DE102021104544A1

DE102021104544A1 - Fügesystem mit robotergeführtem Fügeprozessgerät sowie zugehöriges Betriebsverfahren für das Fügesystem

Info

Publication number: DE102021104544A1
Application number: DE102021104544.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Kotschote; Alexander Schmidt
Original assignee: Audi AG; Universitaet Stuttgart
Current assignee: Audi AG; Universitaet Stuttgart
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: DE102021104544B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fügesystem, umfassend ein Fügeprozessgerät, einen Roboter (42) und eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung von während des Fügeprozesses erzeugten, aktuellen Prozessparametern (26). Erfindungsgemäß ist eine Auswertevorrichtung (27) vorhanden, welche dazu ausgebildet ist, anhand der erfassten Prozessparameter (26) eine tatsächliche, aktuelle geometrische Bauteilesituation (30') der zu fügenden Bauteil (14) zu ermitteln, und eine Regelvorrichtung (32) ist dazu ausgebildet, basierend auf der aktuellen geometrischen Bauteilesituation (30') angepasste Bewegungsparameter (40) für den Bewegungspfad (13) des Roboters (42) neu zu berechnen, um toleranzbedingte geometrische Abweichungen von der Sollbauteilesituation (38) auszugleichen, falls eine Abweichung der aktuellen Bauteilesituation (30') von einer Sollbauteilesituation (38) größer als ein vorbestimmtes Mindestmaß ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügesystem, das ein Fügeprozessgerät zur Durchführung eines Fügeprozesses an Bauteilen und einen Roboter zum Bewegen des Fügeprozessgerätes längs eines Bewegungspfades aufweist. Der Fügeprozess kann beispielsweise ein Schweißprozess sein, durch welchen die besagten Bauteile mittels einer Schweißnaht verbunden oder gefügt werden. Als Fügeprozessgerät kann in diesem Falle ein Schweißprozessgerät verwendet werden. Die Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit, um ein Fügesystem der beschriebenen Art zu betreiben.
Ein Fügeprozess, wie z.B. das Metall-Schutzgasschweißen, ist aufgrund vieler Fügeparameter und Einflussgrößen sehr komplex. Im Falle eines Schweißprozesses ist es neben der optimalen Schweißparameterauslegung zudem essentiell wichtig, während des Prozesses auf fertigungsbedingte Störgrößen zu reagieren, um eine optimale Fügequalität zu gewährleisten. Wesentliche Einflussgrößen auf den Schweißprozess haben zum einen die Spaltbreite zwischen den zu schweißenden Blechen/Bauteilen und zum anderen Lage- und Zuschnittstoleranzen des Bauteils. Letztere führen während des Schweißprozesses zu einem abweichenden Abstand zwischen dem Schweißbrenner und der optimalen Fügelinie, auch Brenneroffset genannt. Zu beachten ist, dass der Begriff „Brenner“ hier auch für das elektrische Schweißen verwendet wird.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen können die genannten Einflussgrößen der zu schweißenden Bauteile schwanken. Zwar besitzen viele Schweißprozessgeräte eine eigene Schweißregelung. Die Praxis zeigt aber, dass diese dennoch nicht immer ausreicht, um eine zulässige Nahtqualität zu erzeugen. Gerade bei Produktionsanläufen für Fahrzeuge, wo diese Bauteilabweichungen um ein vielfaches größer sind, entstehen häufig fehlerhafte Nahtverbindungen, welche zu einem Ausschuss oder zusätzliche Nacharbeit führt. Beides ist mit weiteren Kosten verbunden. Eine Anpassung der vorausberechneten Schweißparameter kann hierzu keine Abhilfe schaffen, da diese nicht in Echtzeit und somit nicht auf spontane Änderungen Einfluss nehmen kann. Weiterhin lassen Schweißgerätehersteller keinen Eingriff in die eigene Schweißregelung zu. Und auch wenn diese beiden Gedanken umsetzbar wären, ist der Physik dennoch Grenzen gesetzt.
Um aber gemäß dem aktuellen Stand der Technik Unregelmäßigkeiten in einer Schweißnaht im Fertigungsprozess zu detektieren muss ein hoher Aufwand betrieben werden. Im Folgenden sind beispielhafte Vorgänge beschrieben.
Statische Steuerungsparameter führen zu Fehlern, denn in der Regel werden die Steuerungsparameter, auch Start- oder Referenzparameter genannt, für das Schweißprozessgerät einmalig bei der Inbetriebnahme und dem Anlauf der Serienproduktion konfiguriert. Dabei wird versucht, den Toleranzbereich der Steuerungsparameter für einen möglichst breiten Bereich an Spaltbreiten und Brenneroffset zu konfigurieren. Dennoch lassen sich nicht alle Fertigungstoleranzen abbilden, sodass Schweißfehler nicht gänzlich unterbunden werden können und eine nachgelagerte Qualitätsüberwachung und Nacharbeit erforderlich machen.
Optische Kamerasysteme werden eingesetzt, um eine unplanmäßige Bauteilgeometrie zu erkennen, aber dieses Vorgehen verwendet optische Kamerasysteme oder Lasertriangulationssensoren, um die Spaltbreite und/oder Fügeposition bzw. SOLL-Brennerposition für jede Schweißnaht exakt zu vermessen und gegebenenfalls die SOLL-Fügeposition nach zu justieren. Dieses Verfahren benötigt zum einen eine zusätzliche Sensorik, welche hohe Kosten verursacht. Die Vermessung der Bauteile erfolgt entweder zeitlich vor dem eigentlichen Schweißprozess, was zusätzliche Fertigungszeit, eine weitere Roboterzelle oder einen Werkzeugwechsel erforderlich macht. Eine weitere Möglichkeit ist die Anbringung des optischen Sensors unmittelbar am Schweißbrenner, um die Bauteilvermessung während dem eigentlichen Schweißprozess durchzuführen (online). Dies reduziert die Zugänglichkeit des Schweißbrenners jedoch drastisch, sodass viele für den Karosseriebau typische Nähte nicht mehr geschweißt werden könnten. Eine solche kamerabasierte Überwachung eines Schweißprozesses ist beispielsweise aus der DE 10 2012 210 012 A1 bekannt.
Aus der WO 2008/019 708 A1 ist bekannt, während eines Schweißprozesses beim Widerstandsschweißen Ultraschall durch die Bauteile zu strahlen, um damit die resultierende Schweißnaht im Verlauf des Schweißprozesses zu analysieren.
Aus der EP 2 062 674 A1 ist ein Laserschweißprozess bekannt, bei dem mittels Sensoren vor und hinter dem Schweißpunkt die Fügestelle erfasst wird, um während des Verschwenkens des Laserstrahls dessen Ausrichtung dynamisch anzupassen. Dies erfordert aber eine entsprechende aufwändige Sensorik, wie beispielsweise eine CMOS-Kamera.
Aus der DE 698 16 839 T2 ist bekannt, anhand der in einem Schweißprozess benötigten Schweißspannung und des Schweißstromes zu ermitteln, welchen aktuellen tatsächlichen Wert eine Spaltbreite des Spalts aktuell aufweist, um in Abhängigkeit von der ermittelten Spaltbreite Fügeparameter, wie beispielsweise die Stromstärke, anzupassen. Eine Kompensation durch Anpassen einer Bewegungsbahn eines Roboters ist mit dem System nicht möglich.
Aus der US 4 943 701 A ist bekannt, dass durch Messen eines Schallpegels die Länge eines Lichtbogens eines Schweißprozesses erfasst werden kann. Durch Ansteuern eines Roboters kann der Brennerkopf in seiner Position nachjustiert werden, um eine planmäßige Bogenlänge einzuhalten. Allerdings ist eine solche planmäßige Bogenlänge nur für eine bestimmte Spaltbreite geeignet. Wird durch Toleranzen bei der Fertigung eine veränderte Spaltbreite verursacht, so kann die ursprünglich geplante Bogenlänge eventuell suboptimal sein, was durch das bekannte System nicht kompensiert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Fügeprozess die Fügequalität auch dann sicherzustellen, falls Variationen in der Geometrie der Bauteile, wie sie durch Fertigungstoleranzen verursacht werden können, eine unplanmäßige Bauteilesituation ergeben.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figur beschrieben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Fügesystem, das ein Fügeprozessgerät zur Durchführung eines Fügeprozesses an Bauteilen unter Berücksichtigung vorgegebener Fügeparameter sowie einen Bewegungsautomaten oder Roboter zum Bewegen des Fügeprozessgerätes längs eines durch Bewegungsparameter vorgegebenen Bewegungspfades umfasst. Bei dem Roboter ist ein Positionsregler des Roboters dazu eingerichtet, für eine geometrische Sollbauteilesituation ausgelegte Bewegungsparameter zu empfangen und zu speichern. Diese Sollbauteilesituation ist insbesondere durch zumindest einen geometrischen Kennwert beschrieben, der jeweils eine geometrische Relation der Bauteile zueinander (z.B. die Relativposition) und/oder die geometrische Relation zumindest eines der Bauteile bezüglich der Position des Fügeprozessgerätes und/oder zumindest eine geplante Bauteilabmessung insbesondere vor der Durchführung des Fügeprozesses betrifft. Das Fügesystem kann also auf einem aus dem Stand der Technik verfügbaren Fügeprozessgerät sowie einem aus dem Stand der Technik verfügbaren Roboter basieren. Bei einem solchen an sich bekannten Roboter gibt es in der Regel das Problem, dass dieser Roboter bereits einen eigenen Positionsregler in einer Steuerschaltung des Roboters aufweist und vor dem Durchführen des eigentlichen Fertigungsprozesses bereits die notwendigen Bewegungsparameter für den Roboter hinterlegt sein müssen, also im Roboter gespeichert werden müssen. Beispielsweise kann eine Bedienperson in einer „Anlernphase“ den Roboter einmalig manuell steuern, um das Fügeprozessgerät entlang des geplanten Bewegungsparameters zu führen, während der Roboter hierbei die verwendeten Bewegungsparameter mitschreibt oder speichert, was als „Anlernen“ bezeichnet wird. Während nachfolgender automatischer Fügeprozesse mit weiteren Bauteilen nutzt der Positionsregler des Roboters dann diese gespeicherten Bewegungsparameter, um mittels einer Regelung, beispielsweise einer PI-Regelung oder PID-Regelung (P - Proportional, I - Integral, D - Differential) die Bewegungsparameter für das Fügeprozessgerät einzuregeln. Bei einem solchen Roboter mit eigenem Positionsregler und einem Datenspeicher für Bewegungsparameter ist eine nachträgliche Korrektur des Bewegungspfads, insbesondere eine dynamische Korrektur während der Durchführung eines Fügeprozesses, im Stand der Technik so nicht vorgesehen.
Das Fügesystem umfasst des Weiteren eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung von während des Fügeprozesses erzeugten, aktuellen Prozesssignalen oder Prozessdaten oder Prozessparametern. Bei diesen Prozessparametern handelt es sich insbesondere um Steuersignale und/oder Messsignale und/oder Zustandsdaten, die sich mit dem Verlauf des Fügeprozesses verändern. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine Stromstärke und/oder eine elektrische Spannung handeln, die beispielsweise bei einem Schweißprozessgerät zum Betreiben eines Lichtbogens (Lichtbogenstrom und/oder Lichtbogenspannung) abgegeben werden. Ein weiteres Beispiel für einen Prozessparameter ist eine Lautstärke eines Luftschalls, die durch den Fügeprozess erzeugt wird, beispielsweise durch einen Lichtbogen. Ein weiteres Beispiel ist ein Körperschall, der beispielsweise in einem der Bauteile und/oder in einer Spannvorrichtung für eines der Bauteile erfasst werden kann. Es kann auch ein Ultraschallsignal oder Luftschall als Prozessparameter erfasst werden.
Erfindungsgemäß ist eine Auswertevorrichtung vorhanden, welche dazu ausgebildet ist, anhand der erfassten Prozessparameter eine tatsächliche, aktuelle geometrische Bauteilesituation zu ermitteln. Zudem ist eine Regelvorrichtung vorhanden, welche dazu ausgebildet ist, basierend auf der aktuellen geometrischen Bauteilesituation angepasste Bewegungsparameter für den Bewegungspfad neu zu berechnen, um toleranzbedingte geometrische Abweichungen von der Sollbauteilesituation derart auszugleichen, dass für die aktuelle geometrische Bauteilesituation ein vorbestimmtes Qualitätsmaß des Fügeprozesses beibehalten bleibt, falls eine Abweisung der aktuellen Bauteilesituation von der Sollbauteilesituation größer als ein vorbestimmtes Mindestmaß ist, und in diesem Fall während des Bewegens des Fügeprozessgerätes in dem Positionsregler des Roboters die aktuell verwendeten (zuvor angelernten) Bewegungsparameter durch die angepassten Bewegungsparameter (für diesen Fügeprozess oder diesen Fügevorgang) zu ersetzen. Die Sollbauteilesituation beschreibt also zumindest einen geometrischen Kennwert, beispielsweise einen Abstand und/oder eine Abmessung, wie er gemäß einer Planung des Fügeprozesses beispielsweise auf Grundlage einer manuell einprogrammierten SOLLPosition und/oder von CAD-Daten (CAD - computer aided design) festgelegt oder bestimmt sein kann. Die aktuelle tatsächliche geometrische Bauteilesituation beschreibt dagegen denjenigen Wert desselben Kennwerts, wie er anhand der Prozessparameter ermittelt wird.
Nun stellt eine solche Abweichung der aktuellen Bauteilsituation von der Sollbauteilesituation nicht unbedingt einen Regelfehler des Positionsreglers des Roboters dar, da die aktuelle Bauteilesituation nicht unbedingt an die Sollbauteilesituation angeglichen werden kann, weil die Bauteilesituation nicht verändert werden kann, weil beispielsweise eine geometrische Abmessung und/oder eine Form der Bauteile oder zumindest eines der Bauteile durch die Bauteilesituation vorgegeben ist und dabei von der Sollbauteilesituation abweicht. Ein entsprechendes Beispiel ist ein Zuschnitt eines der Bauteile, der eine geplante Toleranz überschritten haben kann. Dies kann durch den Fügeprozess selbst, beispielsweise einen Schweißprozess, nicht verändert oder rückgängig gemacht werden.
