Kopplung jeweils einer von mehreren unterschiedlichen Werkzeugeinrichtungen 12 zur Bearbeitung des Werkstücks 3 umfasst.

Description

Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Anordnung mit einem Roboterarm und mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. D ie Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und eine Verwendung der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Hintergrund:
Um ein Werkstück, z.B. ein Werkzeug für eine Presse, herzustellen, nachzuarbeiten oder zu reparieren, muss oftmals Material zur Anpassung einer Oberflächengeometrie des Werkstücks aufgetragen werden. Der Materialauftrag erfolgt üblicherweise durch sogenanntes Auftragsschweißen. Neben manuell durchgeführtem Auftragsschweißen sind bereits Vorrichtungen bekannt, mit denen der Materialauftrag automatisiert erfolgt. Ebenfalls bekannt geworden ist bereits ein Verfahren, bei dem der Materialauftrag und ein anschließendes Hämmern des Werkstücks automatisiert in einer gemeinsamen Vorrichtung erfolgt.
Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2017 006 750 A1 , die wohl den nächstliegenden Stand der Technik bildet, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragsschweißen. Die Vorrichtung umfasst einen motorisch beweglichen Roboterarm, an dem ein Bearbeitungskopf mit einer Schweißvorrichtung und mit einem angetriebenen Hammer angeordnet ist. Die Schweißvorrichtung bringt Schweißgut in einem zu bearbeitenden Bereich eines Werkstücks auf. Anschließend wird der Bearbeitungskopf so bewegt, dass der Hammer in den Bereich geführt wird und diesen hämmernd bearbeitet.
Beschreibung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine raumsparende und funktional flexible Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Anordnung mit einem Roboterarm und mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12, durch ein Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch die Verwendung der Anordnung zum Schweißen, Hämmern, Bohren, Fräsen und/oder Scannen des Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die zur Bearbeitung eines Werkstücks ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die Bearbeitung auch eine Güteprüfung des Werkstücks. Bei dem Werkstück handelt es sich zum Beispiel um ein Presswerkzeug aus einem Guss- oder Werkzeugstahl, das insbesondere zum Pressen von Blechteilen, z.B. von Karosseriebauteilen, für den Fahrzeugbau ausgebildet ist. Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Befestigungs- und Steuerungsschnittstelle auf, über die die Vorrichtung an einem Roboterarm befestigbar und ansteuerbar ist. Beispielsweise ist Roboterarm ein Bestandteil eines Industrieroboters, der z.B. in einer Fertigungsstraße zur Fertigung, Bearbeitung und/oder Reparatur von Werkstücken, insbesondere von Presswerkzeugen, eingesetzt ist. Optional ist der Roboterarm in sechs Freiheitsgraden bewegbar. Insbesondere ist der Roboter in drei zueinander orthogonal verlaufenden linearen Richtungen bewegbar und um drei Rotationsachsen rotierbar, wobei jeweils eine der Rotationsachsen einem Vektor entspricht, der eine der linearen Richtungen definiert.
Die Vorrichtung umfasst eine Schweißeinrichtung, die zum Auftragen von Schweißgut auf das Werkstück, insbesondere durch Auftragsschweißen, ausgebildet ist. Bei dem Schweißgut handelt es sich z.B. um Verbrauchsmaterial für das Auftragsschweißen, nämlich um umhüllte und/oder blanke Drähte, Schweißdrähte, Schweißstreifen und Schweißstäbe aus Metall, um Metallpulver zum Schweißen oder um nicht mechanische Wickelspulen aus Metall. Hierfür umfasst die Schweißeinrichtung insbesondere einen Schweißbrenner, durch den das Werkstück Schweißgut aufbringend bearbeitet werden kann. Besonders bevorzugt ist, dass die Schweißeinrichtung dazu ausgebildet ist, das Schweißgut durch MIG-CMT-Schweißen (Metallschweißen mit inerten Gasen - cold metal transfer - Schweißen) oder durch Lichtbogen-Draht-Auftragsschweißen auf das Werkstück aufzutragen.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Aufnahmeeinrichtung mit einer Kopplungsschnittstelle. Die Kopplungsschnittstelle ist zur lösbaren Kopplung jeweils einer von mehreren unterschiedlichen Werkzeugeinrichtungen ausgebildet. Die verschiedenen Werkzeugeinrichtungen sind dazu ausgebildet, das Werkzeug insbesondere auf unterschiedliche Art und Weise, zu bearbeiten und/oder in seiner Güte zu prüfen. Besonderes bevorzugt ist, dass die unterschiedlichen Werkzeugeinrichtungen je nach Bedarf gegeneinander ausgewechselt und mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelt werden können.
Vorteilhaft ist, dass die Vorrichtung funktional besonders flexibel zur Bearbeitung des Werkstücks einsetzbar ist. Dadurch kann das Werkstück z.B. innerhalb einer Fertigungsstraße an einer Bearbeitungsposition mit den unterschiedlichen Werkzeugeinrichtungen bearbeitet werden. Optional ergänzend kann das Werkstück in derselben Bearbeitungsposition auf seine Güte überprüft werden. Dadurch können in vorteilhafter Weise Takt- und Rüstzeiten reduziert und somit Kosten bei der Bearbeitung des Werkstücks eingespart werden.
Bevorzugt ist die Aufnahmeeinrichtung als eine Motorspindel mit einem um eine Motorrotationsachse rotierbaren Rotor ausgebildet. Vorzugsweise ist die Aufnahmeeinrichtung so positionierbar, dass die Motorrotationsachse bei und/oder während der Bearbeitung des Werkstücks senkrecht und/oder lotrecht zu diesem verläuft. Insbesondere ist die mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelte Werkzeugeinrichtung axial ausgerichtet. Im Speziellen ist die gekoppelte Werkzeugeinrichtung bei und/oder während der Bearbeitung senkrecht und/oder lotrecht zu dem zu bearbeitenden Werkstück angeordnet und/oder ausgerichtet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Halteeinrichtung, die zum Halten und/oder Festlegen der Schweißeinrichtung an der Aufnahmeeinrichtung ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Schweißeinrichtung über die Halteeinrichtung radial beabstandet zu der Motorspindel angeordnet. Optional ergänzend oder alternativ ist die Schweißeinrichtung so an der Aufnahmeeinrichtung festgelegt, dass sie, insbesondere ein Schweißbrenner der Schweißeinrichtung, winklig zu der Motorrotationsachse des Rotors und/oder zu der gekoppelten Werkzeugeinrichtung angeordnet und/oder ausgerichtet ist. Besonders bevorzugt ist, dass die Schweißeinrichtung, insbesondere der Schweißbrenner, in einem rechten Winkel zu der Motorrotationsachse und/oder zu der gekoppelten Werkzeugeinrichtung angeordnet und/oder ausgerichtet ist.
Vorteilhaft ist, dass die winklige Anordnung der Schweißeinrichtung einen schlanken Aufbau der Vorrichtung gewährleistet, sodass die Vorrichtung räumlich uneingeschränkt bei und/oder während der Bearbeitung einsetzbar ist. Beispielsweise kann durch die winklige Anordnung vermieden werden, dass die Schweißeinrichtung eine Störkontur beim Positionieren der gekoppelten Werkzeugeinrichtung bildet. Insbesondere kann die mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelte Werkzeugeinrichtung ungehindert über dem Werkstück positioniert und sogar in äußerste Randbereiche des Werkstücks bewegt werden.
In einer weiteren möglichen konstruktiven Umsetzung umfasst die Halteeinrichtung eine Scharniereinrichtung zur neigbaren und/oder schwenkbaren Lagerung der Schweißeinrichtung. Insbesondere ist die Schweißeinrichtung relativ zu der Halteeinrichtung und/oder relativ zu einer Parallelen der Motorrotationsachse neigbar und/oder schwenkbar gelagert. Besonders bevorzugt ist weiterhin, dass die Halteeinrichtung z.B. drehfest an der Aufnahmeeinrichtung befestigt ist. Insbesondere ist die Schweißeinrichtung mittels des Roboterarms gemeinsam mit der Aufnahmeeinrichtung um mindestens eine der drei Rotationsachsen rotierbar. Besonders bevorzugt ist, dass die Schweißeinrichtung zur Überführung in eine Schweißstellung, in der sie das Schweißgut auf das Werkstück aufbringt, um genau diejenige der Rotationsachsen rotiert wird, die gleichgerichtet und/oder parallel zu einer Oberfläche des Werkstücks und/oder orthogonal zu der Motorrotationsachse verläuft.
