DE102020205666B4

DE102020205666B4 - Vorrichtung zur Erfassung einer Lage eines handgeführten Schweißbrenners

Info

Publication number: DE102020205666B4
Application number: DE102020205666.8A
Authority: DE
Inventors: Helmut Ennsbrunner
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2040-05-06
Also published as: DE102020205666A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Erfassung einer Lage eines handgeführten Schweißbrenners, der über ein Schlauchpaket (3) mit einem Schweißsystem verbunden ist, wobei ein Messgestänge (4) vorgesehen ist, das einerseits mit dem Schweißbrenner (2) und andererseits mit einem Basisbauelement (5) mechanisch verbunden ist, wobei das Messgestänge (4) Stangen (4A) aufweist, die durch Gelenke (4B) miteinander verbunden sind, wobei an den Gelenken (4B) jeweils Winkelmesseinheiten vorgesehen sind, die Winkelmesswerte an eine Auswerteeinheit (6) liefern, die auf Basis einer räumlichen Lage des Basisbauelementes (5) und der erhaltenen Winkelmesswerte sowie der Geometrie des Messgestänges eine momentane räumliche Lage des Schweißbrenners (2) berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lage eines handgeführten Schweißbrenners für unterschiedliche Schweißverfahren, insbesondere MIG/MAG-Schweißprozesse.
Während eines Schweißprozesses kann neben den Schweißparametern, beispielsweise Schweißstrom, Schweißspannung und Drahtvorschubgeschwindigkeit, auch die Position eines handgeführten Schweißbrenners überwacht und dokumentiert werden. Bei Durchführung eines Schweißprozesses ist die Orientierung des Schweißbrenners relativ zum Werkstück und relativ zur Gravitation mitverantwortlich für die Qualität des Schweißergebnisses, insbesondere für die Qualität der erzeugten Schweißnaht. Daher werden Nutzer bzw. Schweißer während ihrer Ausbildung auch dahingehend trainiert, eine möglichst exakte Orientierung und eine gleichmäßige Bewegung des Schweißbrenners vorzunehmen.
Die EP 3 315 238 A1 beschreibt ein Verfahren zur Nachverfolgung der Position eines handgeführten Schweißbrenners, welcher über ein Schlauchpaket mit einem Schweißsystem verbunden ist. Mithilfe einer optischen Faser wird unter Anwendung einer Fiber-Bragg-Grating-Methode die Verformung einer optischen Glasfaser berechnet. Darauf basierend wird die Position des Schweißbrenners relativ zu einer Referenzposition bestimmt. Hierdurch lässt sich die Position des Schweißbrenners relativ zu der Referenzposition erfassen, allerdings nicht die Orientierung des Schweißbrenners, insbesondere relativ zum Gravitationsfeld der Erde, da die Orientierung des Gravitationsfeldes an der Referenzposition nicht bekannt ist. Allerdings hängt die Qualität des Schweißergebnisses bei einem handgeführten Schweißprozess auch von der Orientierung des Schweißbrenners relativ zum Gravitationsfeld ab, beispielsweise ob der Schweißbrenner fallend oder steigend geführt wird. Mit dieser Methode kann weiters nicht die absolute Position des Schweißbrenners im Raum bestimmt werden, da die absolute Position der Referenzposition nicht bekannt ist. Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist der hohe Aufwand und der hohe Preis.
Weiters ist die genaue Positionierung der Faser relativ zum Brenner nicht definiert, wodurch zwar die Position der Schnittstelle bestimmt werden kann, nicht aber die Position der Brennerspitze / des Schweißdrahtes.
Bei virtuellen Schweißsystemen, etwa bei Schweißtrainings, kann die Position des Schweißbrenners bestimmt werden. Nachteilig bei diesen Systemen ist, dass die Anwendung auf Trainingsumgebungen eingeschränkt ist, wo keine Schweißströme fließen, da diese verwendeten Messmethoden unter elektromagnetischen Feldern, wie sie beim realen Schweißen vorkommen, nicht funktionieren.
Aus der DE 10 2011 053 798 A1 ein Verfahren zur Bestimmung einer Lageänderung eines handgeführten Werkzeuges im Raum sowie ein Werkzeug und Werkzeugsteuerung zum Ausführen eines solchen Verfahrens offenbart.
Aus der US 5 596 683 A ist eine Lehrsteuervorrichtung zum manuellen Betrieb eines Industrierobotersystems bekannt. Insbesondere ist ein Industrierobotersystem betroffen, das einen werkstückhandhabenden Roboter zum Manipulieren bzw. Handhaben einer Position und einer Stellung eines Werkstücks, das in einem Effektor gehalten wird, und einen werkzeughandhabenden Roboter zum Manipulieren bzw. zum Handhaben „einer Position und einer Stellung“ des das Werkstück bearbeitenden Werkzeugs vorsieht.
In der US 2009/0 259 412 A1 ist ein System zur Steuerung der Position und Ausrichtung eines Objekts offenbart.