Daher wird bevorzugt der Fügeprozess dynamisch an die tatsächliche aktuelle geometrische Bauteilesituation angepasst, indem während des Fügeprozesses, wenn also der Roboter das Fügeprozessgerät bewegt, für einen aktuellen Abschnitt einer Fügelinie und/oder einen vorausliegenden Abschnitt der Fügelinie die angepassten Bewegungsparameter in den Positionsregler des Roboters eingespeist werden. Welche angepassten Bewegungsparameter notwendig sind, kann in an sich bekannter Weise beispielsweise mittels Kennwerttabellen und/oder Kennlinien für die gegebenen aktuelle Bauteilesituation im Fügeprozess, beispielsweise für das Schweißen oder Kleben, ermittelt werden. Dabei werden die bereits in dem Positionsregler gespeicherten Bewegungsparameter nur dann ersetzt, falls ein Bedarf dafür besteht, wenn die beschriebene Abweichung erkannt wird. Somit kann weiterhin ein Positionsregler eines Roboters vor dem Fügeprozess mit Bewegungsparametern konfiguriert oder angelernt werden und nur bei Bedarf werden angepasste Bewegungsparameter für den aktuellen Fügevorgang situationsangepasst eingefügt oder temporär „überlagert“. Das hier beschriebene Ersetzen der vorgegebenen, angelernten Bewegungsparameter durch die angepassten Bewegungsparameter kann somit temporär nur für den einen Fügevorgang erfolgen, sodass am Ende des Fügevorgangs (für die nächsten Bauteile) wieder die ursprünglichen im Speicher des Positionsreglers vordefinierten Bewegungsparameter für den nächsten Fügevorgang zur Verfügung stehen.
Somit ergibt sich der Vorteil, dass auch mittels eines herkömmlichen Roboters mit eigenem Positionsregler dennoch bei einer Abweichung der Bauteilesituation von der Sollbauteilesituation dynamisch mit einer Anpassung des Fügeprozesses reagiert werden kann, um ein Qualitätsmaß der Fügequalität einzuhalten. Beispiele für ein solches Qualitätsmaß sind beispielsweise eine Eindringtiefe der Schweißnaht in den Spalt zwischen den Bauteilen, eine Schweißtemperatur, eine Materialmenge pro Längenabschnitt in einer der Schweißnaht, eine Festigkeit einer Schweißnaht. Bei gegebener Bauteilesituation kann das sich ergebende Qualitätsmaß z.B. aus Kennfeldern ermitteln werden. Beispielsweise kann durch ein Kennfeld ein Zusammenhang zwischen gegebener Spaltbreite und einer benötigten Eindringtiefe und einem dazu notwendigen Anstellwinkel des Brennerkopfes vorgegeben sein. Daraus kann ein neuer Anstellwinkel ermittelt werden, wenn eine unplanmäßige Spaltbreite als tatsächliche Bauteilesituation erkannt wird und die weiterhin benötigte Eindringtiefe gemäß der Sollbauteilesituation mit dem aktuellen Anstellwinkel nicht mehr erreicht werden kann. Dann können angepasste Bewegungsparameter für einen neuen Anstellwinkel ermittelt werden.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine Ausführungsform umfasst, dass durch die Erfassungsvorrichtung, die Auswertevorrichtung und die Regelvorrichtung ein äußerer Regelkreis bereitgestellt ist, welcher durch die angepassten Bewegungsparameter dynamische angepasste Sollwerte für den Positionsregler des Roboters erzeugt und hierbei das Qualitätsmaß in einen vorbestimmten Toleranzbereich einregelt. Mit anderen Worten empfängt der Positionsregler von der Regelvorrichtung Sollwerte, um die Position und/oder einen Anstellwinkel und/oder eine Bewegungsgeschwindigkeit des Fügeprozessgeräts auf die angepassten Bewegungsparameter einzuregeln. Das eigentliche Regeln der Bewegung durch den Positionsregler des Roboters stellt einen inneren Regelkreis dar, der unbeeinflusst oder unverändert bleibt, indem lediglich von außen neue Sollwerte vorgegeben werden. So kann ein Hersteller des Roboters den Positionsregler nach eigenem Bedürfnis auslegen und es muss keine zusätzliche Anpassung zum Durchführen des Verfahrens vorgenommen werden, da lediglich immer dann, wenn eine Abweichung der Bauteilesituation über das besagte Mindestmaß hinaus erkannt wird, neue Sollwerte beispielsweise an einer Konfigurationsschnittstelle des Positionsreglers übergeben werden.
Eine Ausführungsform umfasst, dass die Regelvorrichtung dazu eingerichtet ist, die angepassten Bewegungsparameter durch eine Translation und/oder Rotation des durch die Bewegungsparameter für die geometrische Sollbauteilesituation vorgegebenen Bewegungspfades zu erzeugen, um einer Welligkeit zumindest eines der Bauteile und/oder zumindest einer Schnittlinie zu folgen. Mit anderen Worten wird hier der Bewegungspfad angepasst, um den Fertigungsprozess in der Weise fortführen zu können, dass ein Abstand und/oder ein Relativposition des Fügeprozessgeräts zu der Fügelinie in der Weise beibehalten wird, wie es auch für die Sollbauteilesituation vorgesehen ist, es ist nun aber die Welligkeit einbezogen, die nicht in der Sollbauteilesituation eingeplant ist. Die Anpassung des Bewegungspfads kann vorsehen, dass eine Bewegungsgeschwindigkeit und/oder ein Anstellwinkel und/oder ein Offset, das heißt ein Abstand zwischen Fügelinie und einem vorbestimmten Punkt an dem Fügeprozessgerät, beibehalten wird. Somit kann also der auch für die Sollbauteilesituation geplante Fügeprozess ohne Veränderung der Fügeparameter im Fügeprozessgerät durchgeführt werden.
Eine Ausführungsform umfasst, dass die Regelvorrichtung dazu eingerichtet ist, die angepassten Bewegungsparameter und/oder angepasste Fügeparameter durch Neuberechnen eines veränderten Fügeprozesses erzeugt werden, um eine in der Sollbauteilesituation unvorhergesehene Form und/oder Blechdicke eines Werkstoffs zumindest eines der Bauteile zu berücksichtigen. Für den Fall, dass die Bauteilesituation von der Sollbauteilesituation derart abweicht, dass eine andere Geometrie und/oder Form zumindest eines der Bauteile vorliegt, wird ein neuer Fügeprozess dynamisch für diese Bauteile, das heißt für den aktuellen Fügevorgang dieser Bauteile, geplant, da durch die veränderte oder über ein Toleranzmaß hinaus abweichende Form und/oder Blechdicke auch ein anderes Fügen verlangt.
Eine Ausführungsform umfasst, dass die Regelvorrichtung zusätzlich dazu eingerichtet ist, zu erkennen, dass auch mittels angepasster Bewegungsparameter ein vorbestimmter Toleranzbereich für das Qualitätsmaß unhaltbar ist. Die Regelvorrichtung ist dazu eingerichtet, für diesen Fall, angepasste Fügeparameter zu erzeugen und in dem Fügeprozessgerät einzustellen. Es wird also überwacht, ob mittels der Bewegungsparameter für den Bewegungspfad überhaupt das Qualitätsmaß eingehalten werden kann, beispielsweise eine Festigkeit einer Schweißnaht in einem vorbestimmten Wertebereich gehalten werden kann. Ist dies nicht der Fall, so können zusätzlich oder alternativ die Fügeparameter für das Fügeprozessgerät an die erfasste aktuelle Bauteilesituation angepasst werden. Im Falle eines Schweißprozessgeräts kann beispielsweise eine Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder eine Stromstärke und/oder eine elektrische Spannung eines Lichtbogens angepasst werden, um hierüber eine Schweißnaht in den Toleranzbereich für das Qualitätsmaß zu bringen oder zu halten. Somit wird also bedarfsgerecht auf die aktuelle Bauteilesituation reagiert.