Vorteilhaft ist, dass die Schweißeinrichtung durch die Möglichkeit der Rotation um mindestens eine der Rotationsachsen und/oder durch das Neigen und/oder Schwenken der Schweißeinrichtung relativ zu der Halteeinrichtung so positionierbar ist, dass sie das Schweißgut positionsgenau auf dem Werkstück aufbringen kann. Weiterhin kann die Schweißeinrichtung nach dem Aufbringen des Schweißguts so positioniert werden, dass die Bearbeitung des Werkstücks durch die gekoppelte Werkzeugeinrichtung ungehindert erfolgen kann. Insbesondere kann eine umfangreiche Bewegungsfreiheit der Vorrichtung ohne hindernde Störkonturen bereitgestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste mit der Aufnahmeeinrichtung koppelbare Werkzeugeinrichtung eine Hammereinrichtung. Beispielsweise ist die Hammereinrichtung dazu ausgebildet, ein maschinelles Oberflächenhämmern bzw. ein sogenanntes machine hammer peening zur Reduzierung der durch das Auftragsschweißen induzierten Spannung und zur Vermeidung von Spannungsrissen in dem Werkstück durchzuführen. Bevorzugt ist die Hammereinrichtung durch die lineare Bewegung und/oder durch die Rotation des Roboterarms um mindestens eine der drei Rotationsachsen in einem Bereich des Schweißgutauftrags positionierbar. Vorzugsweise ist die Hammereinrichtung mit Druckluft beaufschlagbar und dadurch axial oszillierbar, wenn sie an der Aufnahmeeinrichtung gekoppelt ist. Dadurch kann die Hammereinrichtung auf- und ab bewegt werden und das Werkstück, insbesondere in dem Bereich des Schweißgutauftrags, hämmern.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist eine zweite mit der Aufnahmeeinrichtung koppelbare Werkzeugeinrichtung eine Bohrereinrichtung. Beispielsweise ist die Bohrereinrichtung zum Bohren von Löchern in dem Werkstück ausgebildet. Bei einer möglichen dritten mit der Aufnahmeeinrichtung koppelbaren Werkzeugeinrichtung handelt es sich vorzugweise um eine Fräseinrichtung, die zum Fräsen des Werkstücks, insbesondere zum Abfräsen von überschüssigem Material an dem Werkstück, ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die mit Aufnahmeeinrichtung gekoppelte Fräseinrichtung oder die mit Aufnahmeeinrichtung gekoppelte Bohrereinrichtung durch die lineare Bewegung und/oder durch die Rotation des Roboterarms um mindestens eine der drei Rotationsachsen in einem zu bohrenden beziehungsweise zu fräsenden Bereich des Werkstücks positionierbar. Besonders bevorzugt ist, dass die Fräseinrichtung oder die Bohrereinrichtung mittels des Rotors der Motorspindel um die Rotationsachse rotierbar und insbesondere dadurch antreibbar ist.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine vierte mit der Aufnahmeeinrichtung koppelbare Werkzeugeinrichtung eine Scannereinrichtung zum Scannen eines Oberflächenverlaufs des Werkstücks ist. Beispielsweise ist die Scannereinrichtung ein Laser-Linienscanner, der einen Oberflächenverlauf des Werkstücks z.B. zur späteren Güteprüfung scannen kann. Bevorzugt ist die Scannereinrichtung durch die lineare Bewegung und/oder durch die Rotation des Roboterarms um mindestens eine der drei Rotationsachsen zum Scannen positionierbar und/oder über die Oberfläche des Werkstücks hinweg verfahrbar. Insbesondere kann der gescannte Ist-Oberflächenverlauf mit einem in einer der Vorrichtung zugeordneten Auswerteeinrichtung hinterlegten Soll-Oberflächenverlauf abgeglichen werden. Bei einer etwaigen Abweichung des Ist- und Soll-Oberflächenverlaufs ist es bevorzugt, dass eine der Vorrichtung zugeordnete Steuerungseinrichtung eine entsprechende Nachbearbeitung des Werkstücks mit der Schweißeinrichtung und/oder mit mindestens einer der Werkzeugeinrichtungen ansteuert.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine Anordnung mit dem Roboterarm und mit der Vorrichtung nach der bisherigen Beschreibung und/oder nach einem der Ansprüche 1 bis 11. Vorzugweise ist der Roboterarm ein Bestandteil eines Industrieroboters, der z.B. in einer Fertigungsstraße zur Fertigung, Bearbeitung und/oder Reparatur von Werkstücken, insbesondere von Presswerkzeugen, eingesetzt ist. Optional ist der Roboterarm in sechs Freiheitsgraden bewegbar. Bevorzugt ist die Vorrichtung mit dem Roboterarm über die Befestigungs- und Steuerungsschnittstelle der Vorrichtung verbindbar und insbesondere gemeinsam mit dem Roboterarm bewegbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung die Auswerteeinrichtung z.B. zum Abgleich und zur Auswertung des durch die Scannereinrichtung gescannten Oberflächenverlaufs. Optional ergänzend umfasst die Anordnung die Steuerungseinrichtung, die zur Ansteuerung des Roboterarms und der Vorrichtung ausgebildet ist.
