DE19639749C2 - Schweißeinrichtung und Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs sowie ein Verfahren zum Verschweißen.

Es ist bei Schweißeinrichtungen ganz allgemein bekannt, einen Schweißtransformator mit den für den Schweißvorgang notwendigen elektrischen Steuereinrichtungen und einem Vorratsbehälter für Schutzgas auf einem nicht angetriebenen Fahrgestell anzuordnen und einen mit einer Schutzgaseinrichtung ausgestatteten Schweißkopf über elektrische und gasführende Leitungen daran anzuschließen. Der Schweißkopf wird manuell an zu verschweißende Werkstücke herangeführt und während des Schweißvorganges freihändig entlang der zu verschweißenden Schweißnaht fortbewegt. Dieses manuelle Schweißverfahren wird auch an senkrechten und waagrechten Außenwänden von Schienen­ fahrzeugen praktiziert. Von Nachteil ist bei dieser Arbeits­ weise, daß die Qualität der Schweißnaht vom augenblicklichen Geschick des Werkers abhängt, der zudem eine hohe fachliche Qualifikation aufweisen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißein­ richtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs zu schaffen, die einen automatisierten Ablauf des Schweißvorgangs an Schweißnähten ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.

Bei einer Ausgestaltung einer Schweißeinrichtung gemäß der Erfindung wird eine Bearbeitungseinrichtung geschaffen, bei der eine Bearbeitungseinheit mit den für den vorgesehenen Arbeits­ prozess erforderlichen Bearbeitungsgerätschaften ausgestattet ist, wobei wenigstens eine Bearbeitungseinheit auf einem Fahr­ gestell an einem Führungsträger gehalten und zumindest in vertikaler und horizontaler Richtung verstellbar ist. Dadurch können zumindest im wesentlichen parallel bzw. senkrecht zum Führungsträger verlaufende Werkstückpartien bearbeitet werden, die im Bereich der horizontalen Verstellbarkeit des Führungs­ trägers auch geneigt oder uneben sein können. Zur Bearbeitung von Werkstückpartien, die sich in horizontaler Richtung erstrecken, wird der Vorschub der aktivierten Bearbeitungs­ einheit durch entsprechend gesteuertes Fortbewegen des Fahrge­ stells entlang der zu bearbeitenden Werkstückspartie ausge­ führt. Die ggf. autark arbeitende Bearbeitungseinrichtung ermöglicht somit die Verstellung der daran montierten Bearbei­ tungseinheit in einem Koordinatensystem sowohl in x, als auch in y- und z-Richtung. Zur automatischen Positionssteuerung der Bearbeitungseinheit entlang der horizontal, vertikal oder geneigt dazu verlaufenden Werkstückspartie ist zumindest eine Positionsgeber-Sensoreinrichtung vorgesehen, die den Verlauf der zu bearbeitenden Werkstückpartie mechanisch oder optisch abtastet und die Bearbeitungseinheit diesem Verlauf unter Verstellung des Führungsträgers und/oder des Fahrgestells nachführt.

Für einen autarken Betrieb der Bearbeitungseinrichtung kann auf dem Fahrgestell zusätzlich ein mit Brenngas betriebener Verbrennungsmotor mit angekuppeltem elektrischen Generator installiert sein, aus dem die für den Betrieb und die Steuerung der Arbeitsprozesse erforderliche Energie entnommen wird. Es entfallen dadurch elektrische Verbindungskabel zur Einspeisung elektrischer Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz, so daß die Ebene, auf welcher die Bearbeitungseinrichtung rollt und das Werkstück steht, für anderweitige Nutzung frei zugänglich bleibt. Da die jeweilige Bearbeitungseinheit zudem entlang der drei Raumkoordinaten des Werkstücks zu steuern ist, können die Räder des Fahrgestells gummibereift sein, wobei durch Ausbildung einer lenkbaren Achse während der Vorschub­ bewegung des Fahrgestells über einen Abstandssensor die Paral­ lelführung zum Werkstück in ausreichender Weise sichergestellt ist. Dabei werden Unebenheiten in der Ablaufebene des Fahrge­ stells und damit verbundene Neigungsänderungen des Fahrgestells bzw. Führungsträgers über einen der Bearbeitungseinheit zugeordneten taktilen Kontursensor ausgeglichen. Gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück ausgerichtete Führungsschienen, auf welchen die Bearbeitungseinheit entlang des Werkstücks bewegt werden kann, sind dabei nicht erforderlich.

