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Verfahren zur automatischen Nachführung eines Schweiß-
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brenners Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur automatischen Nachführung eines Schweißbrenners entlang einer Nahtkehle
oder Nahtfuge bei der Ausführung von Mehrlagensc12reißungen oder Pendelnähten unter
Verwendung von Abstandssensoren, insbesondere für die Anwendung im Schiffs-, Maschinen-,
Stahl- und Stablhochbau.
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Charakteristik der bekannten technisohen Lösungen Für das Schweißen
dicker Nähte, insbesondere beim Schweißen von Kehlnähten mit großen Nahtdicken ist
beim gegenwärtigen Stand der Technik ein mehrlagiger Nahtaufbau unumgänglich. Die
einzelnen Nahtlagen werden linienförmig oder zur Verbesserung des Nahtaufbaues pendelnd
geschweißt. Bei diesen Arbeitsvorgängen wird der Schweißbrenner entlang der Nahtkehle
mit Hilfe mechanischer Mittel oder elektrisch unter Verwendung von Abstandssensoren
nachgeführt, welche über bekonnte elektronische Mittel die Antriebe der Vorschubeinrichtung
des Schweißbrenners nachsteuern. Die Nachführung erfolgt hierbei in der Regel unmittelbar
entlang zweier, insbesondere senkrecht Sueinander stehender Bauteilflächen, beispielsweise
entlang yon Gurt und Steg eines Trägers, so daß das automatische Schweißen der Nahtwurzel
sehr einfach erw möglicht wird. Beim schweißen der Decknähte macht sichltngegen
eine Seitenverstllung des Schweißbrenners erforderlich. Dafür sind Einrichtungen
bekannt, welche über einen Spindeltrieb eine Lageveränderung des Schweißbrenners
vorzunehmen gestatten. Nach jedes Schweißnahtlage wird vom Schweißer der Brenner
für das Schweißen der nächsten Lage eingestellt.
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Sofern, wie bei der Ausführung von senkrechten Kehlnähten, eine zusätzliche
Pendelbewegung des Schweißbrenners erfordert lich ist,kDmmen zusätzliche kinematisehe
Systeme zur Anwendung, welche eine der Nahtform und Nahtbreite anpaBbare Pen delbewegung
ermöglichen. Sie sind im Allgemeinen als Kurven-oder Exzentertriebe niit Stelleinrichtungen
und in seltenen Fällen als magnetische Antriebsmechanismen aufgebaut.
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Der Nachteil aller dieser Stell- und Se:ndeleinrichtungen besteht
in dem hohen getriebetechnischen Aufwand. Weiterhin haben alle bekannten Lösungen
den Waehteil, daß die in der Nahtfuge vorliegenden Toleranzen nicht ausgesteuert
werden können. So wird bei Veränderung der Spaltbreite eine Nach Stellung der Pendelaniplitude
und gegebenenfalls gleichzeitig bei abweichendem Nahtverlauf eine Nahtnachsteuerung
erforderlich.
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Eine automatische Nabtnachsteuerung entsprechend dieser auf tretenden
Störgrößen gilt bisher als ungelöst, so daß derartige Schweißgeräte oder Schweißanlagen
nur unter ständiger Beobachtung eines Schweißers zu betreiben sind, welcher manuell
die geometrische Lage des Schweißkopfes und ggf.
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die Pendeleinrichtung nachstellt.
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Ziel der Erfindung Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
welches eine automatische Positionierung eines Schweißkopfea für jede Nahtlage einer
Mehrlagnschweißung ermöglicht, die Pendelbewegung entsprechend der Nahtbreite erzeugt
und nachsteuert und den Schweißkopf entsprechend des tatsächlichen Nahtverlauf es
führt.
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Das Wesen der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
unter Verwendung von Sensoren einen Brenner entlang einer Nahtkehle oder Nahtfuge
unter Berücksichtigung der Einzelnaht beim Mehrlagenschweißen zu führen und gleichzeitig
die Pendelamplitude des Schweißbrenner den Scbweißspalttoleranzen anzupassen.
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Brfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, indem der Abstand
jeweils eines wirksamen Sensorpaares von den Bauteiloberflächen un4/oder Bauteilhilfsflächen
stufenweise oder stetig verändert oder die geometrische Abstandsänderung elektronisch
simuliert wird. Als Sensoren werden in diesem Zusammenhang vorzugsweise Abstandssensoren
bekannter Bauart verstanden. Als Bauteiloberflächen gelten beispielsweise Steg und
Flansch eires Trägers, die durch eine Kehlnaht miteinander
verbunden
werden. Die Sensoren stehen in diesem Falle in einem Winkel von 900 zueinander.