Bevorzugt ist, dass der Roboterarm eine Befestigungs- und Steuerungsgegenschnittstelle für die Befestigungs- und Steuerungsschnittstelle der Vorrichtung aufweist. Über die zusammenwirkenden Schnittstellen ist die Vorrichtung an dem Roboterarm befestigbar und insbesondere durch die Steuerungseinrichtung ansteuerbar. Insbesondere setzt die Steuerungseinrichtung den Roboterarm und die mit dem Roboterarm mechanisch und signaltechnisch verbundene Vorrichtung in Betrieb, steuert die Bewegungsrichtungen und/oder Rotationen des Roboterarms und/oder die Oszillation der Hammereinrichtung an. Optional ergänzend steuert die Steuerungseinrichtung die Neigung und/oder Schwenkung der Schweißeinrichtung an.
In einer besonders bevorzugten Umsetzung der Erfindung ist die Schweißeinrichtung durch den Roboterarm in die Schweißstellung überführbar. Alternativ oder optional ergänzend ist die mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelte Werkzeugeinrichtung durch den Roboterarm in eine Bearbeitungsstellung überführbar. Insbesondere bewegt der Roboterarm die Schweißeinrichtung und/oder die gekoppelte Werkzeugeinrichtung bei und/oder während des Auftrags des Schweißguts bzw. bei und/oder während der Bearbeitung über das Werkstück hinweg, wobei der Roboterarm hierzu von der Steuerungseinrichtung angesteuert wird.
In einer möglichen Umsetzung der Erfindung ist der von der Scannereinrichtung gescannte Oberflächenverlauf als elektrische Signale über die Schnittstellen an die Auswerteeinrichtung zur Auswertung und/oder zum Abgleich übermittelbar. Für den Fall, dass eine Abweichung des Ist-Oberflächenverlaufs zum Soll-Oberflächenverlauf ausgewertet wird, kann die Steuerungseinrichtung insbesondere eine Nachbesserung des Oberflächenverlaufs ansteuern.
Ein Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks mit der Anordnung nach der bisherigen Beschreibung und/oder nach Anspruch 12 bildet einen weiteren Gegenstand der Erfindung. Im Rahmen des Verfahrens wird die Schweißeinrichtung in der Schweißstellung, in der sie das Schweißgut auf das Werkstück aufbringt, positioniert. Nach dem Aufbringen des Schweißguts wird die Schweißeinrichtung, insbesondere mittels des Roboterarms, um mindestens eine der drei Rotationsachsen rotiert und/oder geschwenkt bzw. geneigt, sodass sie aus der Schweißstellung herausbewegt wird. Beispielsweise wird die Schweißeinrichtung um einen Winkel von mindestens 60 Grad, vorzugsweise von mindestens 90 Grad und/oder von maximal 120 Grad um die mindestens eine Rotationsachse rotiert.
Dadurch dass die Schweißeinrichtung nach dem Aufbringen des Schweißguts aus der Schweißstellung herausbewegt wird, ist der Roboterarm in seinem Bewegungsbereich weniger eingeschränkt, insbesondere muss er bei und/oder während der Positionierung und/oder Bewegung der Werkzeugeinrichtungen nicht auf die von dem Roboterarm abstehende Schweißeinrichtung als Hindernis oder Störkontur Rücksicht nehmen. Durch die dadurch erreichte Bewegungsfreiheit des Roboterarms kann die mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelte Werkzeugeinrichtung wenn nötig auch in die äußersten Randbereiche des Werkstücks bewegt werden.
In einem bevorzugten Verfahrensschritt wird die Hammereinrichtung unmittelbar nach dem Herausbewegen der Schweißeinrichtung aus der Schweißstellung in Betrieb genommen. Vorzugsweise bewegt der Roboterarm die Vorrichtung so, dass die Hammereinrichtung über dem mit dem Schweißgut versehenen Bereich angeordnet ist. Insbesondere oszilliert die Hammereinrichtung und hämmert den Bereich, um die in dem Werkstück induzierte Spannung zu reduzieren und Spannungsrisse in dem Werkstück zu vermeiden. Bevorzugt wird die Hammereinrichtung während des Hämmerns mittels des Roboterarms über den mit dem Schweißgut versehenen Bereich hinweg bewegt.