Aus der AT 507 021 A1 ist eine Schweißvorrichtung für die Simulation eines Schweißprozesses bekannt, mit einem Computer mit einer Eingabevorrichtung und einer Ausgabevorrichtung, einem Schweißbrenner, einer magnetischen Positionsüberwachungsvorrichtung mit zumindest einem Geber und mehreren Sensoren, einer Haltevorrichtung für ein zur Simulation dienendes Werkstück und einer Visualisierungsvorrichtung.
In der EP 3 140 070 B1 ist ein ergonomischer Schweißarm offenbart. Dieser umfasst eine Vielzahl von Armgliedern, die durch eine Vielzahl von Gelenken verbunden sind. Jedes der Vielzahl von Gelenken ist so konfiguriert, dass die Vielzahl von Armgliedern um eine Achse in Bezug auf ein direkt benachbartes Armglied gedreht werden kann. Ein erstes Ende des Schweißarms ist so konfiguriert, dass es in eine Halterung zum Stützen des Schweißarms eingreift. Ein zweites Ende des Schweißarms ist so konfiguriert, dass es mit einem Schweißbrenner in Eingriff kommt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Lage eines Schweißbrenners günstig und zuverlässig, insbesondere unter realen Schweißbedingungen, erfasst.
Die Lage umfasst dabei sowohl die absolute Position des Schweißbrenners als auch dessen Orientierung relativ zu einem Gravitationsfeld.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lage eines handgeführten Schweißbrenners, der über ein Schlauchpaket mit einem Schweißsystem verbunden ist, wobei ein Messgestänge vorgesehen ist, das einerseits mit dem Schweißbrenner und andererseits mit einem Basisbauelement mechanisch verbunden ist, wobei das Messgestänge Stangen aufweist, die durch Gelenke miteinander verbunden sind, wobei an den Gelenken jeweils Winkelmesseinheiten vorgesehen sind, die Winkelmesswerte an eine Auswerteeinheit liefern, die auf Basis einer räumlichen Lage des Basisbauelementes und der erhaltenen Winkelmesswerte sowie der Geometrie des Messgestänges eine momentane räumliche Lage des Schweißbrenners berechnet.
Die berechnete räumliche Lage des Schweißbrenners umfasst dabei sowohl die Position als auch die Orientierung des Schweißbrenners relativ zur Gravitation.
Die Auswerteeinheit muss bei ihrer Berechnung der räumlichen Lage des Schweißbrenners die Kenntnis bzw. die Informationsdaten über die Geometrie des Messgestänges und des Schweißbrenners und über die relative Lage von Schweißbrenner und Schnittstelle zwischen Schweißbrenner und Messgestänge berücksichtigen.
Die momentane räumliche Lage des Schweißbrenners kann dabei vorzugsweise kontinuierlich durch die Auswerteeinheit berechnet werden. Die Auswerteeinheit umfasst beispielsweise einen Prozessor zur Durchführung der Berechnung der Lage des Schweißbrenners basierend auf den erhaltenen Winkelmesswerten.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung berechnet die Auswerteeinheit die momentane räumliche Lage des TCP (Tool Center Point) des Schweißbrenners.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die räumliche Lage des TCP des Schweißbrenners eine momentane räumliche Orientierung und/oder eine momentane räumliche Position der Drahtspitze.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung berechnet die Auswerteeinheit auf Basis der erhaltenen Winkelmesswerte, der Geometrie des Messgestänges und der Lage des Basisbauelementes einen Geschwindigkeitsvektor und/oder einen Beschleunigungsvektor für die Drahtspitze des Schweißbrenners.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung übertragen die an den Gelenken des Messgestänges vorgesehenen Winkelmesseinheiten die Winkelmesswerte in Datensätzen über einen Datenbus an die Auswerteeinheit der Vorrichtung.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in einer Initialisierungsphase Informationen über den geometrischen Aufbau des Messgestänges, insbesondere über die Anzahl und Längen der Stangen des Messgestänges, sowie Informationen über die an den Gelenken des Messgestänges vorgesehenen Winkelmesseinheiten an die Auswerteeinheit der Vorrichtung übertragen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Stangen des Messgestänges in der Initialisierungsphase in einer definierte Lage angeordnet, wobei die dabei von den Winkelmesseinheiten erhaltenen Winkelmesswerte zur Kalibrierung der Winkelmesseinheiten des Messgestänges benutzt werden.