Bei Stumpfnahtverbindungen in einer Blechebene tastet ein Sensor die Blechoberfläche
in Schweißnahtnäbe ab, während der komplementäre Sensor entlang der Oberfläche einer
parallel zur Bezugsfläche verlaufenden Naht geführt wird. Als Bauteilhilfsfläche
kommt beispielsweise eine parallel zur Schweißnaht verlaufende Schnittfläche der
stumpf zu verbindenden Bleche zum Einsatz.
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Wenn eine derartige Hilf sfläche nicht zur Verfügung steht, kann auf
eine parallel zur Schweißnaht liegende opierschiene zurückgegriffen werden.
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Eine Abstandsänderung der Sensoren von den Bauteiloberflächen oder
deren Simulierung ist auf folgenden Wegen möglich; Bei einer mit unterschiedlichen
Abständen, gestaffelten Sensorgruppe, der eine ebensolche Gruppe komplementärer
Sensoren zugeordnet ist, deren Wirkungsrichtungen Jeweils in der Richtung der nachzustellenden
Bewegung (bei Kehlnähten beispielsweise in x- und y-Richtung) liegen, wird Jeweils
nur ein komplementäres Sensorpaar eingeschaltet. Durch eine Umschaltung aut ein
anderes Sengorpaar mit einem anderen Abstand zur Bauteiloberfläche wird der Nachsteuervorgang
des Schweißkopfes auf eine andere lyahtlage ermöglicht.
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Nach einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine geradlinige Verschiebung
eines Sensore oder Sensorpaares relativ zum Schweißbrenner in Richtung der nalchzustellenden
Bewegung. Beim Einsatz ton zwei senkrecht zueinander wirkenden Sensoren kann man
durch verschiedene Verschiebewege parallel verschobene Nähte unter Berücksichtigung
von Toleranzen herstellen. Diese Verschiebung kann rerwirklicht werden durch Schrittmotor
mit Spindel, pneumatische oder hydrauliche Zylinder oder durch Hubmagnete.
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Darüberhinaus ist es möglich, den Sensor oder ein Sensorpaar durch
eine geradlinig in Aohsrichtung des Brenners verschiebbare kinematische Viergelenkkette
zu verstellen.
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Das Antriebsglied des Viergelenks wird durch einen Schrittmotor betrieben.
Das angetriebene Glied, dessen fester Drehpunkt möglichst nahe am Brennerende (Eontaktdüse)
angeordnet sein soll, ist ein gleichschenkliger rechter Winkel, an dessen Enden
die Sensoren betestigt sind. Die geradlinige Verschiebung des Viergelenks kann wie
oben erwähnt, verwirklicht werden.
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Das elektrische, Simulieren einer Sensor-Abstandsänderung von dem
Bauteil geschieht insbesondere durch die elektrische Addition einer geeigneten SpannUng
zu dem im Bereich des Sollabstandes analogen Ausgangsaignal eines starr mit dem
Brenner verbundenen Sensors, bedingt dadurch, daß die elektrisch angesteuerte Verstelleinrichtung
auf einen bestimmten Signalpegel als, neutralen Wert eingestellt ist, führt diese
Spannungsüberlgerung zu einer Korrekturbewegung der Verstelleinrichtung, so lange,
bis das eigentliche Sensorausgangssig nal die Zusatzspannung kompensiert hat, woraus
sich effektiv ein veränderter Sollabstand ergibt, oder aber es erfolgt die Veränderung
der Größe eines oder mehrerer den Kennlinienverlauf des starr mit dem Brenner verbundenen
Sensors wesentlich beeinflussender Bauelemente in der Art, daß sich dadurch derjenige
Punkt der Kennlinie, der dem Sollwert entspricht, zu größeren oder kleineren Abständen
verschiebt.
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Ausführungsbeiapiel Die Erfindung noll anhand von Ausführungßbeispielen
näher erläutert werden.