In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt, der z.B. vor dem Auftragsschweißen oder nach dem Hämmern erfolgt, werden die Bohrereinrichtung, die Fräsereinrichtung und/oder die Scannereinrichtung zur Bearbeitung des Werkstücks in Betrieb genommen. Möglich ist hierbei, dass nur eine oder zwei der vorgenannten Werkzeugeinrichtungen oder auch alle vorgenannten Werkzeugeinrichtungen nacheinander eingesetzt werden.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet die Verwendung der Anordnung nach der bisherigen Beschreibung und/oder nach Anspruch 13 zum Schweißen, Hämmern, Bohren, Fräsen und/oder Scannen des Werkstücks.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:

1 eine Anordnung mit einem Roboterarm und einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks;
2 die Vorrichtung aus 1 mit einer Aufnahmeeinrichtung, einer Schweißeinrichtung und einer Schnittstelle zur Befestigung einer von mehreren möglichen Werkzeugeinrichtungen.

Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Anordnung 10 mit einem Roboterarm 2 und mit einer mit dem Roboterarm 2 verbundenen Vorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks 3 gezeigt. Die Bearbeitung umfasst auch eine Güteprüfung des Werkstücks 3. Der Roboterarm 2 ist Bestandteil eines Industrieroboters 4, der im Rahmen einer Werkstückherstellung, insbesondere einer Fertigung, Nacharbeitung und/oder Reparatur von Werkzeugen für Pressen, eingesetzt wird. In den Pressen werden z.B. Blechteile für den Karosseriebau von Fahrzeugen gepresst.
Der Roboterarm 2 ist in sechs Freiheitsgraden bewegbar, insbesondere in eine lineare X-, Y- und Z-Richtung und um drei Rotationsachsen A, B, C, wobei jeweils eine der Rotationsachsen A, B, C einen Vektor einer der linearen Richtungen X, Y und Z definiert. Insbesondere beschreibt die X-Richtung eine lineare Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Roboterarms 2, die Z-Richtung eine lineare Auf- und Abwärtsbewegung und die Y-Richtung eine lineare Bewegung des Roboterarms 2 zur Seite, insbesondere rechtwinklig und/oder senkrecht zu der X- und Z-Richtung.
Die Anordnung 1 umfasst auch eine Steuerungseinrichtung 5 und eine Auswerteeinrichtung 6, die dem Industrieroboter 4 zugeordnet sind oder in diesem integriert sind.
Die Vorrichtung 1 weist eine Befestigungs- und Steuerungsschnittstelle 7 und der Roboterarm 2 eine dazu passende Gegenschnittstelle 8 auf. Über die Schnittstellen 7, 8 ist die Vorrichtung 1 an dem Roboterarm 2 befestigt. Insbesondere ist die Vorrichtung 1 über die Schnittstellenanbindung mittels des Roboterarms 2 in die X-, Y- und Z-Richtung bewegbar, um die drei Rotationsachsen A, B, C rotierbar und mit der Steuerungseinrichtung 5 und der Auswerteeinrichtung 6 signaltechnisch verbunden. Dadurch ist die Vorrichtung 1 durch die Steuerungseinrichtung 5 ansteuerbar und aktivierbar und mittels des Roboterarms 2 zur Bearbeitung des Werkstücks 3 bewegbar und positionierbar.
Die Vorrichtung 1 ist in der 2 in einer vergrößerten schematischen Darstellung gezeigt. Sie umfasst eine Aufnahmeeinrichtung 9, eine Schweißeinrichtung 10 mit einem Schweißbrenner 15 und eine Halteeinrichtung 11. Die Aufnahmeeinrichtung 9 ist als eine Motorspindel mit einem um eine Motorrotationsachse R rotierbaren Rotor ausgebildet. Die Motorrotationsachse R erstreckt sich gleichgerichtet zu der Rotationsachse Z und orthogonal zu den Rotationsachsen A und Y.
Die Aufnahmeeinrichtung 9 ist zur Aufnahme der Schweißeinrichtung 10 und einer von mehreren Werkzeugeinrichtungen 12 ausgebildet. Zur Bearbeitung wird die Aufnahmeeinrichtung 9 mittels des Roboterarms 2 relativ zu dem Werkstück 3 so positioniert, dass die Motorrotationsachse R senkrecht und/oder lotrecht zu diesem verläuft.