Beispielsweise werden die Stangen des Messgestänges durch Betätigen der Gelenke in eine gestreckte Lage gebracht, wobei die dabei in der gestreckten Lage von den Winkelmesseinheiten erhaltenen Winkelmesswerte zur Kalibrierung der Winkelmesseinheiten des Messgestänges benutzt werden können.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liefern die an den Gelenken des Messgestänges vorgesehenen Winkelmesseinheiten absolute Winkelmesswerte an die Auswerteeinheit der Vorrichtung, wodurch die Kalibrierung der Winkelmesseinheiten in der Initialisierungsphase nicht notwendig ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liefern die an den Gelenken des Messgestänges vorgesehenen Winkelmesseinheiten relative Winkelmesswerte (relativ zur Initialisierungs-Position) an die Auswerteeinheit der Vorrichtung.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Stangen des Messgestänges hohl ausgebildet und umschließen Datenleitungen eines Datenbusses, welche zur Übertragung von Winkelmesswerten von den Winkelmesseinheiten zu der Auswerteeinheit vorgesehen sind.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umschließen die hohl ausgebildeten Stangen des Messgestänges auch Stromleitungen zur Stromversorgung der Winkelmesseinheiten durch einen Energiespeicher des Basisbauelementes und/oder durch eine Stromquelle des Schweißsystems.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Messgestänge einen eindeutigen Identifizierer auf, der zusammen mit den Winkelmesswerten in den Datensätzen über die Datenleitungen des Datenbusses an die Auswerteeinheit der Vorrichtung übertragen wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Messgestänge entlang des Schlauchpaketes angebracht.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung können am Messgestänge, vorzugsweise an den Gelenken des Messgestänges zudem Federelemente zur Gewichtskompensation des Schlauchpaketes vorgesehen sein.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit in dem Schweißbrenner integriert.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit in dem Schlauchpaket integriert.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit in dem Basisbauelement integriert.
Bei einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit in dem Schweißsystem integriert, welches über das Schlauchpaket mit dem Schweißbrenner verbunden ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Messgestänge eine Datenschnittstelle und/oder eine Stromversorgungsschnittstelle mit dem Schweißbrenner auf, der über die in den Stangen des Messgestänges verlaufende Stromleitungen und Datenleitungen mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Diese Schnittstelle definiert auch die Lage des Schweißbrenners relativ zum Gestänge.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Basisbauelement einen oder mehrere Sensoren auf, welche die Lage des Basisbauelementes erfassen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist ein Sensor des Basisbauelementes einen Beschleunigungssensor auf, welcher die Richtung eines Gravitationsfeldes zur Ermittlung der Orientierung des Basisbauelementes relativ zur Gravitation erfasst. Da das Basisbauelement während der Schweißung nicht bewegt wird, wird hier nur die Beschleunigung des Gravitationsfelds gemessen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist ein Sensor des Basisbauelementes eine RFID-Einheit auf, welche die aktuelle Position des Basisbauelementes im Raum erfasst.
Die Positionsbestimmung des Basisbauelementes kann mit Hilfe zweier Komponenten erfolgen, nämlich einerseits mindestens einer RFID-Einheit bzw. einem Lesegerät, das mit Strom versorgt wird, und andererseits einem passiven RFID-Chip, der keine Stromversorgung benötigt, und eine ID hat.
Bei einer ersten möglichen Implementierungsvariante ist das Lesegerät in dem Basisbauelement integriert oder ist daran angebracht während diverse passive RFID-Chips im Arbeitsraum, bevorzugt am oder im Boden, verteilt angeordnet sind. Bei dieser Variante liest das Lesegerät des Basisbauelementes die ID eines im Arbeitsraum befindlichen passiven RFID-Chips aus und bestimmt anhand der ausgelesenen ID die Position des Basisbauelementes.
Bei einer alternativen Implementierungsvariante ist ein RFID-Chip in dem Basisbauelement integriert oder daran angebracht während diverse RFID-Einheiten bzw. Lesegeräte im Arbeitsraum, bevorzugt im oder am Boden, vorgesehen sind. Die Lesegräte erkennen anhand der aus dem RFID-Chip ausgelesenen ID, wo sich das Basisbauelement befindet.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Basisbauelement eine Fußplatte auf, mit welcher das Messgestänge an einem Boden oder an einer Wand angebracht ist. Die mechanische Befestigung kann dabei in unterschiedlicher Weise erfolgen. Eine mechanische Befestigung mittels Schrauben ist möglich - aber auch magnetische, temporäre Befestigung mittels Magnete, Saugeinrichtung etc.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vergleicht die Auswerteeinheit einen berechneten Geschwindigkeitsvektor und/oder einen berechneten Beschleunigungsvektor des TCP des Schweißbrenners mit einem Soll-Geschwindigkeitsvektor und einem Soll-Beschleunigungsvektor zur Ermittlung einer Abweichung.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt die Auswerteeinheit über eine Nutzerschnittstelle des Schweißsystems oder des Schweißbrenners dem Nutzer bzw. Schweißer ein Feedback zu einem handgeführten Schweißprozess in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung des Geschwindigkeitsvektors und/oder der ermittelten Abweichung des Beschleunigungsvektors.
Zwischen dem starren Schweißbrennerkörper des Schweißbrenners und dem Messgestänge besteht vorzugsweise eine mechanische Verbindung, welche auch eine Schnittstelle für die elektrische Versorgung und/oder eine Datenschnittstelle zur Datenübertragung ausweist. Die mechanische Verbindung ist dabei derart ausgeführt, dass diese exakt definiert ist und insbesondere die Ermittlung der TCP-Position ermöglicht.
Bei einer möglichen Ausführungsform besteht eine Auslesemöglichkeit der Geometrie zwischen der Anschlussstelle und dem TCP des starren Brennerkörpers des Schweißbrenners. Die Auswerteeinheit berechnet dann die Lage der Anschlussstelle. Der Schweißbrenner gibt somit einen Ortsvektor von Anschlussstelle zu TCP an. Aus der Lage der Schnittstelle kann die Lage des TCP berechnet bzw. ermittelt werden.
