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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißverfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mit verbesserter Produktivität und Qualität sowie ein entsprechendes Schweißsystem mit einem kollaborativem Roboter und einer Positioniervorrichtung.
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Schweißen und Schneiden ist ein Haupteinsatzgebiet für Roboter. Üblicherweise werden die Roboter entweder durch Teachen oder Offline Programmierung die einzelnen Positionspunkte programmiert.
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Beim Teachen wird der Roboter durch positionieren mithilfe der Robotersteuerung (Roboterpanel) auf die einzelnen Punkte gefahren und diese Position dann per Tastendruck als Programmpunkt abgespeichert. Verfahren werden kann der Roboter mit den einzelnen Achstasten in verschieden Koordinatensystemen, mittels einer 6D Maus am Bedienpanel, oder einer montierten Maus direkt am Roboterarm.
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Bei der Offlineprogrammierung werden die CAD Daten des Roboter, der Peripherie und des Werkstück mittels einer 3D Software virtuell am Computer programmiert.
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In letzter Zeit werden vermehrt kollaborative Roboter (Cobot) für verschiedenste Anwendungen eingesetzt und es gibt auch diverse Anwendungen bei denen Sie bereits zum Schweißen benutzt werden. Diese Anwendungen sind jedoch noch nicht optimal.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes robotergestütztes Schweißverfahren sowie ein optimiertes Schweißsystem mit einem kollaborativen Roboter und einer Positioniervorrichtung vorzuschlagen.
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Zur Lösung der Aufgabe werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Schweißsystem zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer Schweißquelle bereitgestellt werden. Das Schweißsystem kann umfassen: einem kollaborativen Roboter zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels Schweißbrenner und eine Positioniervorrichtung zur Aufnahme des Werkstücks; wobei die Positioniervorrichtung beweglich um zumindest eine Achse ausgestaltet ist zur Positionierung des Werkstücks in mehreren Positionen.
- 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einem Cobot und einer Positioniervorrichtung welche einen Manipulator aufweist;
- 4 bis 7 zeigen eine Positioniervorrichtung mit 2 Achsen;
- 8 zeigt eine Achse der Positioniervorrichtung;
- 9 bis 11 zeigen eine Schweißzelle mit Schweißtisch und Abzugshaube sowie einen Schutzumhang;
- 12 und 13 zeigen einen Cobot auf einem Arbeitstisch und einen Positionierer (Positioniersvorrichtung) mit 2 Achsen;
- 14A bis 14D zeigen einen Cobot beim Verdrehen der Positioniervorrichtung insbesondere mit einem an der Spitze angebrachtem Mitnehmer;
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Im Folgenden werden verschiedene Beispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren werden hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Beispiele begrenzt, sondern umfasst weitere Modifikationen von Merkmalen der beschriebenen Beispiele und Kombinationen von Merkmale verschiedener Beispiele im Rahmen des Schutzumfangs der unabhängigen Ansprüche.
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Kollaborative Roboter (oder auch Cobots genannt) haben den Vorteil, dass Sie am Roboterarm oder deren Verlängerung manuell gegriffen werden können und schnell auf die notwendigen Positionen geschoben werden können. Dabei sind keine Programmierkenntnisse notwendigund die Positionierung erfolgt sehr schnell. Weiter Vorteil der Cobots ist, dass die Achskräfte derart feinfühlig (mittels Sensoren) eingestellt werden können, dass es auch möglich ist den Roboter ohne Schutzzaun zu betreiben.
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Seite geraumer Zeit sind einige dieser Cobots auf dem Markt und es gibt auch diverse Anwendungen bei denen Sie bereits zum Schweißen benutzt werden.
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Bisher sind keine Anwendungen bekannt bei denen der Roboter von Hand durch ziehen auf die Position geführt wird und das Werkstück mithilfe einer oder mehrerer Zusatzachsen positioniert werden kann. Gerade beim Schweißen ist die sogenannte Wannenlage für die Produktivität und Qualität ausschlaggebend. Bei den bekannten Cobot-Schweißzellen werden die Werkstücke wenn Sie in mehr als zwei Ebenen bearbeitet werden müssen in der Regel in mehrere Positionen manuell oder mittels Kran gebracht. Der Schweißprozess wird dabei unterbrochen und der Bediener muss manuell eingreifen.
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Als ideale Position gilt die sogenannte Wannenlage. Bei dieser fließt die Schmelze durch die Schwerkraft an den tiefsten Punkt des Bauteils. Alle anderen Positionen werden als Zwangslagen beschrieben, da es sich dabei nicht um eine ideale Position zum Werkstück handelt.
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Der Cobot wiegt bevorzugt weniger als 40 Kilogramm, wodurch er im Gegensatz zu einer klassischen Industrieroboteranlage flexibel dort eingesetzt werden kann, wo er gerade benötigt wird. Während der Roboter schweißt, kann sich der Mitarbeiter zurückziehen und muss so den Schweißrauch nicht einatmen. Der Cobot ist zudem sehr leicht zu programmieren. Mit Handführung und einer Bedienung per Touch-Panel ist das Teachen neuer Aufgaben schon nach kurzer Einarbeitung möglich. Mit einer Free-Drive-Funktion kann der Cobot bzw. der Brenner ganz simpel per Hand an die Stelle bewegt werden, an der er starten und enden soll. Auch Zwischenwegepunkte und Abschnitte werden so programmiert. Der Cobot liefert eine gleichbleibend hohe Qualität der Schweißnähte, die wenig bis gar keine Nacharbeit erfordert.
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Zudem sind Cobots technisch so ausgelegt, dass sie ohne Schutzzaun in direkter Nachbarschaft zu Menschen sicher arbeiten können. Die geforderte Sicherheit im direkten Kontakt mit dem Bediener gewährleistet der Cobot durch eine einzigartige 6-fache Kraft- und Momentenüberwachung, die eine flexible Interaktion zwischen dem Roboter und seiner Umgebung ermöglicht. Ein vorteilhafter Cobot erfüllt bevorzugt die Kollaborationsart gemäß der technischen Spezifikation ISO TS15066.
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Wird die Cobot Schweißzelle mit Zusatzachsen (Positioniervorrichtung) ausgestattet, kann dem Cobot ohne Programmierkenntnisse mittels verschieben von Hand sehr schnell die Positionspunkte gelernt werden und gleichzeitig Werkstücke mittels den Zusatzachsen in optimale Schweißlage positioniert werden und somit produktiv auch mehrseitig bearbeitet werden. Der Cobot führt eine präzise Bewegung des Brenners aus, das Schweißsystem liefert die perfekte Naht.
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Die erfindungsgemäße Schweißzelle weist zudem einen modularen Aufbau auf. Das System lässt sich auch für einen Mehr-Stationen-Betrieb einrichten. Auf diese Weise kann ein Werkstück geschweißt werden, während das nächste bereits vorbereitet wird.
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Eine wesentliche Eigenschaft ist, dass mindestens eine in der Regel zwei Zusatzachsen zum Positionieren von Werkstücken vorgesehen sind. Die Achse(n) kann dabei im Raster des Tisches in beliebigen Lagen und Positionen angebracht werden. Der Tisch mit Befestigungsmitteln kann beispielsweise ein Zuricht- und Schweißtisch sein, der mit über seine ganze Oberfläche verteilten, unmittelbar in der Tischplatte sowie seitlich angeordneten und unmittelbar zur Aufnahme von Spannelementen dienenden, zylindrischen Durchgangsbohrungen versehen ist, die in einem gleichmäßigen Rastermaß angeordnet sind.
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Ein wichtiger Faktor ist zudem, dass beim Einsatz kollaborierender Roboter auf weitere, spezielle Schutzeinrichtungen verzichtet werden kann. Durch die Einfachheit bei Installation und Bedienung sind Cobots in kürzester Zeit und ohne aufwändige Schulungen einsatzbereit.
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Vorzugsweise sind die Achsen in die Robotersteuerung voll integriert und mathematisch gekoppelt. Somit ist ein simultanes Arbeiten des Roboters mit den Achsen möglich. Die Achse hat ein Lochrastersystem, vorzugsweise ohne Gewinde und kann somit flexible in Position und Lage angebracht werden. Linearachsen ermöglichen eine Vergrößerung des Arbeitsraums.
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Es kann ein Lochrastersystemtisch (Schweißtisch) vorgesehen sein mit einen daran befestigten Cobot der auch ohne Schutzzaun im sicheren Betrieb arbeiten kann.
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Die Zelle kann einen Mehrstationenbetrieb ermöglichen, dabei kann der Arbeitsraum mit Schutzwand getrennt sein. Zudem kann eine Abzugshaube vorgesehen sein. Die Absaughaube ist zudem verschieblich (vorzugsweise durch den Roboter). Der Cobot kann zudem eine Schutzwand positionieren und/oder schließen.
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Der Cobot ist an eine Schweißquelle oder Plasmaschneidquelle gekoppelt. Wichtige Funktionen zur Postionskorrektur oder Findung können über Sensoren, Kamera oder Laser erreicht werden. Auch ein Lichtbogensensor kann vorgesehen sein.
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Die Steuerung ermöglicht auf Expertenebene eine umfangreiche Programmierung welche aus dem Bereich der Industrieroboter im Einsatz des Schweißens bekannt sind. Für den Anwender ist eine übersichtliche graphische Bedienoberfläche mit Touchscreen vorgehen. Somit ist der Anwender in der Lage sowohl Programme als auch das Abarbeiten der Arbeitsaufträge ohne umfangreiche Programmierschulung anzuwenden.
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Als zusätzliche Option, kann eine Reinigungsstation vorgesehen sein. Als Schweißquelle kann Plasma oder auch Laser verwendet werden, bspw. zum Schneiden und Markieren.
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Eine vorteilhafte Weiterentwicklung umfasst eine Positioniervorrichtung welche eine oder mehrere antriebslose Achsen aufweist um ein aufgenommenes Werkstück in eine vorbestimmbare Lage, insbesondere Schweißlage, zu bewegen. Die Positioniervorrichtung kann vorteilhaft antriebslos, also ohne eigenen Antriebsmotor, ausgestaltet sein. Zur Bewegung des aufgenommenen Werkstücks in die vorbestimmbare Lage kann vorteilhaft der kollaborative Roboter verwendet werden. Der kollaborative Roboter greift dazu an bestimmten Punkten oder Bereichen der Positioniervorrichtung ein und bewegt dann das aufgenommene Werkstück in die gewünschte Lage. Beispielsweise ist das Werkstück auf einer um eine erste Achse drehbare Lochplatte der Positioniervorrichtung aufgespannt. Um das Werkstück um die erste Achse zu drehen greift der kollaborative Roboter in ein vorbestimmbares Loch (oder auch eine Fläche) der Lochplatte ein und dreht die Lochplatte mit dem darauf aufgespannten Werkstück um einen vorbestimmten Winkel. Somit wird die Lochplatte gemeinsam mit dem aufgespannten Werkstück um die erste Achse gedreht. Durch Bremsen der Positioniervorrichtung (bspw. pneumatische und/oder federgestütze Bremsen für die eine oder mehreren Achsen der Positioniervorrichtung) wird die Bewegung der Lochplatte gebremst, sodass die Lochplatte nach der Drehung durch den kollaborativen Roboter in einer gewünschten Position verbleibt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Bremsen zudem durch den kollaborativen Roboter gelöst und/oder angezogen werden.
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Die Positioniervorrichtung für das Werkstück, welche eine oder mehrere Achsen haben kann wird nicht durch einen Motor mit oder ohne Getriebe angetrieben sondern mit dem Roboter auf eine neue Position gebracht.. Dazu ist notwendig, dass die Kraft um das Werkstück zu bewegen klein ist, weil das Werkstück entweder sehr leicht oder der Schwerpunkt in den Bereich der Rotationsachse des Positionierers gebracht wird. Dies kann auch erfolgen durch Anbringen eines Gegengewichtes. Der Ablauf währe z.B. so, dass der Roboter mit einem an der Spitze angebrachtem Gegenstand vorzugsweise ein Stift (könnte auch der Brenner sein). In eine Bohrung fährt und den Manipulator auf neue Position bewegt. Damit der Positionierer auf der Position stehen bleibt ist ein definierter Schwergang notwendig, in der Praxis jedoch eher eine kleine lösbare Klemmung bzw. Bremse. Diese kann pneumatisch, hydraulisch oder nur federbelastet eventuell übersetzt mit einem Hebel, durch drücken des Roboters vor dem Positoniervorgang gelöst werden. Anschließen geht es weiter mit dem Schweißen.
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Die Positioniervorrichtung kann eine oder mehrere Achsen aufweisen um die das Werkstück frei drehbar ist. Besonders vorteilhaft wird das Werkstück dabei mittels kollaborativen Roboter in die gewünschte Position bewegt. Die antriebslose Positioniervorrichtung verfügt zudem über eine oder mehrere Bremsen um eine gewünscht Positionierung des Werkstücks zu fixieren.
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Um die Bewegung des aufgespannten Werkstücks um die Achsen der Positioniervorrichtung zu erleichtern und damit den Kraftaufwand für den kollaborativen Roboter zu reduzieren, kann die Positioniervorrichtung eine momentenfreie bzw. momentenarme Werkstückaufnahme aufweisen, sodass bevorzugt der Schwerpunkt eines aufgenommenen Werkstücks auf (oder im Nahbereich) der Drehachse der Positioniervorrichtung vorliegt. Die Positioniervorrichtung kann dazu zudem oder alternativ einen Schwerpunkt-Balancer aufweisen. Ein Schwerpunkt-Balancer kann beispielsweise ein Federzug sein. Zudem kann die Positioniervorrichtung Gegengewichte aufweisen welche derart angebracht werden, dass ein eingespanntes Werkstück momentenfrei an der Positioniervorrichtung aufgenommen werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist der kollaborative Roboter derart ausgestaltet, dass das Erlernen einer Arbeitsbewegung zum Schweißen des Werkstücks mit sehr hoher Genauigkeit erfolgt, sodass keine Feinjustierung durch Positionstasten mehr erforderlich ist. Der kollaborative Roboter umfasst daher eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,5mm oder weniger sodass auch hochpräzise Bewegungsabläufe gelernt und wiedergegeben werden können. Dies wird beispielsweise durch Verwendung eines optimierten Harmonic-Drive-Untersetzungsgetriebe oder Gleitkeil- bzw. Spannungswellen-Untersetzungsgetriebes erreicht. Zudem kann vorteilhaft eine Momentengenauigkeit von ± 2 % erreicht werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den folgenden beispielhaften Aspekten zusammengefasst:
- a) Schweißsystem zur Bearbeitung von Werkstücken mit:
- - einer Schweißquelle mit zumindest einem Schweißbrenner,
- - einem kollaborativen Roboter zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels Schweißbrenner;
- - einer Positioniervorrichtung zur Aufnahme des Werkstücks; wobei die Positioniervorrichtung beweglich um zumindest eine Achse
ausgestaltet ist zur Positionierung des Werkstücks in mehreren Positionen.
- b) Schweißsystem nach Aspekt a), wobei der Schweißbrenner am kollaborativen Roboter vorgesehen ist und der kollaborative Roboter einen Lernmodus aufweist um eine Arbeitsbewegung des Schweißbrenners zum Bearbeiten des Werkstücks zu erlernen und einen Arbeitsmodus um die im Lernmodus erlernte Arbeitsbewegung durchzuführen, wobei der Arbeitsmodus sowohl Schweißen als auch Schneiden des Werkstücks ermöglicht. Besonders vorteilhaft weist der kollaborative Roboter eine hohe Positionierungsgenauigkeit auf, sodass eine Positionierung mit einer Genauigkeit von ± 1mm ermöglicht wird.
- c) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der kollaborative Roboter im Lernmodus mittels manueller Verschiebung des Roboters, insbesondere durch direkte Bewegung des kollaborativen Roboters per Hand, programmierbar ist und wobei bevorzugt die Positioniervorrichtung entlang einer Linearachse verfahrbar ist, zur Erweiterung des Arbeitsbereichs.
- d) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der kollaborative Roboter im Arbeitsmodus zum automatisierten Schweißen und/oder Schneiden des Werkstücks konfiguriert ist und wobei bevorzugt die Schweißquelle eine Lichtbogenschweißquelle oder eine Plasmaschneidquelle ist.
- e) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Positioniervorrichtung um zumindest eine Achse bewegbar ist um ein aufgenommenes Werkstück in eine vorbestimmbare Lage, insbesondere Schweißlage, zu bewegen.
- f) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, zum gemeinsamen Ansteuern des kollaborativen Roboters und der Positioniervorrichtung zur Ausführung einer koordinierten Bewegung.
- g) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei im Arbeitsmodus für einen automatischen Schweißvorgang der kollaborative Roboter als auch die Positioniervorrichtung gemeinsam angesteuert werden.
- h) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der kollaborative Roboter konfiguriert ist, den Schweißbrenner entlang einem im Lernmodus vorbestimmbaren Schweißweg am Werkstück entlang zu bewegen und die Positioniervorrichtung das Werkstück in eine gewünschte Schweißposition bewegt oder positioniert, sodass das Werkstück für den Schweißvorgang bevorzugt stets in einer Wannenlage vorliegt.
- i)Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Positioniervorrichtung derart angesteuert wird, dass das Werkstück für den Schweißvorgang in die Wannenlage bewegt wird.
- j)Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, mit einem Lochrastertisch wobei der kollaborative Roboter bevorzugt auf dem Lochrastertisch vorgesehen ist.
- k) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der kollaborative Roboter zumindest einen Roboterarm umfasst an dem der Schweißbrenner befestigt ist und wobei zum Anschluss des Schweißbrenners eine Leitungsführung in Bereich des Roboterarms vorgesehen ist.
- l) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Positioniervorrichtung zum Positionieren des Werkstücks zumindest zwei Bewegungsachsen aufweist und wobei die Bewegungsachsen bevorzugt unabhängig und/oder unterschiedlich voneinander sind.
- m) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Positioniervorrichtung auf dem Lochrastertisch an verschiedenen Positionen positionierbar ist.
- n) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei ein simultanes Arbeiten des kollaborativen Roboters und der Positioniervorrichtung durch eine gemeinsame Steuerung vorgesehen ist und dabei die Positioniervorrichtung mathematisch mit dem kollaborativen Roboter gekoppelt ist.
- o) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Positioniervorrichtung entlang einer Linearachse verfahrbar ist, zur Erweiterung des Arbeitsbereichs..
- p) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Positioniervorrichtung umfasst:
ein Bodenaufstandselement und einen Ausleger, parallelogrammartig geführte Schwenkarme, die über parallelogrammartig angeordnete Gelenkpunkte mit dem Bodenaufstandselement und dem Ausleger verschwenkbar verbunden sind vorgesehen sind;
einen ersten Linearaktuator, der mit dem Bodenaufstandselement und den Schwenkarmen derart verbunden ist, dass eine Hubbewegung des Linearaktuators eine Hubbewegung des Auslegers bewirkt;
eine Werkstückaufspannplatte, die an den Ausleger um eine Schwenkachse drehbar angelenkt ist;
ein am Ausleger befestigtes Kraftmittel, das während einer Drehbewegung der Werkstückaufspannplatte um die Schwenkachse in jedem Schwenkwinkel des Schwenkbereichs ein an der Werkstückaufspannplatte anliegendes. Drehmoment erzeugt und dadurch die Schwenkbewegung der Werkstückaufspannplatte um die Schwenkachse bewirkt.
- q) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Schweißsystem ohne Schutzeinrichtungen des kollaborativen Roboters ausgeführt ist und der kollaborative Roboter in unmittelbarer Interaktion mit einem Nutzer einsetzbar ist.
- r) Schweißsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei eine grafische Bedieneroberfläche mit einem berührungsempfindlichen Display vorgesehen ist, zum Ansteuern und Programmieren des kollaborativen Roboters.
- s) Schweißzelle mit einem kollaborativen Roboter nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei im Innenraum der Schweißzelle eine Schweißeinrichtung für zu schweißende Werkstücke angeordnet ist, und
eine Positionierungsvorrichtung zur Aufnahme und Positionierung eines Werkstücks vorgesehen ist, und
der kollaborative Roboter zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels Schweißbrenner vorgesehen ist;
dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung beweglich um zumindest eine Achse ausgestaltet ist.
- t) Schweißzelle einem der vorhergehenden Aspekte, wobei ein Mehrstationenbetrieb vorgesehen ist und Arbeitsräume des Mehrstationenbetriebs voneinander getrennt sind, bevorzugt durch eine Schutzwand und der kollaborative Roboter bevorzugt eingerichtet ist die Schutzwand zu bewegen.
- u) Schweißzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei eine verschiebliche Abzugshaube vorgesehen ist und der kollaborative Roboter bevorzugt eingerichtet ist die Abzugshaube zu verschieben.
- v) Schweißzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Schweißzelle modular aufgebaut ist.
- w) Verfahren zum Schweißen von Werkstücken mittels eines Schweißsystems nach zumindest einem der vorhergehenden Aspekte, das Verfahren umfassend:
- - Bewegen der Positionsvorrichtung zur Positionierung des Werkstücks;
- - händische Bewegung des kollaborativen Roboters im Lernmodus zum Erlernen einer Arbeitsbewegung zum Schweißen des Werkstücks;
- - Aktivieren des Arbeitsmodus und verschweißen des Werkstücks;
wobei im Lernmodus und/oder im Arbeitsmodus die Positionsvorrichtung das Werkzeug automatisch oder manuell in eine bevorzugte Schweißposition bringt.
