DE19615069A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachführen von Werkzeugen mittels Kantenverfolgung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachführen von Werkzeugen mittels Kantenverfolgung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Es ist beispielsweise beim Laserschweißen von Überlapp­ nähten und Kehlnähten in der Automobilindustrie bekannt (W. Weidlich, Laser in der Technik, Laser 93, Springer-Ver­ lag, 1993; E. U. Beske, Untersuchungen zum Schweißen mit ND: YAG-Laserstrahlung, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 2: Fertigungstechnik, VDI-Verlag), den Laserstrahl in einer feststehenden Strahlquelle zu generieren und über einen fle­ xiblen Lichtwellenleiter zu einer Bearbeitungsoptik zu füh­ ren. Dadurch ist eine 3D-Naterialbearbeitung mit vergleichs­ weise geringem Aufwand realisierbar. Dabei wird die Bearbei­ tungsoptik von einem Industrie-Roboter entlang einer program­ mierten Bahn über die zu verschweißende Naht geführt. Da es sich bei dem Werkstück um ein toleranzbehaftetes Blechform­ teil handelt und der fokussierte Laserstrahl mit geringen Toleranzen entlang der Kante der zu verschweißenden Blech­ formteile positioniert werden muß, entstehen Probleme, welche einen Handlungsbedarf im Bereich der Bahnkorrektur hervorru­ fen.

Bestehende Kantenverfolgungssysteme (K. Bartel, W. Trun­ zer, Sensor verfolgt die Schweißbahn, Laserpraxis 10/94; D. Schmidt, K. Sichler, E. Nichalak, Robotertechnik: Sensorun­ terstützte Bahnprogrammierung beim Laserschweißen mit Robo­ ter, Springer-Verlag 92, Nayak, N.; Ray, A.: Intelligent Seam Tracking for Robot Welding; Nitsch, A.: Kaierle, S.: Der Schweißnaht auf der Spur, Roboter 12 (1194) Heft 2) ver­ messen die Lage der Kante mit optischen Verfahren, wie z. B. Linienprojektion und darauf folgende Bildauswertung. Sie kor­ rigieren dann die Fokuspunktlage, indem der berichtigende Versatz der programmierten Vorschubbewegung überlagert wird. Dies führt zu hohem Rechenaufwand innerhalb der Robotersteue­ rung und damit zu steigenden Kosten bei der Investition der Rechner-Hardware und Rechner-Software. Auch das optische Meß­ system selbst benötigt zur Bildauswertung eine hohe Rechner­ leistung und eine regelmäßige Wartung der bildaufnehmenden Komponenten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachführung von Werkzeugen der eingangs genannten Art anzugeben, die einen einfachen Aufbau, eine einfache Bedienbarkeit und eine kostengünstige Herstellung ermöglichen, und mit denen Toleranzen der Werk­ stückgeometrien auf einfache Weise kompensierbar sind und der Programmieraufwand für das Handhabungsgerät (beispielsweise Roboter) verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Ansprüchen 1 und 3 gelöst.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird eine zwei- als auch dreidimen­ sionale Kantenverfolgung ermöglicht. Die Position der Kante wird in der Verfahrbewegung vor laufend mit einem taktilen Meßtaster aufgenommen und in einer Regelelektronik so ver­ arbeitet, daß in Richtung zweier Zusatzachsen die Position des Bearbeitungswerkzeuges nachführbar ist, ohne das Handha­ bungsgerät zu beeinflussen. Die Nachführung erfolgt dabei mit hoher Geschwindigkeit. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung kann der Aufwand zur Programmierung des Handhabungsgerätes bei neuen Bearbeitungsgeometrien stark verringert werden, da eine geringe Anzahl von Stützpunkten ausreicht, um den Meßta­ ster an der Kante entlangzuführen. Weiterhin können Toleran­ zen der Werkstoffgeometrie auch in der vollautomatisierten Fertigung kompensiert werden. Die Erfindung ermöglicht eine Nachrüstung bekannter Vorrichtungen, wobei eine Modifikation der Handhabungssteuerungen nicht notwendig ist. Weitere Vor­ teile bestehen im einfachen mechanischen Aufbau der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung, in der einfachen Bedienbarkeit der Vorrichtung und in geringen Herstellungskosten.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines in der bei­ gefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer Vorrich­ tung zum Nachführen von Werkzeugen mittels Kan­ tenverfolgung und

Fig. 2 eine schematische Rückansicht der Vorrichtung nach Fig. 1.

Gleiche Bauteile in den Figuren der Zeichnung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung 2 zur Nachführung von Werkzeugen mittels Kantenverfolgung, die aus mehreren Komponenten besteht.

Auf einer Grundplatte 4, welche an einer nicht dar­ gestellten, die Vorrichtung 2 in Vorschubrichtung (X-Achse) verfahrenden Handhabungsvorrichtung, beispielsweise einem Roboter, befestigt ist, sind ein Werkzeug 5 (hier beispiels­ weise ein Laserbearbeitungskopf), ein sensorischer Teil 6 und ein aktiv korrigierender Teil 8 angeordnet, welche über eine Regeleinrichtung 10 miteinander verbunden sind, welche nicht vom Roboter mitgeführt wird, sondern über Kabel angeschlossen ist.

Der sensorische Teil 6 umfaßt einen Meßtaster 12 als tak­ tilen Sensor mit mechanischem, mittels Feder 13 vorgespanntem Taster 14, welcher schleppend in einem definierten Abstand A zur Bearbeitungsstelle 16 an einer Kante 18 zwischen zwei beispielsweise zu verschweißenden Blechformteilen 20 und 22 vorlaufend entlanggeführt wird, und einen 2 D-Wegaufnehmer 24.

Der aktiv korrigierende Teil 8 umfaßt einen ersten Notor 26 mit Getriebe 28 und Kurbeltrieb 30 zur Linearbewegung des Werkzeuges 5 in Z-Richtung 31 (Z-Achse), um so beispielsweise die Fokuslage eines Laserstrahles zu korrigieren, und einen zweiten Notor 32 mit Getriebe 34 und Kurbeltrieb 36 zur Bewe­ gung des Werkzeuges quer zur Kante 18, also quer zur Bearbei­ tungsrichtung, wobei die Querbewegung (Y-Achse 38) durch Ver­ kippen des Werkzeuges um die Y-Achse erfolgt, um die Position des Bearbeitungspunktes (beispielsweise des Schweißpunktes) entlang der Kante, beispielsweise der zu verschweißenden Naht zu führen.

Das Werkzeug 5, am dargestellten Beispiel der Laser-Be­ arbeitungskopf, ist starr mit dem Meßtaster 12 gekoppelt.

Die Vorrichtung 2 arbeitet wie folgt:
Ein Bearbeitungswerkzeug 5, beispielsweise eine Laser­ schweißeinrichtung, wird von einer Handhabungsvorrichtung, beispielsweise einem Roboter, entlang einer Bearbeitungsbahn, beispielsweise einer zu verschweißenden Naht 40 eines Werk­ stückes 42 geführt. Während der Verfahrbewegung in X-Rich­ tung, beispielsweise durch die Handhabungsvorrichtung, wird der Ist-Verlauf der Kante 18 und damit am dargestellten Bei­ spiel die reale Position der zu schweißenden Naht 40 des Werkstückes 42 vor laufend mit Hilfe des Meßtasters 12 aufge­ nommen. Die Meßdaten werden in der Regeleinrichtung 10 mit der vorgegebenen Position der vorprogrammierten Bearbeitungs­ bahn verglichen und ausgewertet. Die Regeleinrichtung erzeugt Regelsignale, die die beiden Notoren 26 und 32 steuern, wel­ che die Position des Werkzeuges 5 nachführen. Senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes 42 erfolgt dabei eine Nachführung der Höhenlage (Z-Achse) des Werkzeuges 5 durch eine Linearbe­ wegung des Werkzeuges; quer zur Bearbeitungsrichtung (Y-Ach­ se) erfolgt eine Nachführung des Werkzeuges durch eine Ver­ kippung, siehe Pfeil 44 in Fig. 2. Wenn sich die Position des Tasters 14 während des Bearbeitungsprozesses (beispielsweise während des Schweißvorganges) in Z- oder Y-Richtung verän­ dert, führen die beiden Motoren 26 und 32 über die Zusatz­ achsen in Z- oder Y-Richtung das Werkzeug nach bzw. führen eine entsprechende Korrekturbewegung des Werkzeuges mit hoher Geschwindigkeit durch. Der maximale Verstellbereich der Zu­ satzachsen (Y- und Z-Achse) wird durch die Kraftübertragung mit einem Kurbeltrieb an der Abgangswelle des jeweiligen Ge­ triebes 28, 34 begrenzt.

Beispielsweise konnten beim Laserstrahlschweißen mit ei­ nem Nd:YAG-Laser, der einen Fokusdurchmesser von 0,6 mm auf­ wies, Kehlnähte mit einer Blechdicke von 1 mm mit einer Ge­ schwindigkeit von 2,5 m/min mit hoher Qualität gefügt werden. Der eingesetzte Roboter als Handhabungsgerät führte dabei eine lineare Verfahrbewegung aus, und der Bearbeitungskopf des Laserschweißgerätes wurde allein durch die Zusatzachsen (Z- und Y-Achse) entlang der gekrümmten Kehlnaht nachgeführt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Nachführen von Werkzeugen mittels Kanten­ verfolgung an einem zu bearbeitenden Werkstück, bei dem das Werkzeug oder das Werkstück entlang einer von einer Handha­ bungsvorrichtung ausgeführten Bearbeitungsbahn bewegt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - zweiachsige Messung des Verlaufs der Kante an dem zu bearbeitenden Werkstück,
• - Vergleich des gemessenen Verlaufs mit der vorgegebenen Position der Bearbeitungsbahn und
• - Nachführen des Werkzeuges oder Werkstückes in Abhängig­ keit vom Vergleichsergebnis.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Kante in zwei voneinander unabhängigen Achsen quer zur Bearbeitungsbahn (Vorschubrichtung der Handhabungsvorrichtung) gemessen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

• - einen an der Kante (18) des Werkstückes (42) entlangge­ führten Meßtaster (12) zur Erfassung der Ist-Lage der Kante und
• - eine Regeleinrichtung (10), die mit dem Meßtaster (12) verbunden ist und die Meßdaten des Meßtasters (12) mit der vorgegebenen Position der von der Handhabungsvor­ richtung ausgeführten Bearbeitungsbahn vergleicht und auswertet und Regelsignale erzeugt, die

einer Antriebseinrichtung (26, 28, 30; 32, 34, 36) zu­ geführt werden zum Nachführen des Werkzeuges (5) senk­ recht (Z-Achse) zur Oberfläche des Werkstückes (42) und/oder quer (Y-Achse) zur Bearbeitungsrichtung des Werkzeuges in Abhängigkeit von der erfaßten Ist-Lage der Kante des Werkstückes (42).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster (12) einen mechanischen Taster (14) aufweist, welcher in einem bestimmten Abstand (A) zur Bearbeitungsstel­ le des Werkzeuges (5), der Bearbeitungsstelle vorlaufend an­ geordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (14) schleppend oder stechend angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung einen ersten Motor (26) mit Getriebe (28) und Kurbeltrieb (30) zum Nachführen des Werkzeuges (5) senkrecht zur Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes (42) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebseinrichtung einen zweiten Notor (32) mit Getriebe (34) und Kurbeltrieb (36) zum Nachführen des Werk­ zeuges (5) quer zur Bearbeitungsrichtung des Werkzeuges auf­ weist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebseinrichtung (26, 28, 30; 32, 34, 36) das Werkzeug (5) durch Linear- oder Kippbewegung nachführt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der maximale Verstell- bzw. Nachführbereich durch Kraftübertragung mit einem Kurbeltrieb an der Abgangs­ welle des jeweiligen Getriebes (28, 34) begrenzt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Nachführen von der Handhabungsvorrichtung des Werkzeuges getrennt angeordnet ist.