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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Schweißen
zweier Werkstücke
mit einer Schweißoptik,
bei dem ein erstes Werkstück
mit Hilfe eines verschieblichen Anpresselements gegen ein zweites Werkstück gepresst
wird, gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 8.
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In der Automobilindustrie werden
zum Verschweißen
von Karosserieblechen verstärkt
Laserschweißverfahren
eingesetzt, da es sich um ein hochgenaues und sehr schnelles Fügeverfahren handelt.
Allerdings muss bei den meisten Anwendungen eine relativ aufwendige
Spanntechnik vorgesehen werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit der
Verfahren teilweise wieder eingeschränkt wird.
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Aus der gattungsbildenden DE ...
(noch nicht veröffentlicht,
amtl. Aktz. 10218179.9-45) ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum Spannen zweier Werkstücke
bekannt, die durch ein Schweißverfahren
verbunden werden sollen. Die Vorrichtung umfasst ein Anpresselement,
welches eines der beiden Werkstücke
relativ zu dem anderen Werkstück
bewegt und dabei abwechselnd einen Nullspalt und einen Entgasungsspalt
zwischen den Werkstücken
erzeugt. Die Relativbewegung zwischen den Werkstücken ist dabei kraft- und/oder
weggesteuert.
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Die separate Steuerung für das Anpresselement,
welche in der Regel durch eine pneumatische Lineareinheit erfolgt,
benötigt
jedoch noch einen gewissen zusätzlichen
Bauraum.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren vorzuschlagen, bei dem mit minimalem Bauraum die Werkstücke qualitativ
hochwertig, verzugsarm und reproduzierbar zum Schweißen relativ zueinander
eingespannt werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist der Vorschlag einer Vorrichtung,
mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 und 8 gelöst.
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Danach wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches
durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: Eine
vom Anpresselement auf das erste Werkstück auszuübende Soll-Kraft wird fest vorgegeben.
Prozessbegeleitend wird die vom Anpresselement auf das erste Werkstück ausgeübte Ist-Kraft
gemessen. Bei Abweichungen der Ist-Kraft von der Soll-Kraft wird
das Anpresselement näherungsweise
senkrecht zur Schweißnaht
kontinuierlich so verschoben, dass die Ist-Kraft der Soll-Kraft
entspricht. Dabei wird die Schweißoptik gemeinsam mit dem Anpresselement
verschoben.
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Durch die Tatsache, dass die Kraft,
mit der die Werkstücke
vom Anpresselement aufeinandergepresst werden, geregelt wird, ist
eine präzisere
Einstellung der Spanntechnik als bei einer reinen Steuerung, wie
sie in dem gattungsgemäßen Verfahren vorgesehen
ist, möglich.
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So können die Bleche mit einer definierten Vorspannkraft
gegeneinander eingespannt werden. Diese Soll-Kraft kann während des
gesamten Verfahrens konstant vorgegeben werden. Alternativ kann vorher
ein Kraftprofil abgelegt werden. Diese Vorspannkraft kommt dann
vorteilhaft zum Einsatz, wenn der durch die Wärmeeinbringung beim Schweißen entstehende
Verzug der Werkstücke
ausgeglichen werden soll.
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Die Spanntechnik ist sehr einfach
gegenüber der
gattungsgemäßen Einspannung,
da auf einen zusätzlichen
Aktuator für
das Andrückelement
verzichtet werden kann durch die Tatsache, dass Schweißoptik und
Anpresselement gemeinsam verschoben werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Fügespalt
zwischen den Werkstücken
eingestellt. Dabei wird die aktuelle Höhe des Fügespaltes prozessbegleitend
gemessen. Bei Abweichungen der aktuellen Höhe von einer Soll-Höhe des Fügespaltes
wird die Soll-Kraft, der Eingang des unterlagerten Kraftregelkreises,
solange verändert,
bis Soll-Höhe
und aktuelle Höhe übereinstimmen
(Anspruch 2).