Am Führungsträger ist zumindest ein Schweißwerkzeug angeordnet. Als weitere Bearbeitungseinheit kann daran ein Beschleif­ werkzeug sitzen, das nach dem Schweißvorgang die Schweißnaht blecheben planschleift. Beim Verschweißen von Aluminium ist es dabei zweckmäßig, dem Schweißwerkzeug ein Bürstwerkzeug zuzu­ ordnen, das beim Schweißvorgang von Aluminium dem Schweißwerk­ zeug voreilend die Schweißnaht mechanisch von Oxydschichten freibürstet, um Fehlstellen in der Schweißnaht zu vermeiden. Es ist jedoch auch möglich, das zusammen mit dem Schweißwerkzeug an einem Revolverkopf befestigte Schleifwerkzeug vor dem Schweißvorgang mit einem Bürstkopf zu versehen und Schweißnähte damit über den Kontursensor gesteuert vorzubürsten.

Die Bearbeitungseinheit, die ggf. mehrere Bearbeitungswerkzeuge an einem Revolverkopf trägt, dessen Drehachse in horizontaler Richtung parallel zur Hauptfahrrichtung des Fahrgestells liegt, sitzt vorzugsweise an einem quer zur Hauptfahrrichtung des Fahrgestells horizontal verschiebbaren Querschlitten eines an einer Führungssäule des Führungsträgers höhenverstellbaren Kreuzschlitten. Die Kreuzschlittenposition sowie der Vorschub des Fahrgestells werden dabei abhängig von der Tastposition eines taktilen oder optischen Konturensensors gesteuert. Dabei kann dem Schweißwerkzeug ein eigener Kontursensor zugeordnet sein, der die noch offene Schweißnahtfuge abtastet. Das Bürst- oder Beschleifwerkzeug kann einen eigenen Sensor aufweisen, der in der Schweißnahtfuge oder seitlich neben dem aktuell zu bearbeitenden Werkstückbereich aufsitzen kann und ein blechebenes Abschleifen der Schweißnaht bis auf das Niveau des durch die Schweißnaht unbeeinflußten Seitenwandbereiches des Werkstücks steuert. Der oder die taktilen oder optischen Sensoren können dabei nach Art eines Joy-Stick-Steuergeräts ausgebildet sein, dessen Steuerhebel als mechanischer Tastfühler den zu bearbeitenden Werkzeugbereich abfühlt und dessen Positionsgeber Steuersignale für die Verstellung des Führungsträgers und/oder des Fahrgestellvorschubs generiert.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer perspektivischen Prinzipskizze näher erläutert.

Auf einer quasi planen, durch einen Boden einer Werkhalle gebildeten Ebene 1 steht ein aus mehreren Wandungselementen 2 geheftet zusammengefügter Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs auf mehreren Stützen 3. An Stützen 3 ist unterhalb einer senkrechten Längsseitenfront aus mehreren nebeneinander gesetzten Wandungselementen 2 eine als Richtlatte dienende metallische bzw. stromleitende Leitschiene 4 festgesetzt, die sich in Längsrichtung des Wagenkastens parallel zur Ebene der die Längsseitenwand bildenden Wandungselemente 2 erstreckt. Die Leitschiene 4 ist dabei über flexible elektrische Leiter 5 mit dem metallischen Wagenkastenrohbau verbunden. Zwischen den seitlich angeordneten, in einer senkrechten Ebene stehenden Wandungselementen 2 und auch zumindest zum Dachwandungselement 2.1 und Untergestell 2.2 hin befinden sich Fugen 6, an welchen die Wandungselemente 2, 2.1 und 2.2 durch Verschweißen in dauerhaft feste Verbindung zu bringen sind. Dabei kann vor dem Schweißen ein Bürsten der Fugen 6 zweckmäßig sein und nach dem Schweißen ein Planschleifen der Schweißnähte vorgenommen werden.

Um eine automatische Ausführung derartiger Bearbeitungsvorgänge vornehmen zu können, ist dem Wagenkastenrohbau eine Bearbei­ tungseinrichtung zugeordnet, welche ein auf schienenungebun­ denen Rädern 7, 8 gelagertes Fahrgestell 9 aufweist. Auf dem Fahrgestell 9 befindet sich eine zumindest weitgehend gekapselte Antriebs- und Steuereinheit 10, in welcher ein elektrischer Generator mit daran angekuppeltem gasbetriebenen Motor sowie diverse Hilfseinrichtungen wie Absauganlagen, Gasvorratsflaschen, elektrische und ggf. hydraulische Antriebs- und Steuermittel für einen autarken Betrieb der Bearbeitungseinrichtung untergebracht sind. Wenigstens eine Achse der Räder 7, 8 bzw. ein Radpaar 7 ist lenkbar am Fahrgestell 9 gehalten und mittels einer Lenksteuereinrichtung 11 aktiv über die Steuereinheit 10 zu lenken. Das Radpaar 8 dagegen kann über die Steuereinheit 10 für einen Vorschub des Fahrgestells in Vorwärts- oder Rückwärtsfahrrichtung antriebsgesteuert sein.

