DE2606123C2

DE2606123C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Führung eines Schweißkopfes zum Lichtbogenschweißen auf Fugenmitte

Info

Publication number: DE2606123C2
Application number: DE19762606123
Authority: DE
Inventors: Johannes 5100 Aachen Heinen; Franz-Josef Dipl.-Ing. King
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-02-16
Filing date: 1976-02-16
Publication date: 1983-09-22
Also published as: DE2606123A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung eines Schweißkopfes auf Fugenmitte und zur Regelung der Schweißparameter nach der Fugenform durch fotöelektrische Erfassung und elektronische Auswertung der intensitätsverteilung des von einer Lichtquelle erzeugten und von den zu verschweißenden Werkstückkanten vor der Schweißstelle reflektierten Lichtes entlang einer quer zur Fugenachse verlaufenden Linie sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses , Verfahrens.

Im Zuge der fortschreitenden Automatisierung der Schweißtechnik ist die selbsttätige Führung des Schweißkopfes wichtig. Diese wird wesentlich dadurch behindert, daß sich eine absolut gleichförmige Nahtvorbereitung der Werkstückkanten, insbesondere bei langen Blechen, nicht durchführen läßt, so daß sich ein Fugenspalt mit wechselnder Breite ergeben kann. Dies kann noch durch Ungenauigkeiten beim Heften und Spannen der Bleche sowie durch Verlagerungen der zu

ι, verschweißenden Bleche zueinander, z. B. durch beim Erkalten einer bereits geschweißten Naht erfolgendes Schrumpfen, verstärkt werden.

Hierdurch ändert sich nicht nur der Luftspalt, sondern auch der gesamte Fugenquerschnitt. Dies führt sowohl beim Einlagen- als auch beim Mehrlagenschweißen zu einer ungleichförmigen Auffüllung der .Schweißfuge und damit zu einer ungleichmäßigen Nahtüberhöhung.

Zum Erfassen des Fugenspaltes bzw. der gesamten Fugengeometrie wurden unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen, die jedoch nicht in der Lage waren, die Fugengeometrie in der erforderlichen Genauigkeit«, 'iederzugeben.

Aus der DE-OS 22 59 179 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die mit zwei Blenden arbeitet, von denen die eine für den Bildausschnitt starr und die andere zur Abtastung des Bildausschnittes umlaufend angeordnet sind.

Mit dieser Vorrichtung wird kein originalgetreues Bild der Schweißfuge wiedergegeben, sondern es werden lediglich die Laufzeiten der umlaufenden Schlitzblende vor und nach der durch den Fugenspalt auftretenden »Störung« verglichen. Dabei können Fehler in der Fugenvorbereitung z. B. Flankenwinkelfehler eines Bleches, zu untersct ^:edlichen Laufzeiten und damit zum Eindruck einer Abweichung von der Fugenmitte führen, die tatsächlich gar nicht vorliegt.

Offenbar eignet sich die bekannte Vorrichtung nur für /-Fugen, da aufgrund der dort beschriebenen Laufmessung eine V-, Y- oder kompliziertere Fuge offenbar nicht erkannt werden kann. Fraglich ist auch, ob die für die im allgemeinen sehr kleinen /-Fugen (Dünnbleche, Spaltbreite im Zehntelmillimeterbereich) erzielbare Genauigkeit ausreicht. Einen weiteren Unsicherheitsfaktor bilden die mechanisch bewegten Teile der umlaufenden Blende, die einer erheblichen Störanfälligkeit unterliegen.

Bei einem in der US-PS 33 70 151 beschriebenen Verfahren wird nicht die offene, ungeschweißte Fuge, sondern die frische Schweißnaht abgetastet. Dabei

>j befindet sich die Sensoreinrichtung nicht vor. sondern hinter dem Schweißkopf und nimmt lediglich ein Temperaturprofil der Schweißnaht auf. das jedoch keineswegs die Genauigkeit eines direkt abgetasteten Reflexbildes der offenen Fuge erreicht. Zudem gibt es

wi auch keine Richtwerte für die Schweißkopfsteuerung

,, *lhinsichtlich des Vorschubes. Drähtvorschubes oder der --•5elektrischen^JEnergiezufuhr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom eingangs erwähnten Verfahren eine durch digitale Meßwerte gebildete Wiedergabe der tatsächlichen geometrischen Verhältnisse der Meßstrecke zu erzeugen und unter Verwendung einer an sich bekannten Vergleichs- lind SteUerüngsschaltung so zu difference-

