DE3144155C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Schweißroboters der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

In neuerer Zeit werden zur Arbeitseinsparung bei Schweißoperationen, zur Verbesserung der Schweißqualität und zur Verbesserung der Umgebungsbedingungen der Schweißer usw. in zunehmendem Maße Schweißroboter eingesetzt. Das Auftragsschweißen ist eine der bedeutendsten Funktionen von Schweißvorgängen, für die Schweißroboter eingesetzt werden, es ist jedoch technisch schwierig durchzuführen.

Zur Durchführung des Auftragsschweißens mit einem Schweißroboter wird zunächst der für die erste Schweißnaht vorgesehene Weg in Form zugehöriger Daten ausgegeben und abgefahren und dann der für die zweite, dritte usw. Schicht vorgesehene Weg. Bei der Berechnung der Wege für die zweite und die nachfolgenden Schichten muß der Schweißauftrag der vorhergehenden Schicht mitberücksichtigt werden. Da diese nur unzureichend möglich ist, werden die Abstände zwischen den Schweißzentren der einzelnen Schichten ungleichmäßig, wodurch die Schweißgenauigkeit verringert wird.

Wenn gemäß Fig. 1 eine zweischichtige Schmelzschweißung (Fugenschweißung) der Teile 5 und 6, die in Fig. 2 dargestellt sind, erfolgen soll, wird nach dem Stand der Technik ein Schweißroboter mit zwei Schweißköpfen 1 und 2 benutzt. Die Enden der Schweißdrähte 3 und 4 der Schweißköpfe 1 und 2 zeigen in Richtung auf die Schweißlinie und ihr Abstand längs der Schweißlinie beträgt Δ L₁, während die Spitzen der Schweißdrähte voneinander senkrecht zur Schweißlinie einen Versatz von Δ L₂ haben. Zunächst wird der Schweißkopf 1 entlang der Schweißbahn für die erste Schicht geführt. Wenn der Schweißkopf 1 sich von dem Startpunkt P um den Abstand Δ L₁ fortbewegt hat, während die erste Schicht geschweißt wird, beginnt der Schweißkopf 2 mit dem Schweißen der zweiten Schicht am Punkt P. Wenn der so entstandene doppelte Schichtauftrag in Richtung der Schweißnaht betrachtet wird, ist der Abstand zwischen dem Schweißzentrum C₁ der ersten Schicht und dem Schweißzentrum C₂ der zweiten Schicht gleich dem Versatz Δ L₂ zwischen den Enden der Schweißdrähte 3 und 4 der Schweißköpfe 1 und 2. Der Mittenabstand der Schweißschichten wird daher gleichmäßig, wodurch eine hohe Schweißgenauigkeit ermöglicht wird.

Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß es wegen des Erfordernisses zweier (oder mehrerer) Schweißköpfe teuer ist und daß der Mittenversatz Δ L₂ des Schweißquerschnittes nicht leicht verändert werden kann. Wenn Δ L₂ mechanisch verstellt wird, ist eine Einstellung dieses Wertes mit hoher Genauigkeit schwierig und zeitaufwendig durchzuführen. Wird dagegen Δ L₂ elektrisch oder hydraulisch verstellt, so wird ein Servomechanismus für die Positionierung benötigt, was die Kosten erhöht. Ein weiteres Problem besteht darin, daß dieses Verfahren nicht zum Schweißen mehrlagiger Kehlnähte gemäß Fig. 4 benutzt werden kann.

Der Oberbegriff des Patentanspruchs geht aus von einem Verfahren, das aus US-PS 42 24 501 bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine erste Programmierphase und danach eine zweite Lern-Phase durchgeführt. In der ersten Programmierphase werden die Schweißgeschwindigkeit, Schweißzustände und vorbestimmte Pendelmuster, die der Schweißkopf ausführen soll, festgelegt. In der zweiten Lern-Phase wird der Manipulatorarm manuell über die vorgesehenen Schweißbahnen geführt. Beim anschließenden Schweißen werden die Informationen von Programmierphase und Lern-Phase einander überlagert und beide Informationen werden gleichzeitig zur Ausführung der Schweißbewegung verwendet, so daß der Schweißkopf in bestimmten Bereichen der Schweißbahn mit bestimmten Geschwindigkeiten und ggf. mit bestimmten Pendelmustern geführt wird. Diejenigen Steuerparameter, die in der ersten Programmierphase eingegeben werden, sind unabhängig von dem bereits durchlaufenen Weg. Dieses bekannte Verfahren beruht auf einer Kombination einer handgeführten Lernphase und manuell programmierten Zusatzinformationen, wobei beide Steuerungen einander überlagert und bei einem einzigen Lauf des Schweißkopfes ausgeführt werden.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Durchführung eines Auftragsschweißens gemäß DE 30 07 098 A1 wird zunächst eine Lernphase durch handgeführtes Bewegen des Manipulatorