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Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Verbinden von Werkstücken entlang einer vorgesehenen Fügestelle, umfassend ein Schweißgerät mit einem Schweißkopf, eine Aktuatoreinrichtung, einen ersten optischen Sensor und ein elektrotechnisches Messgerät, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Schweißverfahren zum Verbinden von Werkstücken entlang einer vorgesehenen Fügestelle, wobei ein Schweißkopf eines Schweißgeräts der Fügestelle während des Schweißens automatisiert nachgeführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, um ein Schweißverfahren durchzuführen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Schweißverfahren und Schweißvorrichtungen zum stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken bekannt. Beispielhaft sei auf das Lichtbogenschweißen oder das Laserstrahlschweißen verwiesen.
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Bei nahezu allen Schweißverfahren bzw. Schweißvorrichtungen besteht ein Bedarf, den Schweißprozess zur Sicherstellung einer hohen und konstanten Schweißqualität zu automatisieren, um den Schweißprozess von dem schweißtechnischen Wissen und den Fähigkeiten des Bedieners der Schweißvorrichtung zu entkoppeln. Außerdem kann der Schweißprozess durch die Automatisierung in der Regel schneller und auch wirtschaftlicher durchgeführt werden.
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Im Rahmen der Automatisierung des Schweißprozesses kann es unter anderem erforderlich sein, einen Schweißkopf des Schweißgeräts der vorgesehenen Fügestelle, entlang der die Werkstücke verbunden werden sollen, möglichst exakt und zuverlässig nachzuführen. Als „Schweißkopf“ (mitunter auch als „Brenner“ bezeichnet) des Schweißgeräts wird vorliegend die Komponente des Schweißgeräts bezeichnet, die der Fügestelle die für den Schweißvorgang erforderliche Leistung unmittelbar zuführt, also beispielsweise eine Elektrode eines Lichtbogenschweißgeräts oder der Laser eines Laserschweißgeräts.
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Zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen wird beispielsweise in der
DE 197 16 293 A1 vorgeschlagen, eine CCD-Kamera auf das Schmelzbad auszurichten, das durch den Laserstrahl auf dem Werkstück entstanden ist. Auf Grundlage der erfassten Bildinformationen soll schließlich eine Online-Regelung des Laserstrahlschweißprozesses, insbesondere betreffend Tiefe und Lage der Schweißnaht, stattfinden.
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Außerdem befasst sich auch die
DE 10 2016 008 996 B4 mit der Automatisierung eines Schweißprozesses unter Berücksichtigung von erfassten Bildinformationen. In der
DE 10 2016 008 996 B4 wird eine Steuereinheit zur Erfassung von Schweißzuständen beim Lichtbogenschweißen auf Grundlage von maschinellem Lernen vorgeschlagen, um ein Lichtbogenschweiß-Robotersystem zu steuern.
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In Anbetracht des bekannten Stands der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Schweißvorrichtung bereitzustellen, die eine Nachführung eines Schweißkopfes eines Schweißgeräts entlang einer vorgesehenen Fügestelle mit hoher Genauigkeit und Flexibilität ermöglicht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schweißverfahren bereitzustellen, das eine Nachführung eines Schweißkopfes eines Schweißgeräts entlang einer vorgesehenen Fügestelle mit hoher Genauigkeit und Flexibilität ermöglicht.
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Schließlich ist es auch Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines verbesserten Schweißverfahrens bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird für die Schweißvorrichtung mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Schweißverfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Bezüglich des Computerprogrammprodukts wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst.
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Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird eine Schweißvorrichtung zum Verbinden von Werkstücken entlang einer vorgesehenen Fügestelle vorgeschlagen, die ein Schweißgerät mit einem Schweißkopf, eine Aktuatoreinrichtung, einen ersten optischen Sensor und ein elektrotechnisches Messgerät umfasst.
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Die Erfindung kann grundsätzlich zur Verwendung mit beliebigen Schweißvorrichtungen bzw. für beliebige Schweißverfahren vorgesehen sein, die sich zum Verbinden von Werkstücken unter Anwendung von Wärme mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffe eignen. Insbesondere eignet sich die Erfindung allerdings für das Laserstrahlschweißen und ganz besonders bevorzugt für das Lichtbogenschweißen.