Eine Ausführungsform umfasst, dass eine Kombination aus Anpassung des Bewegungspfades und Anpassung der Fügeparameter eingesetzt wird, bevorzugt bei Bauteilschwankungen oder einer Abweichung größer als ein vorbestimmter Schwellenwert. Diese können dann in vorteilhafter Weise ebenfalls kompensiert werden.
Eine Ausführungsform umfasst, dass die Fügeprozessparameter Strom- und/oder Spannungswerte des Fügeprozessgerätes umfassen. Eine Ausführungsform umfasst, dass die Prozessparameter zumindest einen der folgenden umfassen: eine optisch ermittelte Position, einen Ultraschall, einen Luftschall, einen Körperschall. Die optisch ermittelte Position kann beispielsweise auf der Grundlage einer Kamera und/oder einer Lichtschranke und/oder eine Fotodiode, die eine Helligkeit eines Streulichts erfasst, ermittelt werden. Der Ultraschall kann durch eine Ultraschallquelle beispielsweise mittels eines Piezokristalls erzeugt werden. Der Ultraschall kann aber auch ein Störgeräusch sein, dass durch das Fügeprozessgerät selbst erzeugt wird. Der Körperschall kann beispielsweise an einen der Bauteile und/oder an dem Fügeprozessgerät und/oder an einer Spannvorrichtung für eines der Bauteile erfasst werden, gleiches gilt auch für Luftschall.
Die Anzahl und Auswahl an notwendigen Signalen / Sensoriken für die Prozessparameter ist vom Fachmann der jeweiligen Fügesituation und Anwendung anzupassen und kann/sollte, wenn möglich auf die wesentlichen bzw. auf ein Minimum reduziert sein. Orientierungspunkt ist, dass das hier beschriebene Ziel erreicht wird. Die hier aufgezählte Sensorik und Signale sind vorteilhaft, denn sie müssen nicht unmittelbar am Brenner angebracht sein, sodass die Zugänglichkeit des Brenners erhalten bleibt. Zudem sind diese Sensoriken deutlich kostengünstiger als bisherige optische Messsysteme, haben eine sehr hohe Flexibilität und sind während des Schweißprozesses aktiv.
Allgemein kann (auch unabhängig von einem Beobachter) vorgesehen sein, dass die Auswertevorrichtung zumindest ein vorbestimmtes zeitliches Verlaufsmuster in Signalverläufen mehrerer unterschiedlicher Sensoren ermittelt. Die Signalverläufe können dabei ein Bestandteil der beschriebenen Prozessparameter sein. Es kann sich also bei den Prozessparametern um Signaldaten und/oder ein jeweiliges analoges Signal handeln.
Die Verlaufsmuster können beispielsweise mittels einer Methode des maschinellen Lernens detektiert werden. Hierzu kann im Rahmen eines sogenannten Trainings bei einer solchen Methode des maschinellen Lernens beispielsweise auf der Grundlage eines künstlichen neuronalen Netzwerks anhand von Trainingsdaten eine Zuordnung von Prozessparametern zu einer bekannten zugehörigen Bauteilesituation ein Training durchgeführt werden. Eine bekannte Bauteilesituation kann beispielsweise gezielt im Rahmen von Tests geschaffen werden oder bereitgestellt werden und dann der Fügeprozess durchgeführt werden, um die Signalverläufe für die Prozessparameter zu erzeugen. Durch die Methode des maschinellen Lernens wird dann beispielsweise ein künstliches neuronales Netzwerk bereitgestellt, dass eine Zuordnung von Prozessparametern zur Bauteilesituation durchführt. Zusätzlich oder alternativ zu einer Methode des maschinellen Lernens können auch beispielsweise Kennfelder verwendet werden, um Prozessparameter in Form von Sensordaten aus zumindest einem, bevorzugt aus mehreren Sensoren auf zumindest einen Kennwert der Bauteilsituation, also beispielsweise einen Abstand, wie beispielsweise eine Spaltbreite und/oder einen Brenneroffset abzubilden. Bevorzugt sind mehrere Sensoren vorgesehen, von denen zumindest einer jeweils Schall und/oder Licht und/oder Strom und/oder Spannung erfasst und ein entsprechendes Sensorsignal oder Sensordaten als Prozessparameter bereitstellt.
Wird dagegen ein Prozessmodell des Fügeprozesses bereitgestellt, kann mittels eines regelungstechnischen Beobachters, beispielsweise eines Luenberger-Beobachters, auf Grundlage der Fügeparameter und Bewegungsparameter, die in dem Fügeprozessgerät und dem Positionsregler eingestellt sind, der Fügeprozess nachgebildet werden und prädiziert werden, welche Prozessparameter sich ergeben müssten, wenn die Bauteilesituation mit der Sollbauteilesituation übereinstimmt. Dies kann in dem Prozessmodell als modellierte Bauteilesituation eingestellt werden. Ergibt sich eine Abweichung zwischen den so prädizierten Prozessparametern von den tatsächlich gemessenen oder erfassten Prozessparametern, so wird in dem Prozessmodell eine Anpassung der modellierten Bauteilesituation solange vorgenommen, bis das Prozessmodell die Prozessparameter korrekt prädiziert, wobei unter korrekter Prädiktion zu verstehen ist, dass eine Abweichung zwischen dem prädizierten Prozessparametern und den tatsächlich erfassten Prozessparametern ein Unterschied kleiner als ein vorbestimmter Höchstwert ist. Dann ist klar, dass das Prozessmodell die Bauteilesituation korrekt modelliert und es kann somit die Bauteilesituation aus dem Prozessparameter ausgelesen werden. Eine Ausführungsform umfasst entsprechend, dass die Auswertevorrichtung einen Beobachter umfasst, der dazu eingerichtet ist, den Fügeprozess mittels eines Prozessmodells nachzubilden oder zu simulieren und in Abhängigkeit von einer mittels des Prozessmodells modellierten Bauteilesituation vorhergesagte oder prädizierte Prozessparameter bereitzustellen. Wenn das Prozellmodell den aktuellen Fügeprozess korrekt nachbildet, müssten die prädizierten Prozessparameter und die gemessenen oder erfassten Prozessparameter übereinstimmen. Falls dies nicht der Fall ist, muss das Prozessmodell korrigiert oder angepasst werden. Dazu ist die Auswertevorrichtung dazu eingerichtet, durch Anpassen der modellierten Bauteilesituation die prädizierten Prozessparameter an die erfassten Prozessparameter anzugleichen, um somit also die aktuelle Bauteilesituation zu ermitteln.
Eine Ausführungsform umfasst, dass der Fügeprozess ein Schweißprozess zum Verschweißen der Bauteile ist und das Fügeprozessgerät ein Schweißprozessgerät ist. Es hat sich herausgestellt, dass in einem Schweißprozess die erfassten Prozessparameter besonders deutlich mit der Bauteilesituation korreliert sind. Als Schweißprozess kann beispielsweise das eingangs beschriebene Metallschutzgasschweißen (MSG) oder ein Laserschweißen vorgesehen sein. Als Alternative für einen Fügeprozess kann beispielsweise ein Klebeprozess oder andere linienförmige Fügeverfahren, bspw. Falzen, vorgesehen sein.