Auf dem Fahrgestell 9 steht ein Führungsträger, der aus einer senkrecht angeordneten Führungssäule 12, einem daran höhenverstellbar gelagerten Kreuzschlitten 13 mit integrierter Antriebseinheit und einem quer zur Hauptfahrrichtung des Fahrgestells 9 horizontal verschiebbaren Querschlitten gebildet ist. An dem den Wandungselementen 2 zugewandten Ende trägt der Querschlitten 14 eine Bearbeitungseinheit 15, die eine Revolverkopfscheibe umfaßt, an welcher ein Schweißwerkzeug 16 und um ca. 90° versetzt ein Schleif- oder Bürstgerät mit einer Schleif- oder Bürstwalze 17 festgesetzt ist. Anstatt einer Kombination kann die Bearbeitungseinheit jedoch auch getrennte Bearbeitungswerkzeuge für Schleifen und Bürsten aufweisen. Die Revolverkopfscheibe ist dabei insbesondere um eine in Hauptfahrrichtung des Fahrgestells 9 liegende Achse 18 drehbar gegenüber dem Querschlitten 14 am Führungsträger 12-14 gelagert.

Damit das Schweißwerkzeug 16 ohne manuellen Eingriff entlang einer Schweißnahtfuge 6 geführt werden kann, ist der Bearbeitungseinheit 15 eine Positionsgeber-Sensoreinheit 19 zugeordnet. Diese kann nach Art eines Joy-stick-Steuergerätes arbeiten und einen in einer Kreisbewegung sowie zusätzlich quer zu seiner Längsrichtung, also nach Art eines Kugelgelenks gelagerten Taststift 20 aufweisen.

Um eine bei 6.1 angedeutete Schweißnaht erzeugen zu können, steht mit der als Schweißstromrückführung dienenden Leitschiene 4 ein am Fahrgestell 9 über eine Feder 21 positionierter elektrischer Schleifkontakt 22 in Gleitanlage, der mit dem elektrischen Schweißstromnetz der Schweißeinrichtung verbunden ist. An den Schleifkontakt ist ein Abstandsensor 23 gekoppelt, der den Abstand gegenüber der als mechanische Richtschiene dienenden Leitschiene 4 ermittelt. Zweckmäßig ist für die Abstandsmessung ein mechanisches Meßband 24 vorgesehen, das an seinem freien Ende in Rollposition an der Leitschiene 4 über den Schleifkontakt 22 gehalten wird und das im Abstandssensor 23 je nach Auszugsposition ein entsprechend sich änderndes Steuersignal erzeugt, welches das Radpaar 7 so lenkt, daß der Abstand zwischen Fahrgestell 9 und Leitschiene 4 zumindest weitgehend konstant bleibt.

Für die Erstellung der senkrecht verlaufenden Schweißnaht 6.1 wird die Antriebs- und Steuereinheit 10 aktiviert und die Bearbeitungseinrichtung insgesamt bei anliegendem Schleif­ kontakt 22 an der Leitschiene 4 zur zugehörigen Schweißnahtfuge 6 bewegt, in welche der Taststift 20 einfällt. Nach dem Einschalten des Schweißstromkreises und selbsttätiger Zündung des Schweißvorganges wird bei automatischer Schweißmittelzufuhr der Kreuzschlitten 13 entlang der Schweißnahtfuge 6 verstellt. Dabei gibt die Positionsgeber-Sensoreinheit 19 abhängig von der Lage des Taststifts 20 ein Steuersignal an eine Steuerungs­ einheit für den Kreuzschlitten 13 ab, die denselben und damit das Schweißwerkzeug 16 im schweißgerechten Abstand zur zugehörigen Schweißnahtfuge 6 hält und dabei die senkrechte Verstellung des Kreuzschlittens 13 dem optimalen Schweißprozess entsprechend bewirkt. Horizontale Abstandsänderungen des Schweißwerkzeugs 16 gegenüber der Schweißnaht 6 können dabei durch Vorwärts- oder Rückwärtsfahren des Fahrgestells 9 parallel zur Leitschiene 4 bzw mechanisch ausgeglichen werden, während der Schweißwerkzeugabstand gegenüber der Schweißnaht über den Positionsgebersensor 19 durch eine Horizontalver­ schiebung des Querschlittens 14 zumindest annähernd konstant gehalten wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Schweißwerk­ zeugabstand jedoch auch abhängig vom Schweißstrom auf einen optimalen Wert eingesteuert werden.