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Unter einer „Fügestelle“ wird vorliegend der Bereich verstanden, entlang dem die Werkstücke miteinander verbunden werden. Dieser Bereich wird mitunter auch als „Schweißstoß“ oder „Schweißnaht“ bezeichnet. Die Fügestelle kann beispielsweise durch einen sogenannten Stumpfstoß von planparallel nebeneinander liegenden Werkstücken, durch einen sogenannten Überlappstoß von flach bzw. parallel aufeinander liegenden Werkstücken oder durch einen sogenannter T-Stoß von orthogonal aufeinander angeordneten Werkstücke gebildet sein. Grundsätzlich können beliebige Fügestellen vorgesehen sein, die einen beliebigen Verlauf aufweisen. Der Verlauf der Fügestelle kann geradlinig bzw. linear oder auch kurvig sein.
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Die Erfindung kann zur Verbindung von Werkstücken beliebiger Art vorgesehen sein, solange die Werkstücke zum Schweißen geeignet sind.
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Erfindungsgemäß ist der erste optische Sensor eingerichtet, um Bildinformationen des Schweißprozesses (vor, während und/oder nach dem Schweißprozess, vorzugsweise während dem Schweißprozess) zu erfassen. Bei dem ersten optischen Sensor kann es sich um ein - vorzugsweise digitales - optisches Aufnahmegerät handeln.
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Der erste optische Sensor kann auf die aktuelle Schweißposition entlang der Fügestelle ausgerichtet sein. Der erste optische Sensor kann allerdings auch auf eine Position ausgerichtet sein, die sich entlang der Fügestelle vor der Schweißposition befindet (an der somit noch kein Schweißvorgang stattgefunden hat) oder entlang der Fügestelle nach der Schweißposition befindet (an der somit bereits ein Schweißvorgang stattgefunden hat).
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Der erste optische Sensor kann optische Filter / Blenden und/oder digitale Filter / Blenden aufweisen, um während der Erfassung der Bildinformationen das in der Regel sehr helle Schmelzbad gegebenenfalls auszublenden.
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Erfindungsgemäß ist die Aktuatoreinrichtung eingerichtet, um den Schweißkopf des Schweißgeräts während des Schweißens unter Berücksichtigung der erfassten Bildinformationen der Fügestelle nachzuführen.
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Insbesondere kann eine Positionsregelung unter Berücksichtigung einer Ist-Position des Schweißkopfes relativ zu der Fügestelle und einer Soll-Position des Schweißkopfes vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß ist das Messgerät eingerichtet, um zumindest einen elektrischen Messwert zu erfassen, der die der Fügestelle von dem Schweißkopf zugeführte Leistung charakterisiert. Die Aktuatoreinrichtung ist außerdem eingerichtet, um neben den Bildinformationen auch den elektrischen Messwert für die Nachführung des Schweißkopfes zu berücksichtigen.
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Es kann in vorteilhafter Weise ein Multisensorsystem für die Nachführung des Schweißkopfes bereitgestellt werden.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Nachführung durch die Einbeziehung der Bildinformation einerseits und des Messwerts andererseits deutlich präziser erfolgen kann. Der Schweißkopf kann im Optimalfall selbständig bzw. automatisiert entlang der erkannten Fügestelle ausgerichtet werden, wobei der Verlauf der Fügestelle im Voraus nicht unbedingt bekannt sein muss.
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Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung kann deutlich flexibler einsetzbar sein als die bekannten Schweißvorrichtungen. Außerdem wird die Qualität der Schweißnaht durch die hochpräzise Nachführung des Schweißkopfes bzw. durch die automatische Nahtführung verbessert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Schweißgerät als Lichtbogenschweißgerät ausgebildet. Der Schweißkopf des Lichtbogenschweißgeräts weist eine Elektrode auf und ist eingerichtet, um zwischen der Elektrode und der Fügestelle einen Lichtbogen zu erzeugen, um der Fügestelle die zum Verbinden der Werkstücke erforderliche Leistung zuzuführen.
