DE102019104654A1

DE102019104654A1 - Verfahren zur Überprüfung einer Schweißung

Info

Publication number: DE102019104654A1
Application number: DE102019104654.8A
Authority: DE
Inventors: Günther Battenberg
Original assignee: Battenberg Robotic & Co KG GmbH
Current assignee: Battenberg Robotic & Co KG GmbH
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung und/oder Korrektur einer Schweißung eines Prüflings, umfassend die Verfahrensschritte Ausrichten eines von einem Roboter geführten Ultraschallprüfkopfs auf Soll-Position der Schweißung, Ermittlung der Ist-Position der Schweißung, Ausrichten des Ultraschallprüfkopfes auf die Ist-Position, und Messen der Schweißung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung und/oder Korrektur einer Schweißung, wie Schweißpunkt, eines Prüflings, wie Kraftfahrzeug bzw. eines oder mehrerer Teile eines solchen.
Der DE 101 25 782 A1 ist ein Verfahren zur automatisierten Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen zu entnehmen. Dabei ist vorgesehen, dass nach Anfahren einer bekannten Soll-Position des jeweils zu prüfenden Widerstandsschweißpunktes im Wechselspiel mit einer rechnergesteuerten Prüfsignalauswertung in der Robotersteuerung programmierte Bewegungsmodule derart aktiviert werden, dass schrittweise eine Matrix räumlicher Positionen des Ultraschallprüfkopfes abgearbeitet wird, die mit großer Wahrscheinlichkeit eine optimale Position einschließt. Zwischen jeweils zwei Prüfkopfpositionen erfolgt eine Bewertung des Ultraschallsignals, bis ein nach bekannten Kriterien eindeutiges Prüfergebnis vorliegt.
Gegenstand der DE 10 2004 044 342 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zum automatisierten Ultraschallprüfen räumlich geformter strahlgeschweißter Bauteile. Zum Überprüfen wird ein fünfachsiger Gelenkarmroboter mit einem Prüfkopfträger verwendet, in dem ein Ultraschallprüfkopf mit Ultraschallsender und -empfänger integriert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass schnell und präzise eine Schweißung überprüft werden kann und die Ergebnisse gegebenenfalls für weitere Schweißungen bzw. Schweißverbindung Verwendung finden.
Zu Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor ein Verfahren zur Überprüfung und/oder Korrektur einer Schweißung, wie Schweißpunkt, eines Prüflings, wie Kraftfahrzeug bzw. eines oder mehrerer Teile eines solchen, umfassend die Verfahrensschritte:

- Ausrichten eines von einem Roboter geführten Ultraschallprüfsensors auf Soll-Position der Schweißung,
- Ermittlung der Ist-Position, insbesondere optische Ermittlung, der Schweißung und Ausrichten des Ultraschallprüfsensors auf die Ist-Position, und
- Messen der Schweißung.

Erfindungsgemäß wird insbesondere ein Mehrachsroboter benutzt, an dessen Flansch ein Ultraschallprüfkopf angeordnet ist. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein Phased-Array-Ultraschallprüfkopf, der zum Beispiel eine Matrix von 10 × 10 bis 15 × 15 Sender/Empfänger-Elementen aufweisen kann. Die Arbeitsfrequenz kann 20 MHz betragen. Ferner ist in ortsfester Beziehung zu dem Ultraschallprüfkopf ein Sensor, insbesondere optischer Sensor, angeordnet, mittels dessen die Schweißung bzw. der Schweißpunkt erfasst wird. Zur Überprüfung wird zunächst aufgrund der Soll-Daten der Schweißung, insbesondere unter Zugrundelegung von CAD-Dateien, der Ultraschallprüfkopf auf die entsprechenden Positionen ausgerichtet, um sodann mittels des Sensors die tatsächliche Schweißposition zu ermitteln und anschließend den Prüfkopf auf die Schweißung auszurichten, um diesen zu überprüfen. Dabei wird der Prüfkopf adaptiv kraftgeregelt auf die Schweißung aufgesetzt. Hierzu wird die Kraft-Momenten-Sensorik des Roboters verwendet, um beim Messen der Schweißung den Ultraschallprüfkopf auf die Schweißung mit einer Kraft P von z.B. P ≤ 30 N, insbesondere 5 N ≤ P ≤ 15 N, bevorzugt P in etwa 10 N, einwirken zu lassen.
Die Prüfung selbst erfolgt dadurch, dass zwischen Sender und Empfänger des Ultraschallprüfsensors ein Koppelmedium vorliegt, vorzugsweise Wasser, das sich in einem eingekapselten Bereich des Prüfkopfs befindet. Dieser Bereich bzw. Kammer ist prüflingsseitig mit z.B. einer Membran wie Folie verschlossen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Einmessen der Bewegung des Roboters in das Koordinatensystem des Prüflings unter Berücksichtigung der CAD-Daten des Prüflings erfolgt.