Falls das Basisbauelement während des Schweißvorganges abnormale Beschleunigungsamplituden erkennt (z.B. wenn jemand gegen Basisbauelement stößt), wird bei einer möglichen Ausführungsform eine Fehlermeldung ausgegeben, welche angibt, dass die Lagebestimmung des Schweißbrenners ungültig ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform erfolgt an den Schweißer eine Meldung wenn das Messgestänge vollgestreckt ist. Diese Meldung informiert den Schweißer darüber dass er den Rand des maximalen Bewegungsraumes des Messgestänges erreicht hat.
Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur im Detail beschrieben.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur Erfassung einer Lage eines handgeführten Schweißbrenners 2. Bei dem Schweißbrenner 2 kann es sich beispielsweise um einen gasgekühlten oder wassergekühlten Schweißbrenner handeln. Der Schweißbrenner 2 kann für verschiedene Schweißverfahren vorgesehen sein. Beispielsweise wird beim Schmelzschweißverfahren ein Grundwerkstoff der zu verbindenden Bauteile an den Fügestellen aufgeschmolzen. Dabei kann auch ein Zusatzwerkstoff verwendet werden, der ebenfalls aufgeschmolzen wird und in der Fuge zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen als Schweißnaht erstarrt. Beim Autogenschweißen dient als Wärmequelle eine Flamme. Die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes, beispielsweise in Form von Stäben, kann unabhängig davon erfolgen. Bei anderen Schweißverfahren wird der Zusatzwerkstoff über den Schweißbrenner 2 zugeführt. Beim Schmelzschweißverfahren werden die zu verbindenden Bauteile an den Fügestellen aufgeschmolzen, um nach der Erstarrung eine Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen. Zu den Schmelzschweißverfahren gehören die Lichtbogenschweißverfahren, insbesondere Schutzgasschweißverfahren. Nach Art des verwendeten Schutzgases unterscheidet man zwischen MAG (Metall-Aktiv-Gas)-Schweißverfahren und MIG (Metall-Inert-Gas)-Schweißverfahren. Während beim MAG-Schweißen z.B. ein Gasgemisch aus Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff zum Einsatz kommt, wird beim MIG-Schweißprozess über eine Düse ein Schutzgas zugeführt. Dieses Schutzgas verhindert das Eindringen von Sauerstoff in ein Schweißbad und schützt somit vor ungewollter Oxidation. Die unterschiedlichen Schweißverfahren können die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit unterschiedlichen Arten und Varianten für unterschiedliche Schweißprozesse des Schweißbrenners 2 verwenden. Ferner können auch Lötprozesse durchgeführt werden, bei denen nur der Zusatzwerkstoff, nicht aber das zu verlötende Werkstück, aufgeschmolzen werden.
Der Schweißbrenner 2 ist über ein Schlauchpaket 3 mit einem Schweißsystem verbunden, wie in der Figur dargestellt. In dem Schlauchpaket 3 können sich verschiedene Leitungen befinden, insbesondere eine Schweißstromleitung, eine Schutzgasleitung sowie Steuer- und Datenleitungen. Das Schlauchpaket 3 verbindet den Schweißbrenner 2 mit einem Schweißsystem. Dieses Schweißsystem weist beispielsweise eine Schweißstromquelle auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 verfügt über ein Messgestänge 4, wie es in der Figur dargestellt ist. Das Messgestänge 4 ist einerseits mit dem Schweißbrenner 2 und andererseits mit einem Basisbauelement 5 mechanisch verbunden. Das Messgestänge 4 weist Stangen 4A auf, die durch Gelenke 4B miteinander verbunden sind. Die Anzahl und Länge der Stangen 4A und die Anzahl der Gelenke 4B kann je nach Anwendungsfall variieren. An den Gelenken 4B des Messgestänges 4 sind jeweils Winkelmesseinheiten vorgesehen, die Winkelmesswerte an eine Auswerteeinheit 6 der Vorrichtung 1 liefern. Diese Auswerteeinheit 6 verfügt über eine Berechnungseinheit zur Vornahme von Berechnungen. Auf Basis einer räumlichen Lage des Basisbauelementes 5 sowie der erhaltenen Winkelmesswerte, die durch die Winkelmesseinheiten erzeugt werden, und Kenntnis der Geometrie des Messgestänges 4 kann ein Prozessor der Auswerteeinheit 6 eine momentane räumliche Lage des Schweißbrenners 2 berechnen. Die berechnete räumliche Lage umfasst dabei sowohl die absolute Position als auch die Orientierung des Schweißbrenners 2 relativ zu einem Gravitationsfeld.
Die an den Gelenken 4B vorgesehenen Winkelmesseinheiten können beispielsweise Encoder oder optische Elemente umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Auswerteeinheit 6 in dem Gehäuse der Stromquelle des Schweißsystems integriert sein. Bei einer alternativen Ausführungsform kann sich die Auswerteeinheit 6 auch an anderer Stelle der Vorrichtung 1 befinden, beispielsweise in dem Schweißbrenner 2. Weiterhin kann die Auswerteeinheit 6 in dem Schlauchpaket 3 oder in dem Basisbauelement 5 vorgesehen werden.
Die Auswerteeinheit 6 berechnet bei einer möglichen Ausführungsform die momentane räumliche Lage des TCP (Tool Center Point) eines Schweißbrenners 2. Die räumliche Lage des TCP des Schweißbrenners kann eine momentane räumliche Orientierung und/oder eine momentane räumliche Position der Drahtspitze umfassen. Bei einer möglichen Ausführungsform besteht eine Auslesemöglichkeit der Geometrie zwischen der Anschlussstelle und dem TCP des starren Brennerkörpers des Schweißbrenners 2. Die Auswerteeinheit 6 berechnet die Lage der Anschlussstelle. Der Schweißbrenner 2 gibt somit einen Ortsvektor von Anschlussstelle zu TCP an. Aus der Lage der Schnittstelle kann die Lage des TCP berechnet bzw. ermittelt werden
Der Prozessor bzw. die Berechnungseinheit der Auswerteeinheit 6 berechnet auf Basis der erhaltenen Winkelmesswerte, der Lage des Basisbauelementes 5 und der Geometrie des Messgestänges bei einer möglichen Ausführungsform einen Geschwindigkeitsvektor und/oder einen Beschleunigungsvektor für die Drahtspitze des Schweißbrenners 2. Die Berechnung erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform in Echtzeit. Die an den Gelenken 4B des Messgestänges 4 vorgesehenen Winkelmesseinheiten übertragen die Winkelmesswerte in Datensätzen über einen Datenbus an die Auswerteeinheit 6. Bei einer möglichen Ausführungsform liefern die an den Gelenken 4B des Messgestänges 4 vorgesehenen Winkelmesseinheiten absolute Winkelmesswerte. Bei einer alternativen Ausführungsform können die an den Gelenken 4B des Messgestänges 4 vorgesehenen Winkelmesseinheiten auch relative Winkelmesswerte an die Auswerteeinheit 6 liefern, d.h. Winkeldifferenzen zu einem Referenzwinkel. Hierzu werden die Stangen 4A des Messgestänges 4 in einer Initialisierungsphase zunächst in eine definierte Lage gebracht, wobei die dabei von den Winkelmesseinheiten erhaltenen Winkelmesswerte zur Kalibrierung der Winkelmesseinheiten des Messgestänges 4 herangezogen werden. Beispielsweise werden die Stangen 4A des Messgestänges 4 durch Betätigen der Gelenke 4B in eine gestreckte Lage verbracht, um eine Kalibrierung der Winkelmesseinheiten des Messgestänges 4 vorzunehmen. In der Initialisierungsphase können Informationen über den geometrischen Aufbau des Messgestänges 4 sowie Informationen über die an den Gelenken 4B des Messgestänges 4 vorgesehenen Winkelmesseinheiten zunächst an die Auswerteeinheit 6 übertragen werden. Die Informationen über den geometrischen Aufbau des Messgestänges 4 umfassen dabei insbesondere die Anzahl und Längen der Stangen 4A des Messgestänges 4. Sobald die Stangen 4A des Messgestänges nach Erhalt dieser Informationen in der Initialisierungsphase in eine definierte Lage gebracht worden sind, können die nunmehr von den Winkelmesseinheiten erhaltenen Winkelmesswerte zur Kalibrierung der Winkelmesseinheiten des Messgestänges 4 benutzt werden.
Die Stangen 4A des Messgestänges 4 sind vorzugsweise hohl ausgebildet. Diese hohlen Stangen umschließen bei einer möglichen Ausführungsform Datenleitungen eines Datenbusses, welche zur Übertragung von Winkelmesswerten von den Winkelmesseinheiten zu der Auswerteeinheit 6 vorgesehen sind. Darüber hinaus können die hohlen Stangen 4A des Messgestänges 4 auch Stromleitungen zur Stromversorgung der Winkelmesseinheiten durch einen Energiespeicher des Basisbauelementes 5 und/oder durch eine Stromquelle des Schweißsystems umschließen.
Bei einer möglichen Ausführungsform weist das Messgestänge 4 einen eindeutigen Identifizierer auf, der zusammen mit den Winkelmesswerten in den Datensätzen über die Datenleitungen des innerhalb der Stangen 4A verlaufenden Datenbusses an die Auswerteeinheit 6 übertragen wird. Hierdurch können beispielsweise Bewegungsdaten mit Stromquellendaten gepaart werden, selbst wenn das Messgestänge 4 nicht mit einer Stromquelle des Schweißsystems verbunden ist. Sobald eine Datenverbindung besteht, kann die Stromquelle des Schweißsystems die Messdaten des Messgestänges 4 auslesen und diese verwerten.
Das Messgestänge 4 kann über den Bus seine eigenen Geometrie-Informationen bereitstellen, die durch die Auswerteeinheit 6 ausgewertet werden können.