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Lichtbogenschweißgeräte sind grundsätzlich bekannt. Beim Lichtbogenschweißen brennt ein elektrischer Lichtbogen (auch unter dem Begriff „Schweißlichtbogen“ bekannt) zwischen Werkstück bzw. Fügestelle und Elektrode des Schweißkopfes. Die Elektrode kann je nach Verfahren abschmelzen und damit gleichzeitig als Zusatzwerkstoff dienen oder auch nicht-abschmelzend ausgebildet sein.
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Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft zur Verwendung mit einem Lichtbogenschweißgerät bzw. mit einem Schweißgerät, dessen Schweißkopf der Fügestelle die für das Schweißen erforderliche Leistung durch einen elektrischen Lichtbogen zuführt.
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Beispielsweise kann sich die Erfindung aber auch zur Verwendung mit Laserschweißgeräten eignen, bei denen der Schweißkopf als Laser ausgebildet und eingerichtet ist, um der Fügestelle die zum Verbinden der Werkstücke erforderliche Leistung durch einen Laserstrahl zuzuführen. Auch das Laserstrahlschweißen ist grundsätzlich bereits bekannt, weshalb auf spezifische Details dieses Schweißverfahrens nicht eingegangen wird.
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Die Erfindung kann sich allerdings auch zur Verwendung mit Schweißgeräten anderer Bauart vorteilhaft eignen. Beispielsweise kann sich die Erfindung auch zum Elektronenstrahlschweißen eignen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elektrotechnische Messgerät ein Strommessgerät aufweist, um als elektrischen Messwert einen zwischen dem Schweißkopf und der Fügestelle fließenden elektrischen Schweißstrom zu erfassen.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das elektrotechnische Messgerät ein Spannungsmessgerät aufweist, um als elektrischen Messwert eine elektrische Schweißspannung zwischen dem Schweißkopf und der Fügestelle zu erfassen.
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Wiederum alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das elektrotechnische Messgerät ein Leistungsmessgerät aufweist, um als elektrischen Messwert eine der Fügestelle von dem Schweißkopf zugeführte elektrische Schweißleistung zu erfassen.
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Es hat sich gezeigt, dass der Schweißstrom, die Schweißspannung und die Schweißleistung vom Abstand des Schweißkopfes zu der Fügestelle abhängen können, insbesondere beim Lichtbogenschweißen. Je geringer der Abstand zwischen Schweißkopf und Fügestelle, desto höher ist in der Regel der Schweißstrom - bis hin zu einem Kurzschluss bei direktem Kontakt des Schweißkopfes mit der Fügestelle. Somit kann auf vorteilhafte Weise durch Erfassung des Schweißstroms, der Schweißspannung und/oder der Schweißleistung auf den Ist-Abstand des Schweißkopfes von der Fügestelle zurückgeschlossen werden.
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Zur Berechnung der Ist-Höhe des Schweißkopfes bzw. des Ist-Abstands des Schweißkopfes von der Fügestelle kann vorzugsweise eine Kalibrierung und/oder Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften der Werkstücke und des Schweißkopfes vorgesehen sein.
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Grundsätzlich können mehrere Messwerte unterschiedlicher Art von dem Messgerät erfasst werden. Besonders bevorzugt weist das elektrotechnische Messgerät allerdings ein Strommessgerät auf, um ausschließlich den Schweißstrom zu erfassen.
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Elektrotechnische Messgeräte zur Erfassung eines Schweißstroms, einer Schweißspannung und/oder einer Schweißleistung sind bei den bekannten Schweißgeräten häufig bereits vorhanden und können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft verwendet werden.
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Das elektrotechnische Messgerät erfasst den zumindest einen elektrischen Messwert vorzugsweise während des Schweißprozesses. Das elektrotechnische Messgerät kann eingerichtet sein, um den zumindest einen elektrischen Messwert in diskreten zeitlichen Abständen oder kontinuierlich zu erfassen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste optische Sensor als elektronische Kamera ausgebildet ist, um während des Schweißens digitale Bildinformationen des Schweißprozesses zu erfassen.