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Da für die Einstellung der Spalthöhe neben dem
Kraftregelkreis ein zusätzlicher, übergeordneter Regelkreis
vorgesehen ist, ist gegenüber
dem gattungsgemäßen Verfahren
eine hohe Präzision
und Reproduzierbarkeit erzielbar. Ferner ist die Regelung in der
Lage, Bauteil-Ungenauigkeiten und -Unebenheiten auszugleichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders
vorteilhaft beim Schweißen
von mit Zinklegierungen beschichteten Werkstücken einsetzbar. Mit dem Verfahren
können
durch die Einstellung eines definierten Fügespaltes die Probleme gelöst werden, die
auftreten, weil die Verdampfungstemperatur der Beschichtung deutlich
niedriger ist als der Schmelzpunkt des Blechwerkstoffs: In diesem
Fall verdampft der Beschichtungswerkstoff während des Schweißvorgangs,
gelangt in die Metallschmelze und führt so zu einer porösen und
qualitativ schlechten Schweißnaht.
Durch den Fügespalt
zwischen den zu verschweißenden
Bauteilen können
diese Dämpfe
entweichen. Dieser Entgasungsspalt wird ohne bisher verwendete Abstandhalter
oder eine spezielle Profilierung der Blechkanten erzeugt. So wird
eine qualitativ hochwertige Schweißung beschichteter Bleche erzielt
(Anspruch 3).
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Vorteilhafterweise liegt die Höhe des Fügespaltes
im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm. Diese Höhe hat sich beim Schweißen beschichteter
Werkstücke,
insbesondere von Karosserieblechen, als vorteilhaft erwiesen, da
einerseits noch durch beide Bleche durchgeschweißt werden kann und eine Naht-
bzw. Wurzelunterwölbung
verhindert wird. Andererseits ist so die Höhe des Spaltes groß genug, um
für eine
gute Abfuhr der Gase zu sorgen (Anspruch 4).
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Zweckmäßigerweise werden die Verfahrensparameter
so eingestellt, dass die Kraftregelung eine schnellere Dynamik aufweist
als die Regelung der Höhe
des Fügespaltes.
So besitzt der unterlagerte Kraftregelkreis eine Dynamik, die schnell
genug ist, damit sich im Positionsregelkreis für den Spalt die jeweils benötigte Soll-Kraft,
mit der das Anpresselement das erste Werkstück gegen das zweite Werkstück drückt, umgehend
einstellt (Anspruch 5).
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
werden die beiden Werkstücke
durch eine Kehlnaht miteinander verbunden. Alternativ können die
beiden Werkstücke
durch eine Überlappnaht
miteinander verbunden werden. So werden die allgemein üblichen
Nahtgeometrien durch das erfindungsgemäße Verfahren abgedeckt, und
es ergibt sich ein breites Einsatzgebiet (Anspruch 6 und 7).
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Vorgeschlagen wird weiterhin eine
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
welche eine Verschiebeeinheit, eine an der Verschiebeeinheit angebrachte
Schweißoptik,
ein verschiebliches Anpresselement sowie einen Sensor zur Messung
der durch das Anpresselement aufgebrachten Kraft umfasst. Dabei
sind die Schweißoptik und
das Anpresselement starr miteinander verbunden. Auf diese Weise
kann eine im Vergleich zur gattungsgemäßen Vorrichtung kompakte Bauweise
mit dementsprechend geringem Bauraum erreicht werden, da Schweißoptik und
Anpresselement gemeinsam verschoben werden können. Somit entfällt der zusätzliche
Aktuator für
das Anpresselement (Anspruch 8).
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Ferner ist der Kraft-Sensor in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
weniger anfällig
gegenüber Störungen und
Ausfällen
als der in der gattungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehene Sensor, da der Sensor direkt zwischen Verschiebeeinheit
und Anpresselement integriert werden kann.
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Vorteilhafterweise ist als Verschiebeeinheit ein
Roboter vorgesehen. Dieser Roboter bietet eine größtmögliche Flexibilität beim Schweißen der
Werkstücke,
da er Bewegungen der Schweißoptik
in allen Freiheitsgraden erlaubt (Anspruch 9).
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Zweckmäßigerweise, umfasst die Vorrichtung
einen Spaltsensor zur Messung der aktuellen Höhe des Fügespaltes in einem Schweißbereich.
So kann das erfindungsgemäße Verfahren
zur Einstellung eines bestimmten Fügespaltes zwischen den Werkstücken verwendet
werden (Anspruch 10).
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
ist als Spaltsensor ein optischer Triangulationssensor vorgesehen.
Diese Sensoren sind kommerziell erhältlich und befinden sich in
weitem industriellen Einsatz (Anspruch 11).
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Alternativ ist als Spaltsensor ein
Ultraschallsensor vorgesehen. Dieser Sensor ist nicht so empfindlich
gegenüber
Verschmutzungen wie beim Schweißen
entstehenden Spritzern wie ein optischer Sensor. Ferner kann er
direkt in den Schweißkopf
integriert werden, was den Bauraum der Vorrichtung noch einmal deutlich
verringert (Anspruch 12).
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile
der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung
anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zum Schweißen
zweier Werkstücke,
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2 einen
Regelkreis zur Regelung. der Kraft,
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3 eine
alternative Ausführungsform
der Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens mit gleichzeitigem Einstellen eines Fügespaltes,
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4 einen
Regelkreis zur Regelung der Höhe
des Fügespaltes
sowie
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5 zwei
Werkstücke
bei der Durchführung
des Verfahrens.
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1 zeigt
einen Aufbau einer Vorrichtung 1 zum Schweißen zweier
Werkstücke, 2,3 mit
Hilfe einer Laser-Schweißoptik 4 entlang
einer Schweißnaht 5.
Die Vorschubrichtung liegt dabei parallel zur Zeichenebene. Die
Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Verschiebeeinheit 6 und
ein verschiebliches Anpresselement 7. Das Anpresselement 7 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Andrückrolle,
es kann aber auch als Kufe oder als Kugel ausgestaltet sein. Zwischen
der Verschiebeeinheit 6 und der Schweißoptik 4 ist ein Kraft-Momenten-Sensor 8 angeordnet.
Der Kraft-Momenten-Sensor 8 misst die Kraft, die näherungsweise
senkrecht zur Schweißnaht 5 auftritt. Schweißoptik 4 und
Anpresselement 7 sind starr miteinander verbunden und werden
gemeinsam durch die Verschiebeeinheit 6 bewegt. Die Verschiebeeinheit 6 ist
beispielsweise ein sechsachsiger Roboter 9 in Knickarmbauweise,
mit dessen Endeffektor Schweißoptik 4 und
Anpresselement 7 verbunden sind. Es können aber auch Verschiebeeinheiten 6 mit weniger
Freiheitsgraden vorgesehen werden, zum Schweißen einer geraden Naht sind
theoretisch auch zwei Freiheitsgrade, wie sie z.B. ein Roboter 9 in
Portalbauweise aufweist, ausreichend.
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Die Vorrichtung 1 umfasst
ferner eine Regeleinheit 10, in der die Software beziehungsweise
der implementierte Regelalgorithmus zur Durchführung des Verfahrens abgelegt
ist. Wird ein Roboter 9 als Verschiebeeinheit 6 verwendet,
so ist diese Regeleinheit 10 in eine Steuereinheit 11 des
Roboters 9 integriert.
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2 illustriert
schematisch einen Kraftregelkreis 12, nach dem das Verfahren
ab häuft:
Das Verfahren setzt sich aus den folgenden Schritten zusammen: Während des
Schweißens
der beiden Werkstücke 2,3 sollen
die Werkstücke 2,3 mit
einer definierten Kraft, einer Soll-Kraft 13 aufeinandergepresst
werden. Diese Soll-Kraft 13 wird vorher fest vorgegeben
und bleibt während
des Schweißvorgangs
konstant bzw. wird, wie weiter unten beschrieben, nach einem in
der Regeleinheit 10 abgelegten Kraftprofil verändert.
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Der Kraft-Momenten-Sensor 8 misst
während
der Dauer des Verfahrens eine Ist-Kraft 14, mit der das
Anpresselement 7 das erste Werkstück 2 näherungsweise
senkrecht zur Schweißnaht 5 gegen das
zweite Werkstück 3 drückt. Diese
Ist-Kraft 14 wird von der Soll-Kraft 13 subtrahiert.
Die sich dabei ergebende Kraftdifferenz 15 wird in dem
geschlossenen Kraftregelkreis 12 durch einen Kraftregler 16 ausgeregelt.
Dabei ist der Eingang des Kraftreglers 16 die Kraftdifferenz 15 und
die Stellgröße, also
der Ausgang des Kraftreglers 16, ein Vorschub 17,
um den das Anpresselement 7 in der Richtung senkrecht zu
den Werkstücken 2,3 bewegt
wird. Diese Vorschubbewegung erfolgt hier nicht über eine separate Bewegung
des Anpresselements 7, vielmehr verschiebt die Verschiebeeinheit 6 Anpresselement 7 und
Schweißoptik 4 gemeinsam.
Handelt es sich bei der Verschiebeeinheit 6, wie oben erwähnt, um
einen Roboter 9, so wird die benötigte Vorschubbewegung durch
eine entsprechende Bewegung der Roboterachsen erreicht. Die benötigte Kraft,
mit der die Werkstücke 2, 3 aufeinandergepresst
werden, wird somit nicht über
eine Lineareinheit zur Verschiebung des An presselements 7,
sondern über
den Roboter 9 selber aufgebracht.
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Bei dem Kraftregler 16 kann
es sich um einen linearen, im industriellen Einsatz weit verbreiteten
Regler handeln, beispielsweise um einen PID-Regler. Es können natürlich auch
komplexere, nichtlineare Regler zum Einsatz kommen. Die Wahl und
die Parametrierung des Reglers hängt
vor allem von der benötigten
Genauigkeit, Schnelligkeit und Robustheit der Regelung ab.
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Das beschriebene Verfahren kann zum
Beispiel eingesetzt werden, um den Wärmeverzug der Werkstücke 2,3 zu
verhindern, der normalerweise beim Schweißen durch die dabei in die
Werkstücke 2,3 eingebrachte
Wärme entsteht.
Dazu werden die beiden Werkstücke 2,3 unter
einer bestimmten Vorspannkraft zusammengepresst. Diese Vorspannkraft kann
in Abhängigkeit
von der Bauteilgeometrie im Vorfeld als Kraftprofil als Funktion
der Schweißnahtlänge in der
Regeleinheit 10 abgelegt werden oder gegebenenfalls als
konstante Soll-Kraft 13 vorgegeben werden.
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In 3 ist
eine alternative Ausführungsform der
Vorrichtung 1 dargestellt. Gegenüber der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 ist
sie um 90° gedreht
gezeigt, so dass die Vorschubrichtung senkrecht zur Zeichenebene
verläuft.
Mit dieser Vorrichtung 1 soll zwischen den beiden Werkstücken 2,3 ein
Fügespalt 18 eingestellt
werden. Dieser Fügespalt 18 wird
vor allem dann benötigt,
wenn die beiden Werkstücke 2,3 eine
Beschichtung 19 aus einem Werkstoff aufweisen, dessen Verdampfungstemperatur
unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs der Werkstücke 2,3 liegt.
