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Technisches Gebiet
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Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf eine Schweißvorrichtung.
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Hintergrundtechnik
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Ein Schweißverfahren bezieht sich auf verschiedene Techniken, Materialien und Bedingungen, die in der Metallverarbeitungs- und Reparaturindustrie zum Verbinden von mindestens zwei Metallteilen verwendet werden. Zu den entsprechenden Schweißtechniken gehören unter anderem Lichtbogenschweißen, Gasschweißen, Fließschweißen, Kohlenstoffpol-Induktionsschweißen, Widerstandsschweißen, Flussmittelschweißen usw., aber nicht beschränkt darauf. Je nach Zweck der Schweißverbindungen gibt es fünf gängige Arten von Schweißverbindungen, nämlich Stumpfschweißungen, Überlappschweißungen, Kehlschweißungen und Kantenschweißungen, wobei die Stumpfschweißungen am häufigsten verwendet werden, um zwei Kanten bis hin zur Verbindung zweier Platten oder Flächen in derselben Ebene zu verbinden. Für schwerere Profile werden genutete Stumpfschweißnähte mit verschiedenen Arten von Schweißkanten verwendet, bei denen die Schweißkanten durch Brennschneiden, Scheren, Brennrillen, maschinelle Bearbeitung, Schneiden, Kohlenstofflichtbogenschneiden oder Hobeln bearbeitet werden. Für Blechdicken von 3/8 bis 1/2 Zoll können einfache V- oder einfache U-Nut-Stumpfschweißung verwendet werden; für Abschnitte der schwereren Profile, z. B. 1/2 bis 2 Zoll, können Doppel-V-Nut-Stumpfschweißung verwendet werden; und für Dicken von 3/4 Zoll oder mehr sollen Doppel-U-Nut-Stumpfschweißung verwendet werden. Im Allgemeinen wird es als besser angesehen, Stumpfschweißung (d.h. Doppel-V-Nuten oder Doppel-U-Nuten) an den Kanten des Profils separat an den Kanten der Abschnitte der schwereren Profile auszuführen, als die Stumpfschweißung an den Kanten nur eines Profils auszuführen. In einigen Fällen, z. B. bei der Reparatur von festen Vorrichtungen an senkrechten Wänden, ist es jedoch nicht immer möglich, die Kanten beider Profile zu verschweißen.
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Was die Konstruktion von Schweißprofilen für Stumpfschweißung betrifft, so ist die am häufigsten verwendete Schräge die glatte Schräge, die in der Regel eine Wandstärke von etwa 4 bis 22 mm aufweist. Eine andere Art von Schräge bei Stumpfschweißung ist die Verbundschräge mit einer Wandstärke von mehr als 22 mm.
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Wenn zwei Bleche in vertikaler Lage an eine Wand geschweißt werden, während die Längsachsen der Schweißnähte relativ horizontal ausgerichtet sind, wird die Schweißnahtlinie zwischen zwei benachbarten Kanten der beiden Bleche in der Regel manuell beobachtet, und die entsprechende Schweißvorrichtung folgt dieser Schweißnahtlinie während des Schweißvorgangs, um das Profil der Schweißschräge durch den Bediener der Schweißvorrichtung grob abzuschätzen. Die Geometrie der Schweißnaht ist jedoch mit bloßem Auge sehr schwer genau zu messen.
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Daher wurde im Stand der Technik versucht, eine automatische Schweißvorrichtung oder -methode bereitzustellen, um die Schweißverbindung zu messen und/oder die Geometrie der tatsächlichen Schweißverbindung vor dem Schweißvorgang zu schätzen. Ein solches Verfahren,
US 2011/0155711 , verwendet einen Linienlasersensor, um eine „Laserlinie“ innerhalb eines festen Arbeitsfensters zu projizieren und die reflektierte Position eines jeden Objekts, das von der Laserlinie innerhalb des Arbeitsfensters „gesehen“ wird, zu erzeugen, um den Abstand des Objekts entlang der Laserlinie vom Lasersensor zu schätzen, und der entsprechende Teil der Schweißschräge wird positioniert, um seine Geometrie zu schätzen. Die gemessenen Daten werden dann zur Einstellung der Schweißparameter im Betrieb der Schweißvorrichtung verwendet.
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US 9,221,118 offenbart ein hybrides Schweißsystem mit einer Steuerung, die einen Nahtverfolger und ein Steuersystem zur Messung der Nahtcharakteristiken benachbarter Werkstücke vor dem Schweißen und in Reaktion auf die Änderung der Schweißparameter der Laser- und Lichtbogenschweißmaschine oder des Abstands zwischen Laser und Lichtbogen umfasst. Gemessene Nahtcharakteristiken, wobei die Nahtcharakteristiken variable Spalte entlang der Naht sind.
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US 10,448,692 offenbart ein kopfgetragenes Augmented- oder Mixed-Reality-Display für Schweißarbeiten, das optische Sensoren zur Erfassung von Bildern der Schweißumgebung mit einer AR-Steuerung kombiniert, um die Position und Perspektive eines simulierten Objekts (z. B. eines oder mehrerer Laser), die Beziehung zwischen dem interagierenden Träger und dem simulierten Objekt sowie die Reaktion auf die Interaktion des Trägers zu bestimmen. Die Anzeige dient in erster Linie zu Schulungs- und Lernzwecken und nicht zur Einstellung des Schweißwegs entlang der Achse einer Schweißebene zwischen zwei Schenkeln eines Werkstücks vor einem Schweißvorgang.
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Ein anderer Stand der Technik konzentrierte sich auf die Bearbeitung der Schräge oder die Anpassung der Geometrie der Schrägkante des Werkstücks bei der Schrägbearbeitung, z. B.
US 10,537,940 .
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Die Erfinder haben eine Vorrichtung erfunden, die in der Lage ist, Schweißvorgänge ohne menschliches Eingreifen zu realisieren, indem sie diese mit einem vollautomatischen Schweißvorgang kombiniert, nachdem die Bahn der Schweißmaschine mit Hilfe einer optischen Vorrichtung abgetastet wurde. Da es sich bei der in dem System verwendeten optischen Vorrichtung jedoch um ein relativ präzises Instrument handelt, stellt sie hohe Anforderungen an die Arbeitstemperatur und die Arbeitsumgebung, für die eine geeignete Montagestruktur vorgesehen werden muss, um zu verhindern, dass die hohe Temperatur des Schweißprozesses sowie der beim Schweißprozess entstehende Staub die optische Vorrichtung beeinträchtigen.
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Inhalte des Gebrauchsmusters
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Daher stellt das vorliegende Gebrauchsmuster eine Schweißvorrichtung bereit, die durch die sinnvolle Gestaltung der optischen Vorrichtung und des Aufbaus der Schweißvorrichtung die optische Einheit in die Lage versetzt, die Abtastung des Schweißwegs zu vervollständigen und die Beeinflussung des Schweißprozesses auf die optische Einheit während des Schweißvorgangs zu vermeiden.
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Die Schweißvorrichtung in dem vorliegenden Gebrauchsmuster umfasst ein Schweißendmodul und ein Robotersteuermodul, wobei das Schweißendmodul mehrere optische Einheiten zum optischen Abtasten eines Schweißbereichs einer Zielschweißung, eine Schweißvorrichtung zur Durchführung des Schweißvorgangs und einen Hilfsverbinder zum Anschluss an das Robotersteuermodul umfasst, wobei das Robotersteuermodul einen oder mehrere Bewegungsmechanismen zur Durchführung der Bewegung des Schweißendmoduls in mehreren Ebenen umfasst, wobei die optische Einheit in einem Abtastgehäuse montiert ist, das Abtastgehäuse mit der Schweißvorrichtung verbunden ist, wobei das Abtastgehäuse mit einer beweglichen Abschirmvorrichtung am Abtastfenster vorgesehen ist.
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In bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst die Mehrzahl der optischen Einheiten mindestens eine lichtemittierende Einheit und eine optische Sensoreinheit.
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In bestimmten Ausführungsbeispielen ist der Winkel zwischen der Schweißvorrichtung und dem Abtastfenster des Abtastgehäuses auf einen vertikalen oder stumpfen Winkel eingestellt.
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In bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst die Schweißvorrichtung eine Schweißpistole und einen Schweißpistolenhalter, wobei der Schweißpistolenhalter einen Hohlraum zum Speichern und Übertragen von Schweißmaterial auf die Schweißpistole zur Bildung einer Schweißnaht umfasst.
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In bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst die bewegliche Abschirmeinrichtung eine Abschirmung, wobei die Abschirmung das Abtastfenster des Abtastgehäuses abdeckt, wenn sich die optische Einheit in einer Position befindet, in der sie während der optischen Abtastung einen Lichtstrahl aussendet und von einem abgetasteten Objekt reflektiertes Licht empfängt, wodurch die in das Abtastgehäuse eingesetzte optische Einheit von der Umgebung abgeschirmt wird.
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In bestimmten Ausführungsbeispielen ist die Abschirmung an dem entsprechenden Abtastgehäuse des Abtastfensters mittels einer Drehwelle angebracht und ist ein Motor vorhanden, der die Abschirmung antreibt, um sie relativ zu dem Abtastgehäuse mittels der Drehwelle in eine Position zu drehen, in der das Abtastfenster geöffnet oder abgedeckt ist. In bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst das Robotersteuermodul mindestens einen Roboterarm, der in eine oder mehrere Richtungen drehbar oder beweglich ist, um die Bewegung oder Drehung des Schweißendmoduls zu führen.
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In bestimmten Ausführungsbeispielen ist der Roboterarm mit der Schweißvorrichtung mittels eines Verbinders verbunden, wobei der Verbinder aus einer Vielzahl von Verbindungs- und Aufnahmeelementen besteht, die am Verbindungsende vorgesehen sind, wobei die Verbindungselemente passend mit den entsprechenden Aufnahmeelementen verbunden sind.
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Der vorteilhafte Effekt des Gebrauchsmusters besteht darin, dass die optische Einheit in dem Abtastgehäuse installiert ist, um einen besseren Schutz für die relevanten Komponenten in der optischen Einheit zu bieten, wobei berücksichtigt wird, dass die optische Einheit den Schweißbereich durch das Abtastfenster optisch abtasten muss, so dass während des Abtastens die optische Einheit Lichtstrahlen durch das Abtastfenster aussenden und empfangen kann, um die Abtastfunktion zu erreichen, aber zu dieser Zeit die Schweißvorrichtung gestoppt ist und keine Auswirkungen auf die optische Einheit durch das Abtastfenster haben wird, wobei das Abtastfenster zu diesem Zeitpunkt durch die bewegliche Abschirmvorrichtung geöffnet wird, um die optische Abtastung zu erfolgen, wobei die Schweißvorrichtung nach dem Abschluss der optischen Abtastung das Werkstück entsprechend dem neuen Schweißweg schweißt, wobei es dann verhindert werden muss, dass die beim Schweißen erzeugte hohe Temperatur und Spritzer durch das Abtastfenster in die optische Einheit eindringen, indem die bewegliche Abschirmvorrichtung das Abtastfenster abdeckt, um einen wirksamen Schutz der optischen Einheit zu erreichen.
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Figuren
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Identische Zeichen in den Figuren weisen auf identische oder funktionell ähnliche Komponenten hin, und die Figuren umfassen Zeichnungen bestimmter Ausführungsbeispiele, um die vorstehenden und andere Aspekte, Vorteile und Merkmale des vorliegenden Gebrauchsmusters weiter zu veranschaulichen und zu verdeutlichen. Es versteht sich von selbst, dass diese Figuren Ausführungsbeispiele des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellen und nicht dazu bestimmt sind, seinen Anwendungsbereich zu begrenzen. Das vorliegende Gebrauchsmuster wird anhand der Figuren näher beschrieben, in denen:
- 1 ist eine dreidimensionale Vorderansicht einer Schweißvorrichtung im Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gebrauchsmusters;
- 2 ist eine dreidimensionale Rückansicht, die schematisch eine Schweißvorrichtung im gleichen Ausführungsbeispiel wie in 3 zeigt.
- 3 ist ein Blockdiagramm, das die Hauptkomponenten der Schweißvorrichtung in den bestimmten Ausführungsbeispielen des Gebrauchsmusters zeigt;
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Spezifische Ausführungsformen
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Wie in 3 gezeigt, kann die Architektur des vorliegenden Systems hauptsächlich in ein Schweißendmodul oder -gerät 30 und ein Robotersteuermodul 40 unterteilt werden. Das Schweißendmodul 30 umfasst eine optische Verbundbaugruppe 300, die optische Verbundbaugruppe 300 umfasst einen optischen Scanner 321, der in einem Scannergehäuse 320 angeordnet ist, und eine bewegliche Abschirmvorrichtung 310 zum selektiven Abschirmen des optischen Scanners 321 bei Bedarf. Der optische Scanner 321 dient zur Messung von Oberflächenparametern eines geprüften Objekts während des Scannens einer Vielzahl von Schweißlinien entlang eines Schweißwegs. Die bewegliche Abschirmung 310 umfasst einen optischen Schalter 311 und einen Motor 312, wobei der optische Schalter 311 dazu dient, Licht auszusenden und vom Objekt reflektiertes Licht zu empfangen, und der Motor 312 dazu dient, die zugehörige Abschirmung so zu steuern, dass sie eine Drehung um eine Achse ausführt und ein Fenster des Scannergehäuses 320 abdeckt, von dem der optische Scanner 321 Bildsignale von einem beliebigen gescannten Objekt empfängt. Die Schweißvorrichtung neben der optischen Verbundbaugruppe 300 umfasst einen Schweißpistolenhalter 330 und einen Schweißpistole 331. Die Schweißvorrichtung umfasst auch einen Schaft (332, wie in 3 gezeigt). Die Verbindung mit der optischen Verbundbaugruppe 300 und der Schweißvorrichtung erfolgt über ein Verbindungselement 340, das in ein Ende des Roboterarms 410 des Robotersteuermoduls 40 eingreift. Das Verbindungselement 340 umfasst eine Vielzahl von Anschlüssen (341, wie in 2 gezeigt), die endweise mit dem Roboterarm 410 zusammenpassen, um die Verbindung zwischen der feststehenden optischen Verbundbaugruppe/Schweißvorrichtung und dem Robotersteuermodul herzustellen. Der Winkel zwischen der Schweißvorrichtung und dem Abtastfenster des Abtastgehäuses ist auf einen vertikalen oder stumpfen Winkel eingestellt, so dass die optische Einheit sich in einer entfernten Position in Bezug auf die Schweißvorrichtung befindet, oder Funken usw., die von der Schweißvorrichtung während des Schweißens erzeugt werden, nur schwer in das Abtastfenster geleitet werden können. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die optische Verbundbaugruppe 300 und die Schweißvorrichtung lösbar miteinander verbunden. Während der Abtastung der Schweißlinie oder des Schweißwegs werden die optische Verbundbaugruppe 300 und die Schweißvorrichtung zusammen angetrieben, um sich entsprechend der Bewegung des angeschlossenen Roboterarms im gleichen Winkel und in der gleichen Richtung zu bewegen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Schweißvorrichtung von der optischen Verbundbaugruppe 300 getrennt sein, und sie müssen nicht zusammenbleiben, wenn sich der Roboterarm bewegt.
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In den 1 und 2 sind perspektivische Vorder- und Rückansichten des vorliegenden Systems gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen dargestellt, die den in 3 gezeigten Hauptkomponenten entsprechen. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Schweißendmodul 30 eine optische Verbundbaugruppe 300, eine Schweißvorrichtung und ein Verbindungselement zum Anschluss an ein entsprechendes Robotersteuermodul 40. Die optische Verbundbaugruppe 300 umfasst eine Vielzahl optischer Einheiten, zu denen ein optischer Schalter 311 und ein optischer Scanner 321 gehören, die in diesen Ausführungsbeispielen in separaten Gehäusen untergebracht sind. Ein Motor 312 ist schwenkbar mit der Abschirmung 310 verbunden und an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Scannergehäuses 320 befestigt, und der Motor 312 ist so konfiguriert, dass er die Bewegung der Abschirmung zwischen ihrer oberen Richtung und ihrer vorderen Richtung steuert. Der Hauptzweck der Abschirmung 310 besteht darin, die optische Einheit des vorliegenden Systems vor möglichen Schäden zu schützen, die durch den Schweißvorgang verursacht werden, da während des Schweißvorgangs in der Regel Wärme erzeugt wird. Dementsprechend befindet sich die Abschirmung 310 während des Abtastens der Schweißlinien und des Schweißwegs in ihrer aufrechten Position, während beim Schweißvorgang, d.h. wenn die Schweißpistole 331 in Betrieb ist, die Abschirmung 310 durch den Motor 312 aus ihrer aufrechten Position in ihre vordere Position bewegt wird, so dass das offene Ende oder Fenster des Scannergehäuses 320, das dem Lichtsensorbereich des optischen Scanners entspricht, und der optische Schalter fast vollständig von der Abschirmung 310 bedeckt sind.
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Entlang der gleichen Mittelachse wie zwischen der optischen Verbundbaugruppe 300 ist die Schweißvorrichtung in unmittelbarer Nähe der optischen Verbundbaugruppe 300 zur Durchführung eines Schweißvorgangs nach dem Abtasten der Schweißlinie/des Schweißwegs vorgesehen und umfasst sie einen Schweißpistolenhalter 330 zum Befestigen oder Halten der Schweißpistole 331. Im Schweißpistolenhalter 330 können Schweißmaterialien einschließlich metallischer und nichtmetallischer Verbindungen gelagert werden. Ein optionaler Schaft 332 ist in die Schweißvorrichtung integriert und befindet sich unterhalb des Schweißpistolenhalters 330, der verwendet wird, wenn ein Bediener des vorliegenden Systems den Schweißvorgang manuell steuern muss. Vorzugsweise ist die Bewegung der Schweißvorrichtung entlang des Schweißwegs vollautomatisch, was durch einen Roboterarm erreicht wird, der mit einem entsprechenden Verbinder 340 verbunden ist, und der entsprechende Verbinder 340 ist in der Nähe der Schweißvorrichtung vorgesehen und befindet sich auf derselben Mittelachse wie die Mittelachsen der optischen Verbundbaugruppe 300 und der Schweißvorrichtung. Um den optimalen Schweißweg/das optimale Schweißprofil genauer messen und bestimmen zu können, wird die Bewegung und/oder Selbsteinstellung eines der Module des vorliegenden Systems, von der optischen Abtastung bis zum Schweißvorgang, vorzugsweise unter der Kontrolle des Robotersteuermoduls 40 durchgeführt. In einigen Fällen kann der optische Scanner und/oder die Schweißvorrichtung manuell von einem Bediener mit Hilfe eines Schweißwegführungsmechanismus gesteuert werden, z. B. kann der Bediener einen projizierten Schweißweg auf der Zielschweißnaht beobachten, der von dem Rechner des vorliegenden Systems auf der Grundlage der Abtastdaten von einem oder mehreren vorherigen Scans ermittelt wird. Um den Roboterarm 410 am Verbindungsstück 340 des vorliegenden Systems zu befestigen, ist am Verbindungsende des Verbinders 340 eine Vielzahl von Verbindungselementen 341 vorgesehen, wobei die Verbindungselemente 341 so geformt und bemessen sind, dass sie zur gleichen Anzahl von Aufnahmeelementen (in keiner der Figuren dargestellt) passen (1).
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Da einige der Schweißnähte im vorliegenden System relativ groß sind und durch die Ausrichtung zweier benachbarter Werkstücke und/oder der Zielschweißnaht begrenzt sind, wird vorzugsweise ein Zeilenscanner als optischer Scanner des vorliegenden Systems gewählt, um die entsprechenden Bilddaten des gesamten Schweißbereichs zu erfassen. Eine 2D-Konturkarte der Schweißschrägengeometrie des gesamten Schweißbereichs wird von einem oder mehreren Algorithmen erstellt und analysiert, die vom Rechenprozessor des vorliegenden Systems ausgeführt werden, um den optimalen Schweißweg vor dem eigentlichen Schweißen zu finden. Andere Daten, wie Raum- und/oder Temperaturinformationen vom Zeilenscanner während der Abtastung des Schweißwegs und/oder der Schweißlinie, können gleichzeitig durch andere Sensoren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf IMU (Gyroskope) und thermische Sensoren, erhalten werden, um bei der Ermittlung des Schweißwegs und der Erstellung der Schweißschräge-Konturkarte für die Zielschweißung zu helfen.
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Obwohl das vorliegende Gebrauchsmuster anhand bestimmter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, fallen auch andere Ausführungsbeispiele, die für einen Fachmann naheliegend sind, in den Schutzbereich des vorliegenden Gebrauchsmusters. Daher wird der Schutzbereich des Gebrauchsmusters nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt.
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Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf eine Schweißvorrichtung, wobei die optische Einheit in dem Abtastgehäuse installiert ist, um einen besseren Schutz für die relevanten Komponenten in der optischen Einheit zu bieten, wobei während des Abtastens die optische Einheit Lichtstrahlen durch das Abtastfenster aussenden und empfangen kann, um die Abtastfunktion zu erreichen, aber zu dieser Zeit die Schweißvorrichtung gestoppt ist und keine Auswirkungen auf die optische Einheit durch das Abtastfenster haben wird, wobei das Abtastfenster zu diesem Zeitpunkt durch die bewegliche Abschirmvorrichtung geöffnet wird, um die optische Abtastung zu erfolgen, wobei die Schweißvorrichtung nach dem Abschluss der optischen Abtastung das Werkstück entsprechend dem neuen Schweißweg schweißt, wobei es dann verhindert werden muss, dass die beim Schweißen erzeugte hohe Temperatur und Spritzer durch das Abtastfenster in die optische Einheit eindringen, indem die bewegliche Abschirmvorrichtung das Abtastfenster abdeckt, um einen wirksamen Schutz der optischen Einheit zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0155711 [0005]
- US 9221118 [0006]
- US 10448692 [0007]
- US 10537940 [0008]