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Vorzugsweise wird eine elektronische Kamera zur Erfassung von zweidimensionalen Bildinformationen verwendet. Grundsätzlich kann allerdings auch eine elektronische Kamera (oder mehrere Kameras) zur Erfassung von dreidimensionalen Bildinformationen verwendet werden, was aufgrund des erhöhten Aufwands für die Bereitstellung der Kamera(s) und/oder der Bildverarbeitungsalgorithmik allerdings nicht bevorzugt ist. Es ist unter anderem ein Vorteil der Erfindung, dass bereits eine einfache elektronische Kamera zur Erfassung von zweidimensionalen Bildinformationen aufgrund des Multisensorkonzepts ausreichend sein kann, um Bildinformationen für eine hochpräzise Nachführung des Schweißkopfes entlang der Fügestelle bereitzustellen. Die Anforderungen an die elektronische Kamera bzw. an den ersten optischen Sensor können erfindungsgemäß gering sein.
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Die Bildinformationen des ersten optischen Sensors können ergänzend auch zur Dokumentation des Schweißprozesses verwendbar sein.
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Neben dem ersten optischen Sensor können auch noch weitere optische Sensoren, beispielsweise ein zweiter optischer Sensor (beispielsweise eine weitere elektronische Kamera) vorgesehen sein, um ergänzende Bildinformationen für die Nachführung und/oder für eine Dokumentation des Schweißprozesses zu erfassen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste optische Sensor derart an dem Schweißgerät und/oder derart an der Aktuatoreinrichtung befestigt ist, dass während des Schweißens eine synchrone Bewegung des Schweißkopfes und des ersten optischen Sensors gewährleistet ist.
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Vorzugsweise ist der erste optische Sensor neben dem Schweißgerät bzw. angrenzend an das Schweißgerät, besonders bevorzugt möglichst ortsnah an dem Schweißkopf des Schweißgeräts, an der Aktuatoreinrichtung befestigt.
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Grundsätzlich kann der erste optische Sensor auch statisch bzw. unbeweglich befestigt und auf die Werkstücke bzw. auf die Fügestelle ausgerichtet sein. Eine statische Anordnung des ersten optischen Sensors ist in der Regel allerdings nicht bevorzugt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Schweißvorrichtung eine Steuereinheit aufweisen die eingerichtet ist, um für die Nachführung des Schweißkopfes aus den erfassten Bildinformationen eine Ist-Position des Schweißkopfes relativ zu der Fügestelle entlang einer ersten Raumrichtung und entlang einer zu der ersten Raumrichtung orthogonalen, zweiten Raumrichtung zu erfassen. Weiter kann die Steuereinheit eingerichtet sein, um aus dem (zumindest einen) erfassten Messwert einen Ist-Abstand des Schweißkopfes von der Fügestelle entlang einer zu der ersten Raumrichtung und zu der zweiten Raumrichtung orthogonalen, dritten Raumrichtung zu erfassen.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit Teil der Aktuatoreinrichtung; dies ist allerdings nicht zwingend der Fall.
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Die Erfassung der Ist-Position in den ersten beiden Raumrichtungen kann somit vorteilhaft anhand der Bildinformationen zunächst ausschließlich im zweidimensionalen Raum erfolgen. Hierfür kann eine grundsätzlich bekannte Bildverarbeitungsalgorithmik, beispielsweise eine Kantenerkennung, optional mit vorhergehender Kalibrierung, vorgesehen sein.
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Ergänzend kann der Ist-Abstand auf Grundlage des (zumindest einen) erfassten Messwerts ermittelt werden, um auch die Höhe des Schweißkopfes zu erfassen. Die zweidimensionalen Bildinformationen können damit durch die aus dem zumindest einen Messwert gewonnene Höheninformation in der dritten Dimension ergänzt werden.
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Durch das Zusammenführen der Sensorsignale können schließlich Korrekturwerte für die Nachführung des Schweißkopfes ermittelt werden.
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Die Steuereinheit kann als Mikroprozessor ausgebildet sein. Anstelle eines Mikroprozessors kann auch eine beliebige weitere Einrichtung zur Implementierung der Steuereinheit vorgesehen sein, beispielsweise eine oder mehrere Anordnungen diskreter elektrischer Bauteile auf einer Leiterplatte, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine sonstige programmierbare Schaltung, beispielsweise auch ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine programmierbare logische Anordnung (PLA) und/oder ein handelsüblicher Computer.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schweißvorrichtung einen Beschleunigungssensor aufweist. Der Beschleunigungssensor kann eingerichtet sein, um (zumindest) einen Kippwinkel zwischen dem Schweißkopf und der Fügestelle zu erfassen.
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Der Beschleunigungssensor kann vorzugsweise ausgebildet sein, um alle drei Kippwinkel bzw. alle Kipp-Freiheitsgrade des Schweißkopfes relativ zu der Fügestelle zu erfassen.
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Vorzugsweise kann ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor vorgesehen sein.
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Vorzugsweise kann die Aktuatoreinrichtung eingerichtet sein, um neben den Bildinformationen und dem elektrischen Messwert auch den (zumindest einen) Kippwinkel für die Nachführung des Schweißkopfes zu berücksichtigen.
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Die Präzision bei der Nachführung kann bei Berücksichtigung des zumindest einen Kippwinkels des Schweißkopfes weiter verbessert sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Aktuatoreinrichtung einen Industrieroboter aufweist, wobei das Schweißgerät oder zumindest der Schweißkopf des Schweißgeräts an einem Manipulator bzw. Roboterarm des Industrieroboters befestigt ist.
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Der Industrieroboter kann insbesondere als Schweißroboter ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Schweißverfahren zum Verbinden von Werkstücken entlang einer vorgesehenen Fügestelle, wobei ein Schweißkopf eines Schweißgeräts der Fügestelle während des Schweißens unter Berücksichtigung von mittels eines ersten optischen Sensors erfassten Bildinformationen automatisiert nachgeführt wird. Erfindungsgemäß ist für das Schweißverfahren vorgesehen, dass ein elektrischer Messwert erfasst wird, der die der Fügestelle von dem Schweißkopf zugeführte Leistung charakterisiert, wobei neben den Bildinformationen auch der elektrische Messwert für die Nachführung des Schweißkopfes berücksichtigt wird.
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Erfindungsgemäß kann ein vorteilhaftes Schweißverfahren bereitgestellt werden, das eine automatisierte Nahtführung, beispielsweise beim Lichtbogenschweißen, mit besonders hoher Präzision ermöglicht. Die erhöhte Genauigkeit kann durch das vorgeschlagene Multisensorkonzept ermöglicht werden.
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Durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren kann eine automatisierte Schweißvorrichtung in der Lage sein, selbständig einer Fügestelle, beispielsweise einer Blechfügenaht, zu folgen, ohne dass deren Verlauf im Voraus bekannt ist.
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Die Steuerparameter für die Nachführung des Schweißkopfes können durch den ersten optischen Sensor (und optional weitere optische Sensoren) und das elektrotechnische Messgerät bestimmt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Schweißverfahrens kann vorgesehen sein, dass als elektrischer Messwert ein zwischen dem Schweißkopf und der Fügestelle fließender elektrischer Schweißstrom erfasst wird und/oder eine elektrische Schweißspannung zwischen dem Schweißkopf und der Fügestelle erfasst wird und/oder eine der Fügestelle von dem Schweißkopf zugeführte elektrische Schweißleistung erfasst wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste elektrische Sensor als optisches Aufnahmegerät, insbesondere als elektronische Kamera, ausgebildet (vorzugsweise mit integrierter Bildverarbeitung) und das elektrotechnische Messgerät als Strommessgerät zur Erfassung des Schweißstroms.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Schweißverfahrens kann vorgesehen sein, dass der erste optische Sensor während des Schweißens synchron mit dem Schweißkopf bewegt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Schweißverfahrens kann außerdem vorgesehen sein, dass für die Nachführung des Schweißkopfes aus den erfassten Bildinformationen eine Ist-Position des Schweißkopfes relativ zu der Fügestelle entlang einer ersten Raumrichtung und entlang einer zu der ersten Raumrichtung orthogonalen, zweiten Raumrichtung erfasst wird und dass aus dem erfassten Messwert ein Ist-Abstand des Schweißkopfes von der Fügestelle entlang einer zu der ersten Raumrichtung und zu der zweiten Raumrichtung orthogonalen, dritten Raumrichtung erfasst wird.
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Die Nachführung bzw. Bahnkorrektur des Schweißkopfes kann beispielsweise in x-y-Richtung aufgrund der optischen Signale bzw. der erfassten Bildinformationen erfolgen.
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Die Nachführung bzw. Bahnkorrektur des Schweißkopfes kann beispielsweise in z-Richtung (für eine Höhenkorrektur) aufgrund des zumindest einen elektrischen Messwerts, insbesondere des erfassten Schweißstroms, erfolgen.
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Die verschiedenen Sensorsignale (Bildinformationen und der zumindest eine elektrische Messwert) können zusammengeführt werden, um hieraus Korrekturwerte bzw. Steuersignale für die Nachführung des Schweißkopfes zu ermitteln. Schließlich kann der Schweißkopf anhand der ermittelten Korrekturwerte von der Aktuatoreinrichtung verfahren werden.
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In einer Weiterbildung des Schweißverfahrens kann vorgesehen sein, dass unter Berücksichtigung der Ist-Position und des Ist-Abstands eine Soll-Position und ein Soll-Abstand für den Schweißkopf bestimmt wird, um den Schweißkopf der Fügestelle nachzuführen.
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Durch die Fusion der Bildinformationen und des zumindest einen elektrischen Messwerts kann schließlich eine vorteilhafte Schweißautomatisierung erfolgen, indem die Bildinformationen und der zumindest eine Messwert zu einem gemeinsamen Positions-Korrekturwert zusammengefasst werden.
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Es kann somit eine vorteilhafte Positionsregelung bei dem Schweißverfahren vorgesehen sein.
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Gemäß einer Weiterbildung des Schweißverfahrens kann vorgesehen sein, dass (zumindest) ein Kippwinkel zwischen dem Schweißkopf und der Fügestelle erfasst wird. Vorzugsweise wird der (zumindest eine Kippwinkel) neben den Bildinformationen und dem elektrischen Messwert für die Nachführung des Schweißkopfes berücksichtigt.
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Durch das Einbeziehen zumindest eines Kippwinkels des Schweißkopfes in die Nachführung kann beispielsweise eine Fehlinterpretation der Höhe bzw. des Abstands des Schweißkopfes von der Fügestelle bzw. von den Werkstücken bei einer nicht orthogonalen Ausrichtung des Schweißkopfes vermieden werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, um ein Schweißverfahren gemäß den vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen durchzuführen, wenn das Programm auf einer Steuereinheit einer Schweißvorrichtung (insbesondere einer Schweißvorrichtung gemäß den vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen) ausgeführt wird.
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Merkmale, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung beschrieben wurden, sind selbstverständlich auch für das Schweißverfahren und das Computerprogrammprodukt vorteilhaft umsetzbar - und umgekehrt. Ferner können Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung genannt wurden, auch auf das Schweißverfahren und das Computerprogrammprodukt bezogen verstanden werden - und umgekehrt.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“ keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe wie „ein“ oder „das“, die auf eine Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus - und umgekehrt.
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In einer puristischen Ausführungsform der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die in der Erfindung mit den Begriffen „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“ eingeführten Merkmale abschließend aufgezählt sind. Dementsprechend kann eine oder können mehrere Aufzählungen von Merkmalen im Rahmen der Erfindung als abgeschlossen betrachtet werden, beispielsweise jeweils für jeden Anspruch betrachtet. Die Erfindung kann beispielswiese ausschließlich aus den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bestehen.
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Es sei erwähnt, dass Bezeichnungen wie „erstes“ oder „zweites“ etc. vornehmlich aus Gründen der Unterscheidbarkeit von jeweiligen Vorrichtungs- oder Verfahrensmerkmalen verwendet werden und nicht unbedingt andeuten sollen, dass sich Merkmale gegenseitig bedingen oder miteinander in Beziehung stehen.
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Ferner sei betont, dass die vorliegend beschriebenen Werte und Parameter Abweichungen oder Schwankungen von ±10% oder weniger, vorzugsweise ±5% oder weniger, weiter bevorzugt ±1 % oder weniger, und ganz besonders bevorzugt ±0,1 % oder weniger des jeweils benannten Wertes bzw. Parameters mit einschließen, sofern diese Abweichungen bei der Umsetzung der Erfindung in der Praxis nicht ausgeschlossen sind. Die Angabe von Bereichen durch Anfangs- und Endwerte umfasst auch all diejenigen Werte und Bruchteile, die von dem jeweils benannten Bereich eingeschlossen sind, insbesondere die Anfangs- und Endwerte und einen jeweiligen Mittelwert.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
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Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen schematisch:
- 1 eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung mit einem Schweißgerät, einer Aktuatoreinrichtung, zwei optischen Sensoren und einem elektrotechnischen Messgerät; und
- 2 eine vergrößerte Darstellung des Schweißprozesses zum Verbinden der Werkstücke entlang der Fügestelle.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 1 zum Verbinden von Werkstücken 2, 3 entlang einer vorgesehenen Fügestelle 4. Das Prinzip der Erfindung wird beispielhaft zum Verbinden eines ersten Werkstücks 2 mit einem zweiten Werkstück 3 entlang einer geradlinigen Fügestelle 4 gezeigt. Es können grundsätzlich aber auch kurvige Fügestellen 4 vorgesehen sein. Auch die Verbindung von mehr als zwei Werkstücken 2, 3 kann vorgesehen sein.
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Ein vergrößerter Ausschnitt des Schweißprozesses ist in 2 perspektivisch dargestellt.
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Die Schweißvorrichtung 1 umfasst ein Schweißgerät, das im Ausführungsbeispiel als Lichtbogenschweißgerät 5 ausgebildet ist. Alternativ kann das Schweißgerät aber beispielsweise auch als Laserschweißgerät oder sonstiges Schweißgerät ausgebildet sein. Schweißgeräte im Allgemeinen als auch Lichtbogenschweißgeräte 5 sind hinreichend bekannt, weshalb das Schweißverfahren nachfolgend nur vereinfacht erläutert wird.
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Ein Schweißkopf 6 des Lichtbogenschweißgeräts 5 weist eine Elektrode 7 auf. Zum Schweißen bzw. zum Verbinden der Werkstücke 2, 3 erzeugt das Lichtbogenschweißgerät 5 einen Lichtbogen 8 zwischen der Elektrode 7 und der Fügestelle 4, um der Fügestelle 4 die zum Verbinden der Werkstücke 2, 3 erforderliche Leistung zuzuführen. Zur Ausbildung des Lichtbogens 8 bzw. zur Bereitstellung eines geschlossenen Stromkreises ist eine Sekundärelektrode 9 mit einem der Werkstücke 2, 3 leitfähig verbunden.
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Die Schweißvorrichtung 1 umfasst weiter eine Aktuatoreinrichtung, die beispielhaft als Industrieroboter 10 ausgebildet ist. Der Schweißkopf 6 des Schweißgeräts 5 ist an dem Manipulator 11 bzw. Roboterarm des Industrieroboters 10 befestigt.
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Außerdem weist die Schweißvorrichtung 1 einen ersten optischen Sensor- im Ausführungsbeispiel eine erste elektronische Kamera 12 - auf, um (digitale) Bildinformationen IMAGE des Schweißprozesses zu erfassen. Der erste optische Sensor bzw. die erste Kamera 12 ist vorzugsweise an dem Schweißgerät 5 und/oder an der Aktuatoreinrichtung 10 befestigt, um eine synchrone Bewegung des Schweißkopfes 6 und des ersten optischen Sensors bzw. der ersten Kamera 12 während des Schweißens zu gewährleisten. Im Ausführungsbeispiel ist der erste optische Sensor bzw. die erste Kamera 12 hierzu ebenfalls an dem Manipulator 11 des Industrieroboters 10 befestigt.