Eine Ausführungsform umfasst, dass der Fügeprozess ein Schweißprozess ist und die aktuelle geometrische Bauteilesituation eine Spaltbreite zwischen zwei zu verschweißenden Bauteilen und/oder einen Brenneroffset und/oder eine Beziehung zwischen Soll- und Ist-Brennerposition und/oder eine Beziehung zwischen Brennerposition und Fügestelle umfasst. Im Falle eines Schweißprozesses lassen sich aus Prozessparametern insbesondere die Spaltbreite und/oder der so genannte Brenneroffset, das heißt ein Abstand des Brenners des Schweißprozessgeräts von der geplanten Fügelinie, detektieren oder ermitteln.
Eine Ausführungsform umfasst, dass eine Protokollierungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, anhand der Abweichungen zwischen Sollbauteilesituation und aktueller Bauteilesituation eine Qualitätsüberwachung des Fügeprozesses und/oder zumindest eines dem Fügeprozess vorgelagerten Fertigungsprozesses durchzuführen und/oder den vorgelagerten Fertigungsprozess anzupassen. Die Fügeparameter können also auch zusätzlich dafür verwendet werden, den Fügeprozess zu überwachen und/oder zu protokollieren. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die detektierte Abweichung der Bauteilesituation von der Sollbauteilesituation dazu genutzt werden, einen vorgelagerten Fertigungsschritt oder Fertigungsprozess zu steuern, um die Abweichung zu verringern. So kann beispielsweise bei Erkennen eines fehlerhaften Zuschnitts eines der Bauteile der vorgelagerte Fertigungsprozess, durch welchen die Bauteile zugeschnitten werden, angepasst werden. So ist keine zusätzliche Überwachung dieses vorgelagerten Fertigungsprozesses notwendig, da mittels der Prozessparameter aus dem Fügeprozess auf eine Abweichung des vorgelagerten Fertigungsprozesses geschlossen wird.
Durch den Betrieb des Fügesystems ergibt sich ein Verfahren, das ebenfalls einen Aspekt der Erfindung darstellt. Bereitgestellt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Fügesystem, wobei

- ein Fügeprozessgerät einen Fügeprozess an Bauteilen unter Berücksichtigung vorgegebener Fügeparameter durchführt,
- ein Roboter das Fügeprozessgerät längs eines durch Bewegungsparameter vorgegebenen Bewegungspfades bewegt,
- wobei ein Positionsregler des Roboters dazu eingerichtet ist, Bewegungsparameter für eine geometrische Sollbauteilesituation einer geometrischen Relation der Bauteile zueinander und/oder bezüglich der Position des Fügeprozessgerätes und/oder für geplante Bauteilabmessungen vor der Durchführung des Fügeprozesses zu empfangen und zu speichern, und
- eine Erfassungsvorrichtung während des Fügeprozesses erzeugte, aktuelle Prozessparameter erfasst,

- eine Auswertevorrichtung anhand der erfassten Prozessparameter eine tatsächliche, aktuelle geometrische Bauteilesituation zu ermittelt, und
- eine Regelvorrichtung basierend auf der aktuellen geometrischen Bauteilesituation angepasste Bewegungsparameter für den Bewegungspfad des Roboters neu berechnet, um toleranzbedingte geometrische Abweichungen von der Sollbauteilesituation derart auszugleichen, dass für die aktuelle geometrische Bauteilesituation ein vorbestimmtes Qualitätsmaß des Fügeprozesses beibehalten bleibt, falls eine Abweisung der aktuellen Bauteilesituation von der Sollbauteilesituation größer als ein vorbestimmtes Mindestmaß ist, und in diesem Fall während des Bewegens des Fügeprozessgerätes in dem Positionsregler des Roboters die aktuell verwendeten Bewegungsparameter durch die angepassten Bewegungsparameter ersetzt.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Auswertevorrichtung und die Regelvorrichtung kann jeweils auf zumindest einer Datenverarbeitungsvorrichtung oder Prozessoreinrichtung basieren, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1. eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügesystems in einer beispielhaften Ausgestaltung als Schweißsystem, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführen kann; und
2 eine Skizze zur Veranschaulichung von Kenngrößen eines Schweißprozesses, den das Fügesystem von 1 als Fügeprozess durchführen kann.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt ein Fügesystem in einer Ausgestaltung als Schweißsystem 10, mittels welchem ein Fügeprozess in Form eines Schweißprozesses 11 beispielsweise bei einer Fertigung eines Werkstücks durchgeführt werden kann. Der Schweißprozess 11 kann hierbei automatisiert mittels eines Fügeprozessgerätes in Ausgestaltung als ein Schweißprozessgerät 12 durchgeführt werden.
Der Schweißprozess 11 ist genauer in 2 dargestellt. Der Schweißprozess 11 kann vorsehen, dass beispielsweise durch Metallschutzgasschweißen mittels einer Stromkontaktdüse oder eines Brenners 13 zwischen zumindest zwei Fügepartnern oder Bauteilen 14 in einem durch diese begrenzten Spalt 15 eine Schweißnaht 16 zum Fügen oder Verbinden der Bauteile 14 erzeugt wird. In an sich bekannter Weise kann hierzu der Brenner 13 einen Schweißdraht 17 im Bereich eines Schmelzpunktes oder Schmelzguts 18 mittels eines Lichtbogens und/oder durch Stromfluss aufschmelzen oder verflüssigen zusammen mit dem Material der Bauteile 14 im Spalt 15. Der Brenner 13 kann hierzu einen Abstand oder Brenneroffset 19 zum Spalt 15 aufweisen. Der Spalt 15 kann eine Spalthöhe oder allgemein Spaltbreite 20 aufweisen. Die Spaltbreite 20 kann von einer geplanten oder bestimmungsgemäß vorgesehenen Spaltbreite abweichen, da eine Fertigung der Bauteile 14 toleranzbehaftet sein kann und somit beispielsweise eine Form oder eine Kontur von Kanten der Bauteile 14 Schwankungen oder Abweichungen unterliegen kann.
Wie in 1 weiter dargestellt können die Bauteile 14 beispielsweise durch ein vorgelagertes Fertigungsgerät 21 bereitgestellt sein, das beispielsweise zumindest eines der Bauteile 14 zuschneiden kann, wodurch die Schwankungen oder Toleranzen verursacht sein können. Bei dem Fertigungsgerät 21 kann es sich beispielsweise um ein Gerät für einen Zuschnitt oder ein Stanzen zumindest eines der Bauteile 14 handeln.
Das Schweißprozessgerät 12 kann beispielsweise einen Schweißprozessregler 22 aufweisen, mittels welchem Stellgrößensignale oder Stellgrößenparameter 23 zum Steuern oder Stellen des Schweißprozesses 11 eingestellt werden können. Es kann sich beispielsweise um eine Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder eine Brennergeschwindigkeit entlang des Spalts 15 und/oder eine Brennerpositionierung und/oder eine Stromstärke und/oder eine elektrische Spannung für den Schweißprozess 11 handeln. In dem Schweißprozess 11 können in an sich bekannter Weise mittels zumindest einer Sensorschaltung Regelgrößen 24 in einer Rückführung 25 für den Schweißprozessregler 22 bereitgestellt sein. Eine oder einige oder alle der Regelgrößen 24 können als Prozessparameter 26 einer Auswertevorrichtung 27 bereitgestellt werden. Die Auswertevorrichtung 27 kann beispielsweise auf einer Prozessorschaltung beruhen.