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In den dazugehdrenden Zeichnungen zeigen Fig. 1 : Eine Sensoranordnug
in geometrisch gestaffeltem Aufbau
Fig. 2 : Das Schema einer Mehrlagen-Kehlnahtschweißung
mit verschieblichen Sensoren Fig. 3 s Die Lageveränderung zweier Sensoren mit Hilfe
einer Viergelenkkette Fig. 4 : Die Kennlinie eines Abstandssensors Fig. 5 : Eine
Arbeitspunktverscbiebung mit Hilfe einer Hilfsspannung Uz Fig. 6 : Die Erzeugung
der Hilfsspannung Uz mit Hilfe einer Operationsverstärkerschaltung Fig. 7 : Eine
Aussetzoszillatorrchaltung mit Einstellung des Kennlinienverlaufs.
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In Fig. 1 sind zur Herstellung der parallel zueinander verlaufenden
Schweißnahtlagen 1 bis 4 Sensoren 6 bis 11 an einem Schweißbrenner 5 so angeordnet,
daß die Staffel 6; 7; 8 rechtwinklig zur Stapel 9; 10; 11 wirkt. Beim Schweißen
der Nahtiage 2 wird auf die Sensoren 6 und 11, bei der Nahtlage 3 auf die Sensoren
7 und 10 und beim Schweißen der Naht 4 auf die Sensoren 8 und 9 umgeschaltet. Durch
verschiedene Abstände der Sensoren lassen sich unterschiedliche Mehrlagen programme
verwirklichen.
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Die in Figur 2 durch die Schweißnahtlagen 1 bis 4 gebildet Mehrlagenscbweißung
wird hergestellt, indem die Sensoren 6 und7durch einen Schiebemechanismus relativ
zum Brenner 5 bewegt werden. Wird z. B. der Sensor 6 in positiver X-Richtung bewegt,
fährt der Brenner 5 um den gleichen Betrag in negativer -Richtung.
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In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen wird der Brenner
5 durch ein in Richtung der Brennerlängsachse verschiebbares Viergelenk gesteuert,
wobei an einem Winkelhebel 12. Sensoren 6 und 7 befestigt sind.
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Das Viergelenk besteht aus dem in Richtung der Brennerlängsachse
verschiebbaren
festen'1 Glied 15, dem Antriebsglied 13, das durch einen Schritt- oder Stellmotor
betrieben wird, dem Ubertragungsglied 14 und dem angetriebenen Glied 12, das als
Winkelhebel, an dem die Sensoren 6 und 7 befestigt sind, ausgebildet ist. Bei Drehung
des Antriebsgliedes 13 werden die Sensoren 6 und 7 der Werkstückoberfläche genähert
oder entfernt. Dabei bewirken die Stellantriebe des Roboters eine Änderung der Brennerstellung.
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Die Längsverschiebung des festen Gliedes 15 ermöglicht eine parallele
Verschiebung der durch das freie Drahtende erzeugten Kurve. Damit wird eine Mehrlagenschweißung
möglich.
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Zur elektronischen Simulation einer geometrischen Abstandsänderung
eines Sensors von Bauteiloberflächen werden in den folgenden Beispielen Abstandssensoren
verwendet; die in Abhängigkeit von der in der Wirkungsrichtung gemessenen Entfernung
d zu einer metallischen Fläche ein analoges Signal Uß = f (d) liefern, mit welchem
die elektrischen Stellglie der für die Brennerführung angesteuert werden.
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Das Sensorsignal möge nach Fig. 4 bei einem bestimmten Sollabstand
do den Wert U5 = f (do) = 0 annehmen und innerhalb einer gewissen Abstandsvariation
# d eindeutige Werte Us = f (d1) < O für d1 < do und U8 = f (d2) r O für d2
vt do-Für das Schweißen mehrerer Nahtlagen 1; 2; 3; 4 wird der Schweißbrenner 5
durch entsprechende Änderungen der Sollabstände do zweier Sensoren, beispielsweise
bei Beschränkung auf ein Sensorpaar nach Fig. 1 der Sensoren 8; 11 in die 3eweils
erforderliche Position relativ zur geometrischen Kehle mit Hilfe der nicht dargestellten
Antriebamechanismen bewegt und dort geführt.
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Der Sollabstand do ist nach Fig. 4 elektromechanisch dadurch charakterisiert,
daß die elektrische Verstelleinrichtung bei verschwindend ein analogen Signal U5
keine mechanische Bewegung der betreffenden Achse zuläßt.