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Die Schweißvorrichtung 1 weist außerdem ein elektrotechnisches Messgerät 13 auf (in 1 innerhalb des Lichtbogenschweißgeräts 5 strichliniert dargestellt), das eingerichtet ist, um zumindest einen elektrischen Messwert is zu erfassen, der die der Fügestelle 4 von dem Schweißkopf 6 zugeführte Leistung charakterisiert. Das elektrotechnische Messgerät 13 kann vorzugsweise ein Strommessgerät aufweisen oder als Strommessgerät ausgebildet sein, um als elektrischen Messwert is ein zwischen dem Schweißkopf 6 und der Fügestelle 4 fließenden elektrischen Schweißstrom is zu erfassen (insbesondere den Schweißstrom, der über den Lichtbogen 8 zu der Fügestelle 4 fließt). Das elektrotechnische Messgerät 13 kann alternativ oder zusätzlich auch ein Spannungsmessgerät und/oder ein Leistungsmessgerät aufweisen (oder als ein solches Messgerät ausgebildet sein).
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Die Aktuatoreinrichtung 10 kann eingerichtet sein, um den Schweißkopf 6 des Schweißgeräts 5 bzw. die Elektrode 7 während des Schweißens unter Berücksichtigung der erfassten Bildinformationen IMAGE und des zumindest einen elektrischen Messwerts is der Fügestelle 4 nachzuführen.
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Für die Nachführung des Schweißkopfes 6 kann aus den erfassten Bildinformationen IMAGE eine Ist-Position PIST des Schweißkopfes 6 relativ zu der Fügestelle 4 entlang einer ersten Raumrichtung x und entlang einer zu der ersten Raumrichtung x orthogonalen, zweiten Raumrichtung y und aus dem erfassten Messwert is ein Ist-Abstand dIST des Schweißkopfes 6 zu der Fügestelle 4 entlang einer zu der ersten Raumrichtung x und zu der zweiten Raumrichtung y orthogonalen, dritten Raumrichtung z erfasst werden (vgl. 2).
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Zur Kombination der Messwerte (Bildinformationen IMAGE und elektrischer Messwert is) kann eine Steuereinheit 14 verwendet werden, die beispielsweise Teil der Aktuatoreinrichtung 10 sein kann, wie in 1 angedeutet. In vorteilhafter Weise können somit die von dem ersten optischen Sensor bzw. von der ersten Kamera 12 erfassten zweidimensionalen Bildinformationen IMAGE mit den anhand des elektrischen Messwerts is ermittelten Höheninformationen bzw. dem Ist-Abstand dIST vorteilhaft kombiniert werden. Unter Berücksichtigung der Ist-Position PIST und des Ist-Abstands dIST können schließlich eine Soll-Position und ein Soll-Abstand für den Schweißkopf 6 bestimmt werden, um den Schweißkopf 6 der Fügestelle 4 nachzuführen. Es kann damit eine Positionsregelung für eine Nahtführung der Schweißvorrichtung 1 bereitgestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung 1 kann aufgrund der automatischen Nachführung des Schweißkopfes 6 - unabhängig vom Verlauf der Fügestelle 4 - die Fügestelle 4 selbständig erkennen, vorzugsweise selbst dann wenn die Positionierung der Werkstücke 2, 3 im Raum, beispielsweise auf einem Werktisch 15, zunächst unbekannt ist.
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Ergänzend kann die Schweißvorrichtung 1 einen Beschleunigungssensor 16 aufweisen, um zumindest einen Kippwinkel Φ zwischen dem Schweißkopf 6 und der Fügestelle 4 zu erfassen. Der zumindest eine Kippwinkel Φ kann schließlich neben den Bildinformationen IMAGE und dem elektrischen Messwert is bei der Nachführung des Schweißkopfes 6 berücksichtigt werden.
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Optional können auch noch weitere optische Sensoren, beispielsweise der dargestellte zweite optische Sensor, der beispielhaft als zweite Kamera 17 gezeigt ist, verwendet werden, um die Bildinformationen IMAGE zu erfassen und/oder um eine Dokumentation des Schweißprozesses zu erstellen. Die optischen Sensoren bzw. die Kameras 12, 17 können beispielsweise auch statisch befestigt sein, wie in 1 hinsichtlich der zweiten Kamera 17 angedeutet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19716293 A1 [0007]
- DE 102016008996 B4 [0008]