Wie in 1 dargestellt, ist das Messgestänge 4 in einer Ausführungsvariante entlang des Schlauchpaketes 3 angebracht. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante sind an den Gelenken 4B des Messgestänges 4 Federelemente zum Halten des Schlauchpaketes 3 vorgesehen. Diese Federelemente dienen zur Gewichtskompensation des Schlauchpaketes 3 während des Betriebes der Vorrichtung 1.
Das Messgestänge 4 kann eine Datenschnittstelle und/oder eine Stromversorgungsschnittstelle mit dem Schweißbrenner 2 aufweisen. Der Schweißbrenner 2 ist über die in den Stangen 4A des Messgestänges 4 verlaufende Stromleitungen und Datenleitungen mit der Stromquelle des Schweißsystems und insbesondere mit der Auswerteeinheit 6 verbunden. Die Schnittstelle definiert die relative Lage zwischen dem Schweißbrenner 2 und dem Messgestänge 4, die durch die Auswerteeinheit 6 berücksichtigt wird. Der Schweißbrenner 2 „kennt“ die relative Lage zwischen Schnittstelle und seinem TCP. Demzufolge ist es nicht erforderlich den TCP zu vermessen.
Das Basisbauelement 5 wird bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform durch eine Fußplatte gebildet, mit welcher das Messgestänge 4 an einem Boden oder an einer Wand angebracht ist. Das Basisbauelement 5 verfügt über einen oder mehrere Sensoren, welche die Lage, d.h. die Position und die Orientierung, des Basisbauelementes 5 erfassen. Bei einer möglichen Ausführungsform verfügt das Basisbauelement 5 über einen Beschleunigungssensor, welcher die Richtung eines Gravitationsfeldes zur Ermittlung der Orientierung des Basisbauelementes 5 erfasst. Darüber hinaus kann das Basisbauelement 5 bzw. die Fußplatte über eine RFID-Einheit verfügen, welche die absolute Position des Basisbauelementes 5 im Raum erfasst. Die räumliche Orientierung des TCP kann erst ermittelt bzw. berechnet werden, wenn die räumliche Orientierung des Basisbauelementes 5 bekannt ist.
Bei einer möglichen Ausführungsform enthält die Auswerteeinheit 6 einen Komparator, der einen berechneten Geschwindigkeitsvektor und/oder einen berechneten Beschleunigungsvektor des TCP des Schweißbrenners 2 mit einem Soll-Geschwindigkeitsvektor und einem Soll-Beschleunigungsvektor zur Ermittlung einer bestehenden Abweichung bzw. Differenz vergleicht. Bei einer möglichen Ausführungsform verfügt die Schweißstromquelle des Schweißsystems über eine Nutzerschnittstelle. Weiterhin kann auch ein Gerät über eine drahtlose Schnittstelle mit der Stromquelle des Schweißsystems kommunizieren. Die Auswerteeinheit 6 gibt bei einer möglichen Ausführungsform über die Nutzerschnittstelle des Schweißsystems oder über eine Nutzerschnittstelle des Schweißbrenners 2 dem Nutzer beispielsweise kontinuierlich ein Feedback zu einem von ihm durchgeführten handgeführten Schweißprozess in Abhängigkeit von der ermittelten momentanen Abweichung der Lage und/oder des Geschwindigkeitsvektors und/oder der ermittelten momentanen Abweichung des Beschleunigungsvektors von definierten Soll-Werten. Auf diese Weise erhält der Nutzer während des Schweißvorganges eine Rückkopplung bzw. ein Feedback, um seine Handhabung des Schweißbrenners 2 zu optimieren. Dieses Feedback kann insbesondere auch zu Trainingszwecken von ungeübten Schweißern bzw. Nutzern eingesetzt werden. Der Nutzer erhält beispielsweise ein optisches oder akustisches Signal, um seine Handhabung des Schweißbrenners an die Soll-Werte anzupassen.
Das Messgestänge 4 kann optional an den Schweißbrenner 2 montiert werden. Die Montage erfolgt dabei vorzugsweise einfach und schnell. Die mechanische Verbindung ist fest und wohldefiniert. Dies kann beispielsweise durch einen EinrastMechanismus erreicht werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform ist das Messgestänge 4 erweiterbar. Dies bedeutet, dass weitere Stangen 4A bzw. Starrkörper, Gelenke 4B sowie Winkelmesseinheiten angebracht bzw. angesteckt werden können. Die Winkelmesseinheiten können bei einer möglichen Ausführungsform über eine Pufferbatterie verfügen. Insbesondere bei Winkelmesseinheiten, die relative Winkelmesswerte liefern, insbesondere Relativencodern, sorgt die Pufferbatterie dafür, dass nach Ausschalten der Vorrichtung 1 oder nach Abstecken des Messgestänges 4 kein neuerlicher Initialisierungsvorgang stattfinden muss, da die stromversorgten Winkelmesseinheiten weiterhin die Winkelmesswerte messen. Die Bewegung des Messgestänges 4 während des abgesteckten Zustands wird somit permanent mitgemessen (Versorgung über Akku / Batterie sichergestellt).