ren, daß die Einzelsignale zur Steuerung der einzelnen Schweißparameter ausgenutzt werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Mit Hilfe dieses Verfahrens erhält man eine originalgetreue Wiedergabe der Schweißfuge in der Form digitaler Bestimmungswerte und zwar nicht als eine Art fotografischer Abbildung, wie ein Fernsehbild, sondern als eine flächige Wiedergabe von Meßdaten, die in Steuerbewegungen umgewandelt werden können.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet. Mit dieser Vorrichtung wird das vom Blech reflektierte Licht von einem lichtempfindlichen Sensor empfangen, der aus einer Vielzahl von mit gleichem, sehr geringem Abstand auf einer Linie quer zur Schweißfuge angeordneten Fotodioden besteht. Eine Diode als ein vom Beleuchtungszustand abhängiger Widerstand erlaubt es, den Lichteinfaii zu messen. Dabei erhallen die einzelnen Fotodioden beim Abtasten reflektiertes Licht unterschiedlicher Intensität, abhängig von der Obe-flächengeometrie der Reflexionsebene. Die verwendete Diodenzeile bildet dabei die beleuchtete Oberflächengeometric der Schweißfuge ab. Im Vergleich zur fotografischen Abbildung der Schweißfuge, z. B. mit einer Fernsehkamera, erhält man hier die Bildinformation bereits in digitaler Form. Dabei ist der Beleuchtungszustand jeder einzelnen Diode durch einen Spannungsimpuls gekennzeichnet.

Zur Weiterführung der Bildinformation zur Mittenführung einerseits und zur Erfassung des Fugenspaltes andererseits wird zunächst der Beleuchtungszustand bzw. Beleuchtung*, wert jeder einzelnen Diode mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Sowohl vor als auch nach diesem Vergleich besteht das Meßsignal aus soviel Einzelinformationen, wie die Diodenzeile Einzeldioden aufweist. Die Einzelwerte hinter dem Scnwellenwertkomparator können nur noch die Zustände 0 und 1 annehmen, denen elektrische Spannungen im Bereich der üblichen Niederspannungen von 0 und beispielsweise 12 Volt zuzuordnen sind.

Zur Erfassung der Fugenmitte werden zunächst alle 0-Werte und alle 1-Werte von einer Seite aus addiert und zu dieser Summe die Hälfte der folgenden Serie von O-Werten hinzugezählt. Die so ermittelte Fugenmitte wird registriert. Diese Messung wiederholt sich — in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit und einer zu erwartenden Seitenabweichung — mit wählbarer Abtastfrequenz, wobei stets der neu ermittelte Wert mit dem zuerst registrierten Wert verglichen wird. Beim Abweichen aus der Fugenmitte unterscheiden sich beide Werte voneinander. Aus der Differenz beider Werte wird dann ein Signal gebildet, das zur Ansteuerung der die Antriebsmotoren der seitlich bewegbaren Meß· und Schweißschlitten geeignet ist. so daß eine automatische Rückstellung des Schweißkopfes in die Fugenmitte erfolgt.

Zur Erfassung der Spaltweitc - und damit zur Steuerung- der Schweißparameter — wird die Anzahl der zweiten Serie von Ö-Werten gezählt und mit der Anzahl der bei der ersten Abtastung ermittelten O^Werte verglichen. Zeigt der Vergleich, daß sich die die Spaltweite bestirfirneiden Werte über eine bestimmte, für eine einwandfreie Wurzelschweißung nicht mehr zulässige Töleranz hiniluVverändern, so ist in Abhängigkeit von der Spaltänderung ein anderer, den Einbrand

beeinflussender Parameter, wie die Stromstärke, Spannung oder Schweißgeschwindigkeit in benannter Weise so zu verändern, daß eine Anpassung an den neuen Fugenzustand mit dem Ziel einer konstanten Wurzeldurchschweißung erfolgt.

Zur Erfassung des Schweißfugenquerschnittes, insbesondere beim Zwischen-, Deck- und Einlagenschweißen wird durch Berechnung der einzelnen, die Schweißfuge abbildenden Diodenwerte die Fläche der Bildinformation ermittelt. Bei einer Änderung des Flankenneigungswinkels und/oder des Blechabstandes ergibt sich eine Änderung der Fläche des Fugenbildes. Aus der Differenz dieser Fläche selbst wird ein Signal gewonnen, das sich zu einer Änderung des Schweißdrahtvorschubes und/oder der Schweißgeschwindigkeit und/ oder der Schweißspannung nutzen läßt, wobei in allen Fällen eine Anpassung der Schweidgutzufuhr an den tatsächlichen Fugenquerschnitt erreicht wird.

Das erf^;ndungsgemäße Verfahren eignet sich für Verbindungsschweißungen mit den -chutzgasschweißverfahreii und dem uiiterpuiverschwe'lverfahreil Suwohl in der Wannenlage als auch in Zwangsposition.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beispielsweise schematisch wiedergegebenen AuTsaubildes der Vorrichtung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine im Versuchsaufbau verwendete Anordnung in der Vorderansicht,

F i g. 2eine Seitenansicht zu Fig. 1 ut,d

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verarbeitung der Bildinformation.

Gemäß den F i g. 1 und 2 wird eine Fuge 2 zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken von einer Lichtquelle 3 über einen Lichtleiter 1 beleuchtet. Hinter einer Vergrößerungsoptik 6. die die Genauigkeit der Abtastung steigert und die durch einen Tubus 4 geschützt ist. befindet sich eine Diodenzeile 5. die im dargestellten Fall aus 256 Einzeldioden besieht, Jie auf einer Strecke von 25,4 mm nebeneinander mit gleichen Abständen von etwa 0.1 mm angeordnet sind und vom reflektierten Licht beaufschlagt werden.