Durch die Auswertevorrichtung 27 kann ein regelungstechnischer Beobachter 28 mit einem Prozessmodell oder Beobachtermodell 29 des Schweißprozesses 11 betrieben werden. Als Beobachter 28 kann beispielsweise ein Luenberger-Beobachter vorgesehen sein. Das Beobachtermodell 29 kann den Schweißprozess 11 beispielsweise auf der Grundlage eines Gleichungssystems und/oder auf der Grundlage von Kennlinien des Schweißprozesses 11 und/oder auf der Grundlage eines künstlichen neuronalen Netzwerks beschreiben. Ein geeignetes Beobachtermodell 29 kann in an sich bekannter Weise auf der Grundlage von Versuchsreihen zu dem Schweißprozess 11 ermittelt werden. Mittels des Beobachtermodells 29 kann die Auswertevorrichtung 27 zumindest einen Kennwert 30 einer Bauteilesituation 30` des Schweißprozesses 11 schätzen oder ermitteln. Beispielsweise kann als Kennwert die Spaltbreite 20 und/oder der Brenneroffset 19 ermittelt werden.
Für das Beobachtermodell 29 kann zusätzlich zu den Prozessparametern 26 auch zumindest ein Teil der Stellgrößenparameter 23 als Eingangssignal bereitgestellt werden. Zusätzlich und alternativ dazu können auch die Bauteilinformationen 33, also Bauteildaten, für das Beobachtermodell 29 als Eingangssignale bereitgestellt werden.
Die Auswertevorrichtung 27 kann zusätzlich oder alternativ ein künstliches neuronales Netz aufweisen, welches die Prozessparameter 26 als Eingangsgrößen auf den zumindest einen geschätzten Kennwert 30 als Ausgabegröße abbildet.
Der zumindest eine Kennwert 30 kann beispielsweise dem Fertigungsgerät 21 bereitgestellt werden, um dort eine Steuerung und/oder eine Regelung 31 zu konfigurieren, um beispielsweise einen Fertigungsfehler oder eine Abweichung einer Geometrie eines durch das Fertigungsgerät 21 bereitgestellten Bauteils 14 an eine jeweilige Sollgeometrie anzupassen, sodass zukünftige Bauteile 14 mit der korrigierten Geometrie durch das Fertigungsgerät 21 bereitgestellt werden.
Der zumindest eine Kennwert 30 kann zusätzlich oder alternativ dazu für eine Regelvorrichtung 32 bereitgestellt werden, die beispielsweise ebenfalls auf einer Prozessorschaltung oder auf derselben Prozessorschaltung wie der Prozessorschaltung für die Auswertevorrichtung 27 z.B. als eine Software betrieben werden kann. Die Regelvorrichtung 32 kann auf der Grundlage beispielsweise von Bauteilinformationen 33 betreffend die zumindest zwei zu verschweißenden oder zu fügenden Bauteile 14 und auf der Grundlage des zumindest einen Kennwerts 30 der aktuellen Bauteilesituation 30' aktualisierte Werte von Fügeparametern 34 für das Schweißprozessgerät 12 bereitstellen. Die Fügeparameter 34 können als Sollwerte für den Schweißprozessregler 22 dienen. Somit kann durch Einstellen der Fügeparameter 34 der Schweißprozessregler 22 die Bauteiltoleranzen oder Variationen in den Bauteilen 14 durch Einstellen oder Nachführen des zumindest einen Stellgrößenparameters 23 kompensieren.
Damit stellt die Regelung im Schweißprozessregler 22 des Schweißprozessgeräts 12 im Schweißprozess 11 einen inneren Regelkreis 35 einer Prozessregelung des Schweißprozesses 11 dar, während durch das Rückführen zumindest eines Prozessparameters 26 über die Auswertevorrichtung 27 in die Regelvorrichtung 32 einen äußeren Regelkreis 36 darstellt.
Um zu ermitteln, welche Fügeparameter 34 bei der aktuellen Bauteilesituation 30' dazu führen, dass ein vorbestimmtes Qualitätsmaß 37 eingehalten werden kann, kann beispielsweise auf der Grundlage der Bauteilinformation 33 eine Sollbauteilesituation 38 in der Regelvorrichtung 32 ermittelt werden, die zumindest einen Sollkennwert 39 vorgibt, der für eine ursprüngliche Planung des Schweißprozesses 11 vorgesehen ist. Die Sollbauteilesituation 38 kann beispielsweise auf Konstruktionsdaten, wie beispielsweise CAD-Daten für die Bauteile 14 und/oder das zu fertigende Werkstück, beruhen.
Mittels des äußeren Regelkreises 36 werden bevorzugt die Bewegungsparameter 40 für eine Positionsregelung 41 des Schweißprozessgeräts 12 einen Roboter 42 ermittelt und korrigiert, falls die Bauteilesituation 30' von der Sollbauteilesituation 38 abweicht. Unter dem Begriff „Roboter“ ist im Zusammenhang mit dieser Beschreibung allgemein ein Automat oder Apparat zu verstehen, der dazu eingerichtet ist, ein Fügeprozessgerät, d.h. beispielsweise das Schweißprozessgerät 12, relativ zu den Bauteilen 14 zu bewegen, während das Fügeprozessgerät die Bauteile 14 entlang einer Fügelinie fügt. Mit anderen Worten handelt es sich um eine Automaten oder Apparat, der das Fügeprozessgerät hält oder trägt und entlang einer vorbestimmten Trajektorie relativ zu den Bauteilen bewegt. Unter einem Roboter ist somit jeglicher Automat zu verstehen, z.B. auch ein das Fügeprozessgerät oder zumindest eines der Bauteile tragender Schlitten genauso wie ein Roboterarm. Es geht insbesondere um die Relativbewegung, sodass entweder das Fügeprozessgerät durch den Raum bewegt sein kann oder die Bauteile durch den Raum bewegt werden können oder sowohl das Fügeprozessgerät als auch die Bauteile gegeneinander bewegt werden können.
2 zeigt hierzu allgemein, wie der Roboter 42 beispielsweise das Schweißprozessgerät 12 entlang eines Bewegungspfads 43 in an sich bekannter Weise mittels zumindest eines Aktuators 44 bewegen kann. Es kann sich hierbei um eine Positionsregelung 41 gemäß dem Stand der Technik handeln. Danach ist es vorgesehen, dass ein Positionsregler 45 Stellparameter 46 zum Steuern des zumindest einen Aktuators 44 des Roboters 42 erzeugt. Die Stellparameter 46 können auf der Grundlage von vorab, das heißt vor dem Durchführen des Schweißprozesses 11 gespeicherten Bewegungsparametern 47 erzeugt werden, die in der beschriebenen Weise angelernt worden sein können. Mit anderen Worten „fährt“ der Positionsregler 45 mittels des Roboters 42 den zuvor festgelegten Bewegungspfad 43 ab, die durch die angelernten Bewegungsparameter 47 vorgegeben ist.
Wird nun durch die Regelvorrichtung 32 anhand der aktuellen Bauteilesituation 30' und der Sollbauteilesituation 38 eine Abweichung der aktuellen Bauteilesituation 30' erkannt, die größer als ein vorbestimmtes Mindestmaß 48 ist, so können entsprechende korrigierte oder aktualisierte oder neu berechnete Bewegungsparameter 40 ermittelt werden und an den Bewegungsregler oder Positionsregler 45 übermittelt werden, um den Schweißprozess 11 an die neu gegebene Bauteilesituation 30' anzupassen. Mit anderen Worten wird ein solcher Abschnitt der Bauteile 14 mit angepassten Bewegungsparametern 40 bearbeitet, der über das Mindestmaß 48 hinaus von der Sollbauteilesituation 38 abweicht.