Dies hat außerdem den Vorteil, dass bei Wechsel des Schweißbrenners am neuen Schweißbrenner keine Kalibrierung notwendig ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können die Winkelmesseinheiten auch zurückgesetzt (reset) werden, insbesondere in einer gestreckten Lage des Messgestänges 4. Die internen Energiespeicher der Winkelmesseinheiten versorgen die Winkelmesseinheiten auch nach Ausschalten der Vorrichtung 1 oder nach Abstecken des Messgestänges 4 weiter mit Energie.
Mittels der Daten bzw. Informationen, die von den an den Gelenken 4B vorgesehenen Winkelmesseinheiten entlang des Messgestänges 4 erzeugt werden, kann die Position und Orientierung des Schweißbrenners 2 relativ zu dem Basisbauelement 5 ermittelt werden. Da die absolute Position des Basisbauelementes 5 sensorisch erfasst wird, kann somit auch die absolute Position des Schweißbrenners 2 im Raum ermittelt werden, ohne dass beispielsweise ein GPS-System erforderlich ist. Durch die Kenntnis der Richtung des Gravitationsfeldes an dem Basisbauelement 5 kann zudem die Orientierung des Schweißbrenners 2 relativ zum Gravitationsfeld berechnet werden. Daraus können für den Schweißer Informationen abgeleitet werden, ob momentan beispielsweise fallend oder steigend geschweißt wird. Da sich der Gravitationssensor bzw. Beschleunigungssensor an dem fest positionierten Basisbauelement 5 befindet, wird die Messung nicht durch Beschleunigung und andere Kräfte, welche beispielsweise auf den Schweißbrenner 2 bei der Handhabung wirken, verfälscht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erfasst somit die Lage des handgeführten Schweißbrenners 2 kontinuierlich mit einer sehr hohen Genauigkeit. Die verschiedenen Winkelmesswerte, welche an den Gelenken 4B des Messgestänges 4 vorgesehen sind, liefern die Winkelmesswerte bei einer bevorzugten Ausführungsform in Datensätzen, welche die momentanen Winkelmesswerte und ggf. auch den Identifizierer des Messgestänges 4 beinhalten. Beispielsweise können an jedem Gelenk 4B des Messgestänges 4 mehrere Winkeleinheiten vorgesehen werden, welche verschiedene Winkelmesswerte α1, α2, α3 im Raum liefern. Weitere Encoder an einem anderen Gelenk liefern gleichzeitig bzw. synchron Winkelmesswerte β1, β2, β3 für die jeweilige Stellung im dreidimensionalen Raum. Die Häufigkeit, mit welcher die Auswerteeinheit 6 Datensätze von dem Messgestänge 4 erhält, kann je nach Anwendungsfall der Vorrichtung 1 variieren. Beispielsweise erhält die Auswerteeinheit 6 die Winkelmesswerte der verschiedenen Winkelmesseinheiten periodisch, beispielsweise einen Datensatz alle ein bis 500 Millisekunden. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Übertragungsrate bzw. Abtastrate der Winkelmesswerte einstellbar bzw. konfigurierbar.
Bei einer möglichen Ausführungsvariante kann die Steuerung der Stromquelle des Schweißsystems von einem normalen Betriebsmodus in einen Konfigurationsbetriebsmodus umgeschaltet werden. Der Konfigurationsbetriebsmodus kann in einer Initialisierungsphase zur Kalibrierung der Winkelmesseinheiten des Messgestänges 4 durchgeführt werden. Im Konfigurationsbetriebsmodus können weitere Parameter eingestellt werden, insbesondere auch die Übertragungsrate, mit welcher Datensätze, welche die Winkelmesswerte beinhalten, an die Auswerteeinheit 6 übermittelt werden. Bei einer möglichen Ausführungsvariante hat der Nutzer bzw. Schweißer die Möglichkeit, die Übertragungsrate der Winkelmesswerte für seine Zwecke oder den betreffenden Anwendungsfall einzustellen. Bei einer möglichen Ausführungsvariante ist das Basisbauelement 5, insbesondere die Fußplatte, auch entlang einer Schiene bewegbar und an verschiedenen Stellen einrastbar. Hierdurch kann die Vorrichtung 1 räumlich in größerem Ausmaß bewegt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Erfassung einer Lage eines handgeführten Schweißbrenners, der über ein Schlauchpaket (3) mit einem Schweißsystem verbunden ist, wobei ein Messgestänge (4) vorgesehen ist, das einerseits mit dem Schweißbrenner (2) und andererseits mit einem Basisbauelement (5) mechanisch verbunden ist, wobei das Messgestänge (4) Stangen (4A) aufweist, die durch Gelenke (4B) miteinander verbunden sind, wobei an den Gelenken (4B) jeweils Winkelmesseinheiten vorgesehen sind, die Winkelmesswerte an eine Auswerteeinheit (6) liefern, die auf Basis einer räumlichen Lage des Basisbauelementes (5) und der erhaltenen Winkelmesswerte sowie der Geometrie des Messgestänges eine momentane räumliche Lage des Schweißbrenners (2) berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (6) die momentane räumliche Lage des TCP des Schweißbrenners (2) berechnet, wobei die räumliche Lage des TCP des Schweißbrenners (2) eine momentane räumliche Orientierung und/oder eine momentane räumliche Position umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinheit (6) auf Basis der erhaltenen Winkelmesswerte und der Lage des Basisbauelementes (5) einen Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsvektor für die Drahtspitze des Schweißbrenners (2) berechnet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die an den Gelenken (4B) des Messgestänges (4) vorgesehenen Winkelmesseinheiten die Winkelmesswerte in Datensätzen über einen Datenbus an die Auswerteeinheit (6) übertragen, wobei die an den Gelenken (4B) des Messgestänges (4) vorgesehenen Winkelmesseinheiten absolute Winkelmesswerte oder relative Winkelmesswerte an die Auswerteeinheit (6) liefern.