Das Einmessen kann mittels einer oder mehrerer 2D-Bilder einer Kamera oder 3D-Punktewolken eines 3D-Scanners erfolgen. Dabei wird ein Best-Fit zwischen dem 2D-bzw. 3D-Bild und dem CAD-Modell durchgeführt, um die 6D-Lage des Prüflings zu erfassen.
Die Ausrichtung des Prüflings auf die Soll-Position der Schweißung kann auf der Basis von CAD-Daten erfolgen.
Die Ist-Position wird insbesondere mittels einer Kamera erfasst, die von dem Flansch des Roboters ausgeht, an dem der Ultraschallprüfsensor befestigt ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ultraschallprüfsensor in Normalenrichtung der Schweißung auf diese aufgesetzt wird.
Die Normalenrichtung ergibt sich näherungsweise aus den CAD-Daten der Soll-Position der Schweißung. Toleranzen zwischen dem echten Bauteil und dem CAD-Modell werden mittels Kommunikation mit dem Ultraschallprüfergerät korrigiert. Hierzu ist vorgesehen, dass auf der Basis der Laufzeitmessungen von einigen Sender/Empfängern des Arrays der zu messende Bereich lagemäßig erfasst und sodann die entsprechenden Informationen an die Robotersteuerung übergeben werden, um den Prüfkopf in Normalenrichtung des Schweißpunktes auszurichten. Mit anderen Worten bewertet der Prüfkopf selbst die Raumlage des Schweißpunktes, um sodann entsprechend den Prüfkopf in Normalenrichtung auszurichten. Somit erfolgt eine Kommunikation zwischen Messroboter und Ultraschallprüfgerät.
Zwischen den einzelnen Schweißungen sollte der Ultraschallprüfsensor mit höherer Geschwindigkeit als beim Anfahren an eine Schweißung bewegt werden.
Hervorzuheben ist insbesondere, dass die erfassten Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Positionen einer oder mehrerer Schweißungen bei den folgenden weiteren Schweißungen an demselben oder demgleichen Prüfling berücksichtigt werden, so dass eine Selbstregelung dahingehend erfolgt, dass Messungen an Schweißungen mit hoher Präzision ortsgenau durchgeführt werden können.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1 einen Ausschnitt eines Roboterarms mit Ultraschallprüfkopf und
2 einen Ausschnitt eines Prüflings.

Mit Ultraschall können Schweißungen an einem Prüfling wie Kraftfahrzeug oder Teilen eines solchen überprüft werden.
Bei den Schweißungen handelt es sich zum Beispiel um Punktschweißungen, die insbesondere durch Widerstandsschweißen erzeugt sind, bei dem es sich um eine verbreitete Technik zur festen Verbindung von zwei oder mehr Metallteilen, meist Blechen oder Platten aus Stahl oder Aluminium handelt. Hervorzuheben ist insbesondere die Produktion von Automobilkarosserien, wobei das Widerstandsschweißen ein wichtiges Fügeverfahren ist. Hierauf ist jedoch die erfindungsgemäße Überprüfung von Schweißungen bzw. Schweißpunkten nicht beschränkt. Andere Bereiche der Blechbearbeitung bzw. des Fügens von Blechen, zum Beispiel bei Haushaltsgeräten, kommen gleichfalls in Frage. Die Verbindung der Metallteile erfolgt dabei über mehrere kleinere kreisförmige Verschweißungen, also Schweißpunkte. Um die Güte der Verbindungen sicherzustellen, müssen entsprechende Schweißpunkte überprüft werden. Da jedoch nicht sichergestellt ist, dass die Schweißungen stets an den vorgegebenen Positionen, den Soll-Positionen, durchgeführt werden, kann eine Überprüfung an den Soll-Positionen keine sicheren Aussagen über die Güte der Schweißungen vermitteln. Vielmehr muss an der tatsächlichen Schweißposition eine Überprüfung erfolgen. Dies kann berührungslos mit einem Ultraschallprüfsensor durchgeführt werden, wobei das Ultraschall-Puls-Echo-Verfahren, also das Reflexionsschallverfahren zur Anwendung gelangen kann. Dabei ist es erforderlich, dass zwischen dem Sender-Empfänger ein Kopplungsmedium vorhanden ist, das üblicherweise Wasser ist.