Die Schweißeinrichtung 10 ist zum Auftragsschweißen ausgebildet. Insbesondere ist sie dazu ausgebildet, Schweißgut, z.B. durch MIG-CMT-Schweißen oder durch Lichtbogen-Draht-Auftragsschweißen auf das Werkstück 3 aufzutragen.
Die koppelbaren und untereinander auswechselbaren Werkzeugeinrichtungen 12 umfassen eine Hammereinrichtung zum Hämmern des Werkstücks 3. Die Hammereinrichtung ist hierfür mit Druckluft beaufschlagbar und dadurch axial oszillierbar. Insbesondere kann die Hammereinrichtung ein maschinelles Oberflächenhämmern bzw. ein sogenanntes machine hammer peening durchführen, um eine durch das Auftragsschweißen induzierte Spannung zu reduzieren und dadurch Spannungsrisse in dem Werkstück zu vermeiden.
Die koppelbaren Werkzeugeinrichtungen 12 umfassen auch eine Bohrervorrichtung zum Bohren von Löchern in dem Werkstück 3, eine Fräsvorrichtung zum Fräsen des Werkstücks 3 und eine Scannervorrichtung zum Scannen eines Oberflächenverlaufs des Werkstücks 3. Die Fräseinrichtung und die Bohrereinrichtung werden bei Kopplung mittels des Rotors um die Motorrotationsachse R rotiert und dadurch zur Bearbeitung des Werksstücks 3 angetrieben.
Zur Aufnahme der jeweiligen Werkzeugeinrichtung 12 weist die Aufnahmeeinrichtung 9, insbesondere der Rotor, eine Kopplungsschnittstelle 13 auf. Über die Kopplungsschnittstelle 13 ist die jeweilige Werkzeugeinrichtung 12 lösbar mit der Aufnahmeeinrichtung 9 in axialer Richtung koppelbar. Hierzu weist jede Werkzeugeinrichtung 12 eine passende Kopplungsgegenschnittstelle 14 auf. Die gekoppelte Werkzeugeinrichtung 12 ist beschädigungs- und/oder zerstörungsfrei von der Aufnahmeeinrichtung 9 abnehmbar und je nach Bedarf gegen eine andere Werkzeugeinrichtung 12 auswechselbar.
Die Schweißeinrichtung 10 ist über die Halteeinrichtung 11 so festgelegt, dass sie radial um einen Abstand X beabstandet von der Aufnahmeeinrichtung 9 angeordnet und/oder ausgerichtet ist. Die Schweißeinrichtung 10 ist über eine Scharniereinrichtung 16 neigbar und/oder schwenkbar mit der Halteeinrichtung 11 verbunden, sodass sie relativ zu der Halteeinrichtung 11 und/oder relativ zu einer Parallelen P der Motorrotationsachse R in einem Winkel von mindestens 45 Grad, vorzugsweise in einem Winkel von mindestens 60 Grad, insbesondere in einem Winkel von mindestens 90 Grad und/oder in einem Winkel von maximal 140 Grad neigbar und/oder schwenkbar ist. Dadurch kann der Schweißbrenner 15 positionsgenau über dem zu bearbeitenden Werkstück 3 angeordnet werden.
Die jeweilige mit der Aufnahmeeinrichtung 9 gekoppelte Werkzeugeinrichtung 12 erstreckt sich entlang der Motorrotationsachse R, wogegen die Schweißeinrichtung 10 winklig, insbesondere rechtwinklig, zu der Motorrotationsachse R und zu der gekoppelten Werkzeugeinrichtung 12 angeordnet und/oder ausgerichtet ist.
Die Schweißeinrichtung 10 ist über die Halteeinrichtung 11 an der Aufnahmeeinrichtung 9 festgelegt. Durch den Roboterarm 2 ist die Schweißeinrichtung 10 gemeinsam mit der Aufnahmeeinrichtung 9 um mindestens eine der Rotationsachsen A, B, X rotierbar. Besonders bevorzugt ist, dass die Schweißeinrichtung 10 zur Überführung in die Schweißstellung mittels des Roboterarms 2 um die Rotationsachse A, zum Beispiel um einen Winkel von mindestens 60 Grad, vorzugsweise von mindestens 90 Grad und/oder von maximal 120 Grad rotiert wird.