Wie F i g. 3 zeigt, wird durch eine Ansteuereinheit und eine Stromquelle 9 die Diodenzeile 5 beirieben und abgefragt. Das Abfrageergebnis ist eine Bildinformation 10. bestehend aus einzelnen, der Anzahl der Dioden entsprechenden .Spannungswerten.

Diese einzelnen .Spannungswerte werden einerseits vor einem Schwellenwertkomparator 13 über Leitungen 11 direkt und. andererseits, nach einem Schwellenwertvergleich im Schwellenwertkomparator 13 als Komparatorsignal 12 über Leitungen 17 in einen Prozeßrechner 14 einge'esen. Der Schwellenwertpegel wird '"abei über Leitungen 15 vom Prozeßrechner 14 vorgegeben.

Ein .Startimpuls Ix'' synchronisiert die Zeilenabtastung mit der Rechnereingabe über die Leitungen 11 bzw. 17. Der Prozeßrechner verarbeitet, wie oben erwähnt, die Informationen für die einzelnen Steuer- und Regelkreise. Dabei gelangen die Stellsignale zur Steuerung des Schweißkapies26aufdie Fugenmitte über Leitungen 18 und eine Ansteuerlogik 19 zu in F i g. 3 dargestellten, zur Positionierung vorgesehenen Schrittmotoren 20. Die Stellsignale zur Steuerung des Einbrandes oder der Schweißgutzuführung gelangen über Leitungen 21 und Halbleitersteller 22 und steuern die Energiequelle 2.3 und/oder den Drahtvorschubmotor 24 und/oder den Schweißvorschubmotor 25, wobei wahlweise über die Parameter Stromstärke und/oder Spannung und/oder

. ⁵

Schweißgeschwindigkeit und/oder Schweißgutzufuhr der Wurzeleinbrand bzw. die Fugenauffüllung der abgefragten veränderten Fugengeometrie angepaßt wird. Im Ausführungsbeispiei entspricht die Meßwertdifferenz einer Diode einer Strecke von 0,05 mm auf der

j Reflexionsoberfläche.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Führung eines Schweißkopfes fur das Lichtbogenschweißen auf Fugenmitte und zur Regelung der Schweißparameter nach der Fugenform durch fotoelektrische Erfassung und elektronische Auswertung der Intensitätsverteilung des von einer Lichtquelle erzeugten und von den zu verschweißenden Werkstückkanten vor der Schweißstelle reflektierten Lichtes entlang einer quer zur Fugenachse verlaufenden Linie, gekennzeichnet durch

eine optische Aufweitung des Strahlenganges des reflektierten Lichtes,

die Verwendung einer geradlinigen, einzeiligen Anordnung einer Vielzahl von Fotodioden, mit deren Hilfe die räumliche Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes gleichzeitig in eine Vielzahl digitaler Spannungswerte zerlegt wird,
den Vergiüch dieser Spannungswerte mit Sollwerten mit hieraus erfolgender Umwandlung in eine Binärzahlenreihe und

getrennte Auswertung aufeinanderfolgend ermittelter Binärzahlenreihen teils für die Steuerung der Nahtfolgeeinrichtung, teils für die Steuerung der Schweißparameter.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet,

daß vor dem Schweißkopf (26) auf einer geraden Linie quer zur Fugenachse der zu verbindenden Werkstückt 'ie eine Vielzahl dicht nebeneinander stehender Fotodioden (5) einer berührungslos arbeitenden Sensoreinrichtung (7) angeordnet ist, die mindestens einen auf die Fuge (2) gerichteten Lichtleiter (1) trägt.

daß der Sensoreinrichtung (7) eine Vergrößerungsoptik (27) vorgeschaltet ist und
daß jede Fotodiode (5) mit einer Ansteuereinheit (8) verbunden ist. die über einen Komparator (12) und eine Si'hwellenwertvergleichseinrichtung (13) mit einem Prozeßrechner (14) verbunden ist, der über eine Ansteuerlogik (19) und Schrittmotoren (?ö) bzw. einen Drahtvorschubmotor (24) bzw. einen Schweißvorschubmotor (25) mit dem Schweißkopf (26) wahlweise in Steuerverbindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die berührungslos arbeitende Sensoreinrichtung (7) auf einem quc- zur Schweißfuge (2) unabhängig vom Schweißkopfschlitten bewegbaren Querschliiien mit festem Abstand zum Schweißkopf (26) angeordnet ist.

4. Vorrichtung n;ich Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtleiter (1) bekannte Lichtleitfasern an der .Sensoreinrichtung (7) angebracht sind, deren eines Ende einer Lichtquelle (3) zugeordnei ist.

1 Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, '.iß die Lichtleitfasern (1) in kühlmitieldurchilossenen Schläuchen angeordnet sind.