Um die Güte der Schweißung zu ermitteln, ist es somit erforderlich, die Ist-Position der Schweißung zu erfassen, um sodann eine Prüfung vorzunehmen.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Überprüfung der Schweißung unter Einsatz eines Roboters. Dabei kann am Flansch 10 eines Arms 12 eines Mehrachsroboters ein Prüfkopf 14 befestigt sein, der einen Ultraschallmesskopf 16 mit Wasservorlaufstrecke aufweist, der im Ausführungsbeispiel über einen Adapter 18 mit einem Kraftsensor 20 verbunden ist, der seinerseits über nicht näher bezeichneten Befestigungselementen mit dem Flansch 10 verbunden ist. In ortsfester Beziehung zu dem Ultraschallmesskopf 16 ist ein optischer Sensor in Form einer Kamera 22 vorhanden, die z.B. von einer Halterung ausgeht, die zwischen dem Adapter 18 und dem Kraftsensor 20 angeordnet ist.
Der Prüfkopf selbst ist vorzugsweise als Phased-Array-Ultraschallprüfkopf ausgebildet und weist eine Matrix von Sender/Empfängern auf, zum Beispiel eine Matrix von 10 × 10 bis 15 × 15 Sender/Empfängern ist hervorzuheben. Die Ankopplung des Prüfkopfs an das Prüfobjekt erfolgt durch eine Wasservorlaufstrecke, vorzugsweise in bewerter Bubblertechnik.
Mittels des optischen Sensors 22, insbesondere in Form der Kamera, kann die Ist-Position einer Schweißung ermittelt werden, um sodann den Ultraschallmesskopf 16 auf die Ist-Position auszurichten und auf die Schweißung aufzusetzen. Dabei wird eine die Wasservorlaufstrecke im Ultraschallmesskopf 16 prüflingsseitig verschließende Membran 24 auf den Prüfling mit einer Kraft aufgesetzt, die im Bereich von vorzugsweise 10 N liegt. Es erfolgt ein adaptives, kraftgeregeltes Aufsetzen unter Zuhilfenahme der Kraft-Momenten-Sensorik des Roboters. Des Weiteren erfolgt eine Ausrichtung des Prüfkopfs 16 auf die Schweißung derart, dass eine Krafteinwirkung des Prüfkopfs auf die Schweißung in deren Normalenrichtung erfolgt.
Die Normalenrichtung wird dabei insbesondere durch Kommunikation zwischen dem Ultraschallprüfkopf 16 und der Robotersteuerung durchgeführt. Mittels Laufzeitmessungen von zumindest einigen den Sensoren des Phased-Array-Ultraschallprüfkopfs wird Lage des Bereichs ermittelt, der zu messen ist. Nach erfolgter Lagebestimmung kann somit die Normale ermittelt und entsprechend über die Robotersteuerung der Prüfkopf ausgerichtet werden, damit dessen Längsachse entlang der Normalenrichtung des Schweißpunktes verläuft. Insbesondere wird die Längsachse des Prüfkopfes 14 auf die vom Mittenbereich des Schweißpunktes ausgehende Normale ausgerichtet.
Der Ultraschallprüfkopf 16 ist mit dem Adapter 18 verschraubt (Verschraubung 17). Ferner kann messkopfseitig eine Silikonschicht 19 als Kollisionsschutz vorgesehen sein. Dieser bewirkt insbesondere, dass ein nicht zu hartes Anfahren an ein Hindernis erfolgt, so dass ein Abbremsen bzw. Ausweichen erfolgen kann, ohne dass der Ultraschallprüfkopf 16 beschädigt wird.
Im Falle einer möglichen Kollision des Ultraschallprüfkopf 16 mit dem Prüfling, wie Blechwände, beim Anfahren eines Schweißpunktes kann eine minimale Ausweichbewegung eingeführt werden, so dass der Prüfkopf 16 weiterhin möglichst zentrisch auf dem Schweißpunkt aufsitzt.
Anhand der 2 soll das Messverfahren prinzipiell verdeutlicht werden. Der 2 ist ein Ausschnitt 26 eines Prüflings zu entnehmen, der z.B. punktuell mit einem nicht dargestellten Gegenstand verschweißt ist. Die entsprechenden Schweißpunkte liegen als CAD-Daten vor und sind in der 2 durch ausgezogene Kreise 28, 30, 32 symbolisiert.