Bei der Scannereinrichtung handelt es sich z.B. um einen Laser-Linienscanner, der im Betrieb einen Oberflächenverlauf des Werkstücks 3 scannt und diesen signaltechnisch an die Auswerteeinrichtung 6 zum Abgleich mit einem Soll-Oberflächenverlauf und zur Auswertung übermittelt. Wird eine Abweichung zwischen dem gescannten Oberflächenverlauf und dem Soll-Oberflächenverlauf ermittelt, so steuert die Steuerungseinrichtung 5 eine entsprechende Nachbearbeitung des Werkstücks, z.B. durch die Schweißeinrichtung 10 und/oder mit mindestens einer der Werkzeugeinrichtungen 12 an.
Zur Bearbeitung des Werkstücks 3, insbesondere zum Aufbringen des Schweißguts durch die Schweißeinrichtung 10, wird diese durch die linearen Bewegungen des Roboterarms 2, durch die Rotation um mindestens eine der Rotationsachsen A, B, C, bevorzugt lediglich um die Rotationsachse A, und/oder durch die Neigung und/oder Schwenkung relativ zu der Halteeinrichtung 11 und/oder zu der Parallelen P in einer Schweißstellung positioniert. Nach Abschluss des Auftragsschweißens wird die Schweißeinrichtung 10 erneut geneigt und/oder geschwenkt, mittels des Roboterarms 2 zurück rotiert und wieder aus der Schweißstellung herausbewegt.
Anschließend wird die Aufnahmeeinrichtung 9 mittels des Roboterarms 2 so bewegt, dass die gekoppelte Hammereinrichtung im Bereich des aufgebrachten Schweißguts positioniert ist, um die mit dem Schweißgut versehenen Bereiche auf dem Werkstück 3 zu hämmern und dadurch bei dem Auftragsschweißen induzierte Spannungen abzubauen und Spannungsrisse zu vermeiden.
Dadurch dass die Schweißeinrichtung 10 vor der Positionierung der Hammereinrichtung durch die Neigung beziehungsweise Schwenkung und/oder durch die Rotation um die mindestens eine Rotationsachse A, B, C, aus der Schweißstellung herausbewegt wurde, hat der Roboterarm 2 ausreichend Bewegungsfreiheit, die Hammereinrichtung auch in äußerste Randbereiche des Werkstücks zu verfahren, ohne dass die Schweißeinrichtung 10 ein Hindernis oder eine Störkontur bildet. Der gleiche Vorteil ist für die Bearbeitung des Werkstücks 3 durch jede der anderen Werkzeugeinrichtungen 12 zu nennen. So kann das Werkstück 3 bei gekoppelter Bohrereinrichtung ungehindert gebohrt, bei gekoppelter Fräsereinrichtung ungehindert gefräst und bei gekoppelter Scannereinrichtung ungehindert gescannt werden.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Vorrichtung die Möglichkeit bietet, mehrere unterschiedliche Bearbeitungsschritte an dem Werkstück 3 vorzunehmen, indem jeweils eine von mehreren Werkzeugeinrichtungen 12 mit der Aufnahmeeinrichtung 9 koppelbar ist und je nach benötigtem Bearbeitungsschritt gegen eine andere Werkzeugeinrichtung 12 auswechselbar ist. Bevorzugt ist, dass das durch die Schweißeinrichtung 10 ausgeführte Auftragsschweißen bearbeitungstechnisch mit dem anschließenden Hämmern des Werkstücks 3 durch die Hammereinrichtung verbunden ist. Die übrigen Bearbeitungsschritte, wie Bohren oder Fräsen erfolgen vorzugsweise vor dem Auftragsschweißen oder nach dem Hämmern. Die Güteprüfung des Werkstücks 3 durch das Scannen wird bevorzugt vor dem Auftragsschweißen und/oder nach Abschluss aller notwendigen mechanischen Bearbeitungsschritte durchgeführt.