Die Idee umfasst somit eine Vorrichtung/Anordnung, bestehend aus mehreren Sensoren, die während des Schweißprozesses die Prozessdaten oder Prozessparameter 26 erfasst, daraus die vorliegende geometrische Bauteilesituation 30' im Vergleich zur Brennerposition bestimmen und diese Informationen zum Roboter 42 zurückführen, sodass eine Positionsänderung des Brenners 13 über diesen stattfinden kann.
Das Vorgehen umfasst insbesondere folgende Schritte:

- Erfassung der relevanten Prozessparameter aus unterschiedlichen Sensoren und dem Schweißprozessgerät 12;
- Zusammenführung der Prozessparameter 26 und Bestimmung der vorliegenden Bauteilesituation 30' im Vergleich zur Sollbauteilesituation 38, beispielsweise abweichende Spaltbreite, abweichende Brennerposition;
- Rückführung der Information zum Positionsregler 45 des Roboter 42;
- Anpassung der Brennerposition während des Schweißprozesses 11.

Zu den Prozessdaten oder Prozessparametern 26 gehören insbesondere die Aufnahme von Strom- sowie Spannungswerten aus dem Schweißprozessgerät und/oder die externe Aufnahme von Schallemissionswerten, insbesondere Körperschall. Auch weitere Sensoren und Signale sind denkbar. Ein geeigneter Sensor kann beispielsweise ein Körperschallsensor einer Erfassungsvorrichtung 49 sein, welcher an eine Spannvorrichtung 50 für das jeweilige Bauteil 14 angebracht wird. Die Spannvorrichtung 50 ist in 2 nur symbolisch repräsentiert.
Die beobachtete geometrische Bauteilesituation 30', bestimmt beispielsweise durch Spaltbreite 20 und Brenneroffset 19, wird dann während des Schweißprozesses 11 als Regelgröße in den übergelagerten Regelkreis 36 zur Anpassung der Brennerposition zum Positionsregler 45 des Roboter 42 zurückgeführt.
Die Vorrichtung/Anordnung ermöglicht dadurch eine dynamische Positionsänderung des Schweißbrenners während des Fügeprozesses, ohne zusätzliche Fertigungszeiten zu verursachen, ohne die Zugänglichkeit des Schweißbrenners durch zusätzliche optische Sensoren zu reduzieren oder in Schweißgeräteregelungen einzugreifen.
Wie bereits ausgeführt, ist der Schweißprozess nur beispielhaft anzusehen. Denkbar ist es, dass diese Vorrichtung auch auf alle anderen robotergeführten Fügeprozesse übertragbar ist.
Die Vorrichtung umfasst im Falle eines Schweißprozesses bevorzugt folgende Bestandteile:

1. Robotersteuerung mit Positionsregler
2. Roboter
3. Schweißprozessgerät
4. Schweißprozess
5. Sensoren zur Erfassung des Schweißprozesses (Strom, Spannung, Körperschall, ...)
6. Schweißprozess-Beobachter
7. Übergeordneter, äußerer Regler für Bahn- und Steuerungsparameter

Dies ergibt vorteilhafter Weise eine dynamische Anpassung der Roboterbahn und Steuerungsparameter während des Schweißprozesses. Es ist keine Einschränkung der Zugänglichkeit durch zusätzliches Equipment am Schweißbrenner hinzunehmen. Höhere Fertigungstoleranzen in Bezug auf die Spaltbreite und Offset werden zulässig. Weniger Ausschuss und Nacharbeit ergeben sich. Die erfasste geometrische Bauteilesituation 30' kann zur Qualitätsüberwachung vorgelagerter Fertigungsprozesse des Fertigungsgeräts 21 verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Fügesystems ergibt sich wie folgt. Die Vorrichtung umfasst die oben beschriebenen Bestandteile 1 bis 5. Eine schematische Anordnung zeigt die 1.
Das Schweißprozessgerät 12 regelt den Schweißprozess 11. Die Regelung im Schweißprozessregler 22 ist abhängig von Steuerungsparametern und Kennlinien, welche währende dem Schweißprozess angepasst werden können.
Der Schweißprozess wird durch die Aufzeichnung von Prozesssignale 1 bis n durch die Prozessparameter 26 erfasst. Bei den erfassten Prozesssignalen handelt es sich um Strom und Spannung des Lichtbogens und um weitere externe Sensoriken, welche nicht am Schweißbrenner angebracht sein müssen. Dies kann beispielsweise ein Körperschallsensor oder Luftschallsensor oder Ultraschallsensor sein, welcher jeweils an der Spannvorrichtung 50 eines Bauteils 14 angebracht werden kann. Die Prozesssignale werden in Echtzeit an einen Beobachter der Auswertevorrichtung 27 übertragen.
Grundsätzlich sind hier aber alternativ zu dem klassischen Lichtbogenschweißen auch alle anderen Fügeprozesse denkbar.
Die Robotersteuerung regelt die Position des Roboters 42 mittels eines Positionsreglers 45, sodass der Schweißbrenner einen definierte Bewegungspfad 43 abfährt.
Der Beobachter 28 enthält ein Beobachtermodell 29 des Schweißprozesses 11. Anhand der Prozesssignale aus den Prozessparametern 26 berechnet der Beobachter den tatsächlichen Zustand des Schweißprozesses, insbesondere die Bauteilesituation 30'. Beispielsweise werden geometrische Bauteilgrößen wie die Spaltbreite 20 zwischen zwei Blechen oder der Versatz oder Brenneroffset 19 des Schweißbrenners zum Bauteil 14 aus den Prozesssignalen rekonstruiert. Dieser Prozesszustand wird dann an eine übergeordnete Regelung in der Regelvorrichtung 32 übertragen.
Die Regelvorrichtung 32 stellt einen übergeordneten Regler für Bahn und Steuerungsparameter dar. Der übergeordnete Regler erfasst die Prozessinformationen des Prozess-Beobachters und berechnet daraus die Abweichung zu den Sollwertvorgaben für das jeweilige Bauteil, wie sie durch die Daten der Sollbauteilesituation 38 beschrieben ist. In Abhängigkeit dieser Abweichungen berechnet der übergeordnete Regler die angepassten Bewegungsparameter 40 für eine angepasste Roboterbahn und angepasste Steuerungsparameter für das Schweißprozessgerät. Diese angepassten Sollwerte werden dann in Echtzeit an die Robotersteuerung des Positionsreglers 45 und den Schweißprozessregler 22 des Schweißprozessgeräts 12 übertragen, um den übergeordneten Regelkreis 36 zu schließen.
Die Prozessparameter, die die Sensorsignale beschreiben basieren bevorzugt auf mehreren Sensoren (insbesondere Schall, Licht, Strom, Spannung) und die Auswertevorrichtung 27 verknüpft diese miteinander. Dabei erkennt sie Muster in den Signalverläufen mittels trainierter Modelle, z.B. künstlicher neuronaler Netzwerke.
Damit ergibt sich bevorzugt ein Schweißsystem, umfassend:

- ein Schweißprozessgerät zur Durchführung eines Schweißprozesses an Bauteilen unter Berücksichtigung vorgegebener Parameter,
- einen Roboter zum Bewegen des Schweißprozessgerätes längs eines vorgegebenen Bewegungspfades,
- eine Vorrichtung zur Erfassung von beim Schweißprozess vorliegenden aktuellen Prozessparametern,

Das Schweißsystem ist bevorzugt zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter Stromwerte und Spannungswerte des Schweißprozessgerätes umfassen.