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Nach Fig. 5 wird dem analogen Signal U5 des Sensors 8 oder des Sensors
11 eine geeignete Hilfsspannung Uz überlagert, deren Wert im Bereich von Us min
c Uz < U5 max liegt. Damit entsteht eine Summenspannung Zuges = Us + Uz, die
für einen von der Hilfsspannung Uz abhängigen Abstand do gleich Null
wird
und als Eingangssignal für die Stelleinrichtung zur Verfügung steht. Im Bereich
der Abstandsvariation A d wirkt damit d# als neuer, veranderter Sollabstand.
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Zu beachten ist dabei, daß die Beträge der Grenzwerte U5 min bzw.
Us max noch hinreichend groß sind, damit als Eingangssignal für den betreffenden
Antriebsregler bei Abstandsabweichungen vom Sollabstand do noch eine genügend große
Spannung zur Verfügung steht, um die Korrekturbewegung mit der erforderlichen Geschwindigkeit
ausführen zu können. Realisiert wird die Erzeugung der verschiedenen Spannungen
Uz im Ausfiihru:tgsbeispiel nach Fig.
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6 durch einen mittels des Schalters K 2 umschaltbaren Spannungsteiler,
welcher eingangsseitig mit einer festen Gleichspannung V gespeist wird, derer Folaritit
mit Hilfe des Umschalters K 1 verändert werden kann.
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Die Addition des analogen Signals U5 und Hilfsspannung Uz erfolgt
mit Hilfe eines als Summierer betriebenen Operationsverstärkers 16, an dessen Ausgang
Uges abgenommen und auf den Eingang des Stellgliedes geleitet wird.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Kennlinienverlauf
des Abstandssensors verändert. Fig. 7 zeigt scbematisch den veränderten Aufbau des
Sensors, der beispielsweise als Einzelezemplar eines Sensorpaares 8; 11 - bei Beschränkung
auf die Verwendung vonnur einem Sensorpaar - gemäß Fig. 1 eingesetzt werden kann.
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Die durch Variation der Parameter eines Bauelementes des Sensors erzielende
Änderung des Kennlinienverlaufs wird in diesem Beispiel erreicht durch die mittels
des Schalters K 3 realisierte Umschaltung auf verschieden dimensionierte ohmsche
Dämpfungswiderstände Ra; ; ; Arc, welche als Dämpfungsglieder in einem elektronischen
Oszillator fungieren, dessen Gesamtbedämpfung und damit dessen Gleichstromaufnabme
analog verändert
wird durch die Annäherung des Oszillatorspulensystems
an eine bzw. Entfernung von einer Metallfläche; die Stromänderung bei konstanter
Betriebsspannung U3 wird über eine Brückenschaltung in bekannter Weise in eine entsprechende
Änderung des analogen Signals Us umgesetzt.
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Auf diese Weise läßt sich der Sollabstand, d. h. derjenige Kennlinienpunkt
mit dem Wert Null für die Sensorausgangs spannung, eines solchen, nach dem Prinzip
des Abreißoszillators arbeitenden Abstandssensors innerhalb eines gewissen Bereiches
verändern.
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Für das Pendeln des Schweißbrenners kann die Veränderung des Sollabstandes
nach den gleichen Lösungen erfolgen. Nur geschieht hier die Soilabstandsänderung
stetig während des Schweißens als ein dynamischer Vorgang, während beim Sehrlagenschweißen
die Sollabstandganderung vor dem Schweißprozeß programmiert ist und während des
Schweißens unterbleibt.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 bis 4 - Schweißnahtlagen
5 - Schweißbrenner 6 bis 11 - Abstands-Sensoren 12 - angetriebenes Glied-Winkelhebel
13 - Antriebsglied 14 - Vbertragungsglied 15 - festes Glied 16 - Operationsverstärker
d - Abstand Sensor: Bauteiloberfläche # d - Abstandsvariation Sensor: Bauteiloberfläche
do - tollabstand zu d - korrigierter Sollabstand zu d US - analoges Signal als f(d)
U, mini Us max - grenzwerte des analogen Signals U5 Uz - Hilfsspannung Uges - Us
~ Uz UB - Betriebsspannung K1 - Polaritätsumschalter K2 - Spannungsumschalter K3
- Kennlinienumschalter Ra; Rb; Rc - Dämpfungswiderstände R1; R2@... - Spannungsteiler
Ru R3; Rc; Rr - Verstärkerbeschaltung V - Speisespannung