Während vorstehend mindestens ein Ausführungsbeispiel detailliert offenbart wurde, ist es anzuerkennen, dass eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Variationen existieren. Es ist ebenfalls anzuerkennen, dass das mindestens eine Ausführungsbeispiel nur beispielhaften Charakter hat und keine Begrenzung des Schutzumfangs, der Anwendungsgebiete oder der Konfiguration darstellt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung einen angenehmen Fahrplan zur Umsetzung mindestens eines Ausführungsbeispiels sein. Somit sollte es anzuerkennen sein, dass verschiedene Variationen der Funktion oder der Anordnung der Elemente des mindestens einen Ausführungsbeispiels umgesetzt werden können, ohne den Umfang zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtmäßigen Äquivalente vorgegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Roboterarm
3: Werkstück
4: Industrieroboter
5: Steuerungseinrichtung
6: Auswerteinrichtung
7: Befestigungs- und Steuerungsschnittstelle
8: Befestigungs- und Steuerungsgegenschnittstelle
9: Aufnahmeeinrichtung
10: Schweißeinrichtung
11: Halteeinrichtung
12: Werkzeugeinrichtung/Hammereinrichtung
13: Kopplungsschnittstelle
14: Kopplungsgegenschnittstelle
15: Schweißbrenner
16: Scharniereinrichtung
A,B,C: Rotationsachsen
P: Parallele
R: Motorrotationsachse
X: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017006750 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (3), wobei die Vorrichtung (1) eine Schweißeinrichtung (10) zum Auftragen von Schweißgut auf das Werkstück (3) umfasst, wobei die Vorrichtung (1) eine Aufnahmeeinrichtung (9) mit einer Kopplungsschnittstelle (13) zur lösbaren Kopplung jeweils einer von mehreren unterschiedlichen Werkzeugeinrichtungen (12) zur Bearbeitung des Werkstücks (3) umfasst.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Aufnahmeeinrichtung (9) eine Motorspindel mit einem um eine Motorrotationsachse (R) rotierbaren Rotor ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (1) eine Halteeinrichtung (11) zum Festlegen der Schweißeinrichtung (10) an der Aufnahmeeinrichtung (9) umfasst, wobei die Halteeinrichtung (11) drehfest mit der Aufnahmeeinrichtung (9) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schweißeinrichtung (10) radial beabstandet zu der Aufnahmeeinrichtung (9) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die mit der Aufnahmeeinrichtung (9) gekoppelte Werkzeugeinrichtung (12) axial ausgerichtet ist und wobei die Schweißeinrichtung (10) winklig zu der Motorrotationsachse (R) und/oder zu der gekoppelten Werkzeugeinrichtung (12) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Schweißeinrichtung (10) relativ zu der Halteeinrichtung (11) und/oder zu einer Parallelen (P) der Motorrotationsachse (R) neigbar und/oder schwenkbar gelagert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste mit der Aufnahmeeinrichtung (9) koppelbare Werkzeugeinrichtung (12) eine Hammereinrichtung zum Hämmern des Werkstücks (3) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite mit der Aufnahmeeinrichtung (9) koppelbare Werkzeugeinrichtung (12) eine Bohrereinrichtung zum Bohren von Löchern in dem Werkstück (3) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dritte mit der Aufnahmeeinrichtung (9) koppelbare Werkzeugeinrichtung (12) eine Fräseinrichtung zum Fräsen des Werkstücks (3) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine vierte mit der Aufnahmeeinrichtung (9) koppelbare Werkzeugeinrichtung (12) eine Scannereinrichtung zum Scannen eines Oberflächenverlaufs des Werkstücks (3) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei die gekoppelte Fräseinrichtung oder Bohrereinrichtung mittels des Rotors der Aufnahmeeinrichtung (9) um die Motorrotationsachse (R) rotierbar ist.
Anordnung (10) mit einem Roboterarm (2) und mit der Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Anordnung (10) nach Anspruch 12, wobei der Roboterarm (2) in drei linearen Richtungen (X, Y, Z) bewegbar ist und um drei Rotationsachsen (A, B, C) rotierbar ist, wobei die Schweißeinrichtung (10) zur Überführung in eine Schweißstellung, in der sie das Schweißgut auf das Werkstück (3) aufbringt, mittels des Roboterarms (2) um mindestens eine der drei Rotationsachsen (A, B, C) rotierbar ist.
Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks (3) mit der Anordnung (10) nach Anspruch 13, wobei die Schweißeinrichtung (10) in der Schweißstellung positioniert wird und wobei die Schweißeinrichtung (10) nach dem Aufbringen des Schweißguts auf das Werkstück (3) um mindestens eine der drei Rotationsachsen (A, B, C) zurück rotiert und wieder aus der Schweißstellung herausbewegt wird.
Verwendung der Anordnung (10) nach Anspruch 12 zum Schweißen, Hämmern, Bohren, Fräsen und/oder Scannen des Werkstücks (3).