Das Schweißsystem ist bevorzugt zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter eine optisch ermittelte Position umfassen.
Das Schweißsystem ist bevorzugt zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle geometrische Bauteilesituation eine Spaltbreite zwischen zwei zu verschweißenden Bauteilen umfasst.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie ein Fügeprozesssystem mit einer Anordnung zur Rückführung von Fügeprozessinformationen zur Robotersteuerung bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012210012 A1 [0006]
WO 2008/019708 A1 [0007]
EP 2062674 A1 [0008]
DE 69816839 T2 [0009]
US 4943701 A [0010]

Claims

Fügesystem, umfassend: - ein Fügeprozessgerät (12) zur Durchführung eines Fügeprozesses (11) an Bauteilen (14) unter Berücksichtigung vorgegebener Fügeparameter (34), - einen Roboter (42) zum Bewegen des Fügeprozessgerätes (12) längs eines durch Bewegungsparameter vorgegebenen Bewegungspfades (43), - wobei ein Positionsregler (45) des Roboters (42) dazu eingerichtet ist, für eine geometrische Sollbauteilesituation (38) ausgelegte Bewegungsparameter zu empfangen und zu speichern, und - eine Erfassungsvorrichtung (49) zur Erfassung von während des Fügeprozesses erzeugten, aktuellen Prozessparametern (26), dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung (27) vorhanden ist, welche dazu ausgebildet ist, anhand der erfassten Prozessparameter (26) eine tatsächliche, aktuelle geometrische Bauteilesituation (30') zu ermitteln, und eine Regelvorrichtung (32) vorhanden ist, welche dazu ausgebildet ist, basierend auf der aktuellen geometrischen Bauteilesituation (30') angepasste Bewegungsparameter (40) für den Bewegungspfad neu zu berechnen, um toleranzbedingte geometrische Abweichungen von der Sollbauteilesituation (38) derart auszugleichen, dass für die aktuelle geometrische Bauteilesituation (30') ein vorbestimmtes Qualitätsmaß (37) des Fügeprozesses beibehalten bleibt, falls eine Abweichung der aktuellen Bauteilesituation (30') von der Sollbauteilesituation (38) größer als ein vorbestimmtes Mindestmaß ist, und in diesem Fall während des Bewegens des Fügeprozessgerätes in dem Positionsregler (45) des Roboters (42) die aktuell verwendeten Bewegungsparameter (47) durch die angepassten Bewegungsparameter (40) zu ersetzen.
Fügesystem nach Anspruch 1, wobei durch die Erfassungsvorrichtung, die Auswertevorrichtung (27) und die Regelvorrichtung (32) ein äußerer Regelkreis (36) bereitgestellt ist, welcher durch die angepassten Bewegungsparameter (40) dynamische angepasste Sollwerte für den Positionsregler (45) des Roboters (42) erzeugt und hierbei das Qualitätsmaß (37) in einen vorbestimmten Toleranzbereich einregelt.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung (32) dazu eingerichtet ist, die angepassten Bewegungsparameter (40) durch eine Translation und/oder Rotation des durch die für die geometrische Sollbauteilesituation (38) ausgelegten Bewegungsparameter vorgegebenen Bewegungspfades (43) zu erzeugen, um einer toleranzbedingten Welligkeit zumindest eines der Bauteile (14) und/oder zumindest einer Schnittlinie zu folgen.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung (32) dazu eingerichtet ist, die angepassten Bewegungsparameter (40) und/oder angepasste Fügeparameter (34) durch Neuberechnen eines veränderten Fügeprozesses zu erzeugen, um eine in der Sollbauteilesituation (38) unvorhergesehene Form und/oder Blechdicke eines Werkstoffs zumindest eines der Bauteile (14) zu berücksichtigen.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung (32) zusätzlich dazu eingerichtet ist, zu erkennen, dass auch mittels angepasster Bewegungsparameter (40) ein vorbestimmter Toleranzbereich für das Qualitätsmaß (37) unhaltbar ist, und in diesem Fall angepasste Fügeparameter (34) zu erzeugen und in dem Fügeprozessgerät einzustellen.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozessparameter (26) Strom- und/oder Spannungswerte des Fügeprozessgerätes umfassen.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozessparameter (26) zumindest einen der folgenden umfassen: eine optisch ermittelte Position, einen Ultraschall, einen Luftschall, einen Körperschall.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertevorrichtung (27) einen Beobachter (28) umfasst, der dazu eingerichtet ist, den Fügeprozess mittels eines Prozessmodells nachzubilden und in Abhängigkeit von einer mittels des Prozessmodells modellierten Bauteilesituation (30') prädizierte Prozessparameter (26) bereitzustellen und durch Anpassen der modellierten Bauteilesituation (30') die prädizierten Prozessparameter (26) an die erfassten Prozessparameter (26) anzugleichen, um somit die aktuelle Bauteilesituation (30') zu ermitteln.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fügeprozess ein Schweißprozess (11) zum Verschweißen der Bauteile (14) ist und das Fügeprozessgerät ein Schweißprozessgerät (12) ist.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktuelle geometrische Bauteilesituation (30') eine Spaltbreite (20) zwischen zwei zu verschweißenden Bauteilen (14) und/oder einen Brenneroffset (19) und/oder eine Relation zwischen Soll- und Ist-Brennerposition und/oder eine Relation zwischen Brennerposition und Fügestelle umfasst.
Fügesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Protokollierungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, anhand der Abweichungen eine Qualitätsüberwachung des Fügeprozesses und/oder zumindest eines dem Fügeprozess vorgelagerten Fertigungsprozesses in einem Fertigungsgeräts (21) durchzuführen und/oder den vorgelagerten Fertigungsprozess anzupassen.
Verfahren zum Betreiben eines Fügesystem, wobei - ein Fügeprozessgerät einen Fügeprozess an Bauteilen (14) unter Berücksichtigung vorgegebener Fügeparameter (34) durchführt, - ein Roboter (42) das Fügeprozessgerät längs eines durch Bewegungsparameter vorgegebenen Bewegungspfades bewegt, - wobei ein Positionsregler (45) des Roboters (42) dazu eingerichtet ist, für eine geometrische Sollbauteilesituation (38) ausgelegte Bewegungsparameter zu empfangen und zu speichern, und - eine Erfassungsvorrichtung während des Fügeprozesses erzeugte, aktuelle Prozessparameter (26) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung (27) anhand der erfassten Prozessparameter (26) eine tatsächliche, aktuelle geometrische Bauteilesituation (30') zu ermittelt, und eine Regelvorrichtung (32) basierend auf der aktuellen geometrischen Bauteilesituation (30') angepasste Bewegungsparameter (40) für den Bewegungspfad neu berechnet, um toleranzbedingte geometrische Abweichungen von der Sollbauteilesituation (38) derart auszugleichen, dass für die aktuelle geometrische Bauteilesituation (30') ein vorbestimmtes Qualitätsmaß (37) des Fügeprozesses beibehalten bleibt, falls eine Abweisung der aktuellen Bauteilesituation (30') von der Sollbauteilesituation (38) größer als ein vorbestimmtes Mindestmaß ist, und in diesem Fall während des Bewegens des Fügeprozessgerätes in dem Positionsregler (45) des Roboters (42) die aktuell verwendeten Bewegungsparameter (47) durch die angepassten Bewegungsparameter (40) ersetzt.