Soll eine horizontal verlaufende Schweißnahtfuge 6 zugeschweißt werden, wird während des Schweißvorganges das Fahrgestell 9 mittels eines Motors mit einer dem Schweißvorgang entsprechen­ den Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der Schweißfuge angetrieben. Dabei hält der Schleifkontakt 22 die Schweißstrom­ rückführung über den Fahrweg hinweg aufrecht und der Abstandssensor 23 steuert die Lenkeinrichtung 11 so, daß ein weitgehend konstanter Abstand gegenüber der Leitschiene 4 aufrechterhalten wird. Abweichungen der Schweißnahtfuge 6 nimmt dann wieder der Positionsgebersensor 19 auf, dessen Taststift 20 dann in der offenen Schweißnahtfuge 6 der Drahtelektrode des Schweißwerkzeugs 16 voreilend voranläuft. Hierzu wird zweckmäßig der Positionsgebersensor 19 entsprechend umgesetzt. Das Steuersignal des Positonsgebersensors 19 bewirkt dann eine entsprechende Höhenkorrektur der Stellung des Kreuzschlittens 13 an der Führungssäule 12 sowie eine Korrektur des Schweißwerkzeugs 16 zur Schweißnahtfuge 6 über den Querschlitten 14. Die Räder 7, 8 bzw. entsprechende Radpaare sind dabei schienenungebunden und insbesondere mit gummielastischer Bereifung versehen, die auf der Ebene 1 ungeführt wie bei Straßenfahrzeugen abrollen. Positionsänderungen, die sich aus Unebenheiten in der Ebene 1 ergeben, werden dabei ebenfalls über die Postionsgeber-Sensoren unmittelbar ausgesteuert, indem der Kreuzschlitten 13 vom Positionsgeber-Sensor 19 und die Antriebseinrichtung des Fahrgestells entsprechend der vom Abstandssensor 23 erfaßten Abweichung in gegenläufiger Wirkungsrichtung gesteuert werden. Vom Positionsgeber 19 erfaßte horizontale Abweichungen von der Abstands-Sollage wirken also auf den Höhenantrieb des Querschlittens 14 und vertikale Abstands-Abweichungen vom Sollverlauf der betreffenden Schweißfuge werden durch den Kreuzschlitten 13 ausgeglichen. Dabei sorgt der Abstandssensor 23 durch Einwirkung auf die Lenkeinrichtung 11 für die Einhal­ tung eines seitlichen Grundabstandes von den Wandungselementen 2 bzw. den zugehörigen Schweißnahtfugen 6. Dabei ist der Abstandssensor 23 im Bereich der kürzesten Verbindung zwischen Führungssäule 12 und Leitschiene 4 vorgesehen, um bei gewisser Schrägstellung der Fahrgestellängsachse gegenüber der Längsachse der Leitschiene möglichst nur geringe Abweichungen des Sollabstandes zu erzielen.

Bei einem Aufbau und einer Steuerung einer Bearbeitungsein­ richtung gemäß der Erfindung können im Zusammenwirken mit zu verschweißenden Bauteilen Schweißnähte und deren vor- und nachgelagerte Arbeitsprozess (Bürsten, Schleifen) ohne manuellen Eingriff erzeugt werden und dabei Schweißnähte in vertikaler wie in horizontaler oder geneigter Richtung erstellt werden, wobei die Bearbeitungseinrichtung in sich autark aufgebaut werden kann und als Führungsebene die Ebene nutzen, der auch das zu bearbeitende Werkstück zugeordnet ist.

Claims (15)

1. Bearbeitungseinrichtung, insbesondere Schweiß- und/oder Schleif- und/oder Bürstgerät, mit einem auf Rädern gelagerten Fahrgestell und wenigstens einer Bearbeitungseinheit zur Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines Wagenkastens eines Schienenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrgestell (9) ein autarkes Energieversorgungssystem trägt, daß das Fahrgestell (9) einen Antriebsmotor und wenigstens ein lenkbares Rad (7) oder eine lenkbare Radachse für Räder (7) aufweist, daß die Räder (7) schienenungebunden auf einer neben dem Werkstück vorgesehenen Ebene (1) laufen, daß an dem Fahrgestell (9) die Bearbeitungseinheit (15) an einem zumindest in vertikaler und horizontaler Richtung verstellbaren Führungsträger (12-15) gehalten ist und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die abhängig von einer Positionsgeber-Sensoreinrichtung (19) den Verstellweg der Bearbeitungseinheit (15), ausgehend von einem Ansatzpunkt an einer offenen Schweißnahtfuge (6) oder geschlossenen Schweißnaht (6.1) am Werkstück (2) unter Verstellen des Führungsträgers (12-14) und/oder des Fahrgestells (9) entlang der Schweißnahtfuge (6) oder der Schweißnaht (6.1) steuert.

2. Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Führungsträger (12-14) zumindest ein Schweißwerkzeug (16) und ein Beschleifwerkzeug (17) angeordnet sind, die in getrennten Arbeitsgängen aktiviert und entlang der Schweißnahtfuge (6) oder entlang der Schweißnaht (6.1) geführt sind.

3. Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Führungsträger (12-14) zusätzlich ein Bürstwerkzeug angeordnet ist, das beim Verschweißen von Aluminium gleichzeitig oder zeitlich versetzt mit dem Schweißwerkzeug aktiviert und in Schweißrichtung vor der Schweißelektode des Schweißwerkzeugs (16) angeordnet ist.

4. Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge (16, 17) an einer Revolverkopfscheibe angeordnet sind und daß das jeweils aktivierte Werkzeug (16, 17) in horizontaler Richtung über eine höhengleiche äußere Kontur des Fahrgestellaufbaus hinausragt.

5. Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Revolverkopfscheibe um eine in Hauptfahrrichtung des Fahrgestells (9) laufende Achse (18) drehbar am Führungsträger (12-14) gelagert ist.

6. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsträger (12-14) eine senkrecht auf dem Fahrgestell (9) stehende Führungssäule (12) aufweist, an der höhenverstellbar ein durch die Steuereinrichtung (10) steuerbarer Kreuzschlitten (13) gelagert ist, welcher einen quer zur Hauptfahrrichtung des Fahrgestells (9) horizontal verschiebbaren Querschlitten (14) aufweist, an dem die Werkzeuge (16, 17) gehalten sind.

7. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsträger (12-14) auf dem Fahrgestell (9) im Bereich der lenkbaren Räder (7) angeordnet ist.

8. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Positonsgeber-Sensoreinheit (19) einen dem aktivierten Schweißwerkzeug (16) zugeordneten taktilen oder optischen Kontursensor (19, 20) aufweist, der die Schweißnahtfuge (6) erfaßt.

9. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsgeber-Sensoreinheit (19, 20) einen dem aktiven Bürstwerkzeug zugeordneten taktilen Positionssensor aufweist, der in die Schweißnahtfuge eingreift.

10. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der taktile Positionsgeber-Sensor (19) einen Taststift (20) aufweist, der nach Art eines Joy-Stick-Steuergeräts einen elektrischen Positionsgeber steuert, der Steuersignale für den Führungsträger- und/oder den Fahrgestellvorschub generiert.

11. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Fahrgestell (9) ein Gasmotor und ein damit gekuppelter elektrischer Schweißstrom- und Versorgungsspannungs-Generator sowie zumindest ein Gastank oder Gasflaschen und elektrische Steuer- und Antriebseinrichtungen angeordnet sind.

12. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine parallel zu einer Flucht eines zu bearbeitenden Werkstücks (2) verlaufende Leitschiene (4) vorgesehen ist und daß am Fahrgestell (9) ein Abstandssensor (23, 24) sitzt, der mit der Leitschiene (4) in Wirkverbindung steht und eine Lenkeinrichtung (11) für die lenkbaren Räder (7) steuert.

13. Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschiene (4) elektrisch leitend ist und über einen Schleifkontakt (22) elektrisch mit dem Schweißstromkreis des Schweißwerkzeugs (16) und andererseits mit dem zu verschweißenden Werkstück (2) verbunden ist.

14. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsgeber-Sensoreinheit einen dem aktiven Schleifwerkzeug zugeordneten taktilen Positionssensor aufweist, der auf einen Bereich der Kontur des zu bearbeitenden Werkstücks (2) gerichtet ist, der in Bezug auf die Vorschubrichtung des Schleifwerkzeugs seitlich neben dem aktuell bearbeiteten Schweißnahtabschnitt liegt.

15. Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mit einer Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungseinrichtung schienenungebunden auf der Aufstandsebene des Werkstücks in einem gleichbleibenden Seitenabstand vom Werkstück geführt wird und daß ein Arbeitswerkzeug der Bearbeitungseinrichtung während des Arbeitsprozesses einerseits in vertikaler Richtung und andererseits parallel zur Aufstandsebene senkrecht zum zu bearbeiteten Werkstück geführt wird.