In der Praxis stimmt die Position der tatsächlichen Schweißpunkte 34, 36, 38 nicht immer mit den Soll-Schweißpunkten 28, 30, 32 überein, wie durch die gestrichelten Kreise 34, 36, 38 verdeutlicht sein soll. Um jedoch die Güte der Schweißpunkte 34, 36, 38 positionsgenau berührungslos zu messen, ist es erforderlich, dass der Ultraschallsensor 16 auf die Ist-Schweißpunkte ausgerichtet ist, um sodann auf diese mit der notwendigen Kraft aufgesetzt zu werden, um eine ordnungsgemäße Messung durchzuführen. Dabei erfolgt aufgrund von Laufzeitmessungen eine Bestimmung der Lage des Schweißpunktes 34, 36, 38, um den Ultraschallprüfkopf mit dessen Längsachse auf die Normalenrichtung des Schweißpunktes 34, 36, 38 auszurichten.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nach Einmessen des Roboters auf das Koordinatensystem des Prüflings der Ultraschallsensor 16 zunächst auf die Soll-Schweißpunkte 28 bzw. 30 bzw. 32 ausgerichtet wird, die sich z.B. aus CAD-Daten ergeben. Nach Ausrichten auf den Soll-Schweißpunkt wird mittels der Kamera 22 der tatsächliche Schweißpunkt optisch erfasst und dessen Koordinaten bestimmt. Hierzu kann ein Bildverarbeitungsalgorithmus den 2D-Mittelpunkt des tatsächlichen Schweißpunktes ermitteln und an den Messroboter übergeben. Sofern eine Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert besteht, wird entsprechend der Roboterarm 12 verstellt, damit der Ultraschallsensor 16 auf den tatsächlichen Schweißpunkt 34 bzw. 36 bzw. 38 ausgerichtet ist und diesen messen kann.
Die entsprechenden Abweichungen können auch dazu benutzt werden, um bei weiteren Schweißungen an demselben oder einem entsprechenden Prüfling Korrekturen vorzunehmen, um eine bessere Anpassung von Soll- und Ist-Schweißpunkten zu erzielen. Es erfolgt insoweit eine Korrektur der Position, an der geschweißt werden soll.
Alternativ oder ergänzend können Messergebnisse, ermittelte Differenzen zwischen Ist- und Soll-Positionen der Schweißungen bzw. der Schweißpunkte in einer Kundendatenbank und/oder in einem CAD-Modell abgelegt werden, das die Soll-Positionen der Schweißungen enthält.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10125782 A1 [0002]
DE 102004044342 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Überprüfung und/oder Korrektur einer Schweißung (34, 36, 38), wie Schweißpunkt, eines Prüflings (26), wie Kraftfahrzeug bzw. eines oder mehrerer Teile eines solchen, umfassend die Verfahrensschritte: - Ausrichten eines von einem Roboter geführten Ultraschallprüfsensors (16) auf Soll-Position (28, 30, 32) der Schweißung, - Ermittlung der Ist-Position (34, 36, 38) der Schweißung und Ausrichten des Ultraschallprüfsensors (16) auf die Ist-Position, und - Messen der Schweißung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Ist-Position optisch, z.B. mittels einer Kamera (22), durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einmessen der Bewegung des Roboters in das Koordinatensystem des Prüflings (26) unter Berücksichtigung von CAD-Daten des Prüflings (26) erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Erfassung der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position (28, 30, 32, 34, 36, 38) einer oder mehrerer Schweißungen des Prüflings (26) und Berücksichtigung der Abweichung für weitere Schweißungen an demselben oder an dem gleichen Prüfling.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallprüfsensor (16) kraftgeregelt auf die Schweißung (34, 36, 38) aufgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Position (34, 36, 38) mittels eines optischen Sensors, wie Kamera, erfasst wird, der ortsfest zu dem Ultraschallprüfsensor (16) angeordnet ist, der insbesondere mit einem Flansch (10) eines Roboterarms (12) verbunden ist, von dem der optische Sensor ausgeht.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallprüfsensor (16) in Normalenrichtung der Schweißung auf diese aufgesetzt wird.
Verfahren nach zumindest Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Anfahren bzw. Aufsetzen des Ultraschallprüfsensors (16) zur bzw. auf die Schweißung (34, 36, 38) unter Berücksichtigung möglicher Kollisionen mit dem Prüfling erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Messen der Schweißung der Ultraschallprüfsensor (16) auf die Schweißung mit einer Kraft P mit P ≤ 30 N, insbesondere 5 N ≤ P ≤ 15 N, bevorzugt P in etwa N, einwirkt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ermittlung einer Differenz zwischen Ist-/Soll-Position der Schweißung entsprechende Daten in einer Datenbank, wie Kundendatenbank, und/oder im CAD-Modell abgelegt werden, das Soll-Positionen der Schweißungen enthält.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallprüfsensor (16) zwischen zu prüfenden Schweißungen mit einer höheren Geschwindigkeit als beim Anfahren an eine Schweißung bewegt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ultraschallprüfkopf ein Phased-Array-Ultraschallprüfkopf mit einer Matrix von zum Beispiel 10 × 10 bis 15 × 15 von Sensoren benutzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Laufzeitmessung von einigen der Sender/Empfänger-Sensoren räumliche Lage der Schweißung und deren Normalenrichtung ermittelt und diese an die Robotersteuerung zur Ausrichtung des Prüfkopfs auf die Normalenrichtung der Schweißung übergeben wird.