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei in einer Initialisierungsphase Informationen über den geometrischen Aufbau des Messgestänges (4), insbesondere über die Anzahl und Längen der Stangen (4A) des Messgestänges (4), sowie Informationen über die an den Gelenken (4B) des Messgestänges (4) vorgesehenen Winkelmesseinheiten an die Auswerteeinheit (6) übertragen werden, wobei die Stangen (4A) des Messgestänges (4) in der Initialisierungsphase in eine definierte Lage angeordnet werden, wobei die dabei von den Winkelmesseinheiten erhaltenen Winkelmesswerte zur Kalibrierung der Winkelmesseinheiten des Messgestänges (4) benutzt werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Stangen (4A) des Messgestänges (4) hohl ausgebildet sind und Datenleitungen eines Datenbusses umschließen, welche zur Übertragung von Winkelmesswerten von den Winkelmesseinheiten zu der Auswerteeinheit (6) vorgesehen sind, und/oder wobei die Stangen (4A) des Messgestänges (4) hohl ausgebildet sind und Stromleitungen zur Stromversorgung der Winkelmesseinheiten durch einen Energiespeicher des Basisbauelementes (5) und/oder durch eine Stromquelle des Schweißsystems umschließt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei das Messgestänge (4) einen eindeutigen Identifizierer aufweist, der zusammen mit den Winkelmesswerten in den Datensätzen über die Datenleitungen des Datenbusses an die Auswerteeinheit (6) übertragen wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auswerteeinheit (6) in dem Schweißbrenner (2), in dem Schlauchpaket (3), in dem Basisbauelement (5) oder in dem Schweißsystem integriert ist und das Messgestänge (4) vorzugsweise entlang des Schlauchpakets angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das Messgestänge (4) eine Datenschnittstelle und/oder eine Stromversorgungsschnittstelle mit dem Schweißbrenner (2) aufweist, der über die in den Stangen (4A) des Messgestänges (4) verlaufende Stromleitungen und Datenleitungen mit der Auswerteeinheit (6) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das Basisbauelement (5) einen oder mehrere Sensoren aufweist, welche die Lage des Basisbauelementes (5) erfassen, wobei ein Sensor des Basisbauelementes (5) vorzugsweise einen Beschleunigungssensor aufweist, welcher die Richtung eines Gravitationsfeldes zur Ermittlung der Orientierung des Basisbauelementes (5) erfasst, und wobei ein Sensor des Basisbauelementes (5) vorzugsweise eine RFID-Einheit aufweist, welche es erlaubt, die absolute Position des Basisbauelementes (5) im Raum zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Basisbauelement (5) eine Fußplatte aufweist, mit welcher das Messgestänge (4) an einer Stelle, insbesondere am Boden, Decke oder Wand angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 11, wobei die Auswerteeinheit (6) einen Geschwindigkeitsvektor und/oder einen berechneten Beschleunigungsvektor des TCP des Schweißbrenners (2) berechnet und diesen vorzugsweise mit einem Soll-Geschwindigkeitsvektor und einem Soll-Beschleunigungsvektor zur Ermittlung einer Abweichung vergleicht, wobei die Auswerteeinheit (6) über eine Nutzerschnittstelle des Schweißsystems oder des Schweißbrenners (2) dem Nutzer ein Feedback zu einem handgeführten Schweißprozess in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung des Geschwindigkeitsvektors und/oder des Beschleunigungsvektors gibt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem starren Schweißbrennerkörper des Schweißbrenners (2) und dem Messgestänge (4) eine mechanische Verbindung besteht, welche eine Schnittstelle für die elektrische Versorgung des Schweißbrenners (2) und/oder eine Datenschnittstelle zur Datenübertragung ausweist, wobei die mechanische Verbindung derart ausgebildet ist, dass eine definierte mechanische Lage besteht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-13, wobei, falls ein Sensor des Basisbauelementes (5) während des Schweißvorganges abnormale Beschleunigungsamplituden erkennt, automatisch eine Fehlermeldung ausgegeben wird, welche angibt, dass die Lagebestimmung des Schweißbrenners (2) ungültig ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-14, wobei an einen Schweißer über einer Nutzerschnittstelle eine Meldung ausgegeben wird, sobald das Messgestänge (4) vollgestreckt ist, wobei die Meldung den Schweißer darüber informiert, dass er den Rand seines maximalen Bewegungsraumes erreicht hat.