Dann müssen
die Dämpfe
durch den Fügespalt 18 entweichen
können.
Die Höhe
dieses Fügespaltes 18 darf
nur in relativ engen Grenzen (0,1-0,3mm) variieren, muss also hochgenau
eingestellt werden.
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Im Vergleich zu der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 ist
bei dieser Vorrichtung 1 der Kraft-Momenten-Sensor 8 bei spielhaft
an einer anderen Stelle angeordnet. Der Kraft-Momenten-Sensor 8 ist so steif
ausgelegt, dass zwischen Schweißoptik 4 und
Anpresselement 7 eine starre Verbindung existiert. Ferner
umfasst die Vorrichtung 1 einen Spaltsensor 20,
der in diesem Ausführungsbeispiel an
der Schweißoptik 4 angebracht
ist. Der Spaltsensor 20 kann aber auch in das Anpresselement 7 integriert
sein. Als Messprinzip wird dabei beispielsweise ein optisches Triangulationsverfahren
oder Ultraschall verwendet.
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Ein Spaltsensor 20, der
nach. dem Triangulationsprinzip arbeiten, muss immer seitlich so
an der Vorrichtung 1 angebracht werden, dass er den Fügespalt 18 zwischen
den Werkstücken 2,3 aus
einer schrägen
Position erfassen kann. Dabei wird durch eine Kamera unter einem
Winkel eine von einem Laserstrahl in den Fügespalt 18 projizierte
Linie gemessen und anhand des Versatzes der Projektion bei bekannter
Größe des Winkels
auf die tatsächliche
Höhe des
Fügespaltes 18 geschlossen.
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Ein Ultraschallsensor hingegen kann
auch senkrecht direkt über
der Schweißnaht 5 angebracht sein,
also z.B. in die Schweißoptik 4 integriert
sein. Er misst die Reflexionen des von ihm ausgesendeten Schalls
der beiden Werkstücke 2,3.
Dadurch kann auf die Höhe
des Fügespaltes 18 geschlossen
werden. Infolgedessen kann ein Ultraschallsensor auch bei Kehlnähten und
bei Überlappnähten eingesetzt werden.
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Die Werkstücke 2,3 sind
von ihrer Geometrie so ausgelegt, dass sie beim Zusammenbringen
von vornherein einen Spalt aufweisen, der durch Zusammenpressen
durch das Anpresselement 7 auf die gewünschte Höhe verkleinert wird.
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In 4 ist
ein Positionsregelkreis 21 gezeigt, mit dem die gewünschte Höhe für den Fügespalt 18 mit
hoher Genauigkeit eingestellt werden kann. Als Sollwert für den Positionsregelkreis 21 wird ein
Soll-Spalt 22 vor dem Beginn des Schweißverfahrens fest vorgegeben.
Der Spaltsensor 20 misst kontinu ierlich während der
Dauer des Verfahrens einen Ist-Spalt 23, also die aktuelle
Höhe des
Fügespaltes 18.
Eine Spaltdifferenz 24 aus Soll-Spalt 22 und Ist-Spalt 23 ist
die Eingangsgröße eines
Positionsreglers 25. Stellgröße ist eine Soll-Kraft 13,
die zum Einstellen des gewünschten
Soll-Spalts 22 benötigt wird.
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Diese Soll-Kraft 13 ist
dann der Eingang eines unterlagerten Kraftregelkreises 12 (durch
einen gestrichelten Rahmen gekennzeichnet), der dem in 2 dargestellten entspricht.
Im Unterschied zu der oben dargestellten reinen Kraftregelung ist
hier die Soll-Kraft 13 nicht fest vorgegeben, sondern ändert sich
kontinuierlich im Laufe des Verfahrens. In diesem unterlagerten
Kraftregelkreis 12 wird die Soll-Kraft 13 eingestellt,
die benötigt
wird, um einen Fügespalt 18 der
gewünschten
Höhe einzustellen.
In dem überlagerten
Positionsregelkreis 21 für die Spalthöhe spielt
die Steifigkeit 26 der Werkstücke 2,3,
die durch das Anpresselement 7 überwunden werden muss, eine
entscheidende Rolle. Diese Steifigkeit 26 muss jedoch nicht
bekannt sein, da der Fügespalt 18 im
geschlossenen Regelkreis unabhängig davon
auf die exakte Höhe
eingestellt wird. Da die Steifigkeit 26 bei den meisten
industriellen Anwendungen relativ hoch ist, bietet der hier vorgestellte kaskadierte
Positionsregelkreis 21 mit unterlagerter Kraftregelung
gegenüber
einem einfachen Positionsregelkreis die geforderte Genauigkeit für den Fügespalt 18.
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Während
des Verfahrens auftretende Störgrößen 27 werden
durch die Regelung ausgeglichen, so dass über den gesamten Verfahrensablauf
eine konstante Spalthöhe
erreicht wird. Als Störgrößen 27 können auftreten:
Schmutz auf den Werkstücken 2,3, Verzug
der Werkstücke 2,3 durch
Wärmeeinfluss, Kanten,
Beulen oder Knicke in den Werkstücken 2,3. Als
Positionsregler 25 können
auch hier lineare Standardregler oder komplexere Regelgesetze zum
Einsatz kommen. Bei diesem Regelkreis sollte darauf geachtet werden,
dass der unterlagerte Kraftregelkreis 12 von der Dynamik
so ausgelegt wird, dass er deutlich schneller ist als der überlagerte
Positionsregler 25, da es sonst zu instabilem Verhalten
des gesamten Regelkreises kommen kann.
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In 5 ist
sind die beiden Werkstücke 2,3 während der
Durchführung
des Verfahrens in einem Querschnitt dargestellt. Die Werkstücke sollen
durch eine Überlappnaht 28 miteinander
verbunden werden. Das erste Werkstück 2 wird mit einer
Soll-Kraft 13 von
dem Anpresseiement 7 so gegen das zweite Werkstück 3 gedrückt, dass
ein Fügespalt 18 zwischen
den beiden Werkstücken 2,3 entsteht.
Dadurch, dass die beiden Werkstücke 2,3 schon
vor Durchführung
des Verfahrens einen Spalt aufweisen, der durch die Positionsregelung
gezielt auf die gewünschte
Höhe verkleinert
wird, bringen sie durch ihre Steifigkeit 26 eine entgegen
der Vorschubrichtung des Anpresselements 7 gerichtete Gegenkraft auf.
Während
des Verfahrens erfolgt kontinuierlich eine Spaltmessung 29,
in diesem Fall schräg
vom Rand 30 der Werkstücke 2,3 her.
Zu erkennen ist ferner ein von der Schweißoptik 4 erzeugter
Laserstrahl 31, der die beiden Werkstücke 2,3 in
einem Schweißbereich 32,
welcher in etwa der Auftrefffläche
des Laserstrahls 31 auf dem ersten Werkstück 2 entspricht, aufschmilzt
und eine Schweißnaht 5 erzeugt. Schweißoptik 4 und
Anpresselement 7 werden gemeinsam verschoben, so dass im
Schweißbereich 32 immer
die richtige Höhe
des Fügespaltes 18 eingestellt
wird.
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Das Verfahren sowie die Vorrichtung
sind nicht beschränkt
auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Vielmehr müssen die beiden Werkstücke 2,3 nicht
unbedingt eine Beschichtung aufweisen. Das Verfahren eignet sich
auch zum Schweißen
von Werkstücken,
von denen nur eins oder keins mit einer Beschichtung versehen ist.
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Ferner können neben der in den Ausführungsbeispielen
dargestellten Überlappnaht 28 auch andere
Nahtgeometrien erzeugt werden, beispielsweise eine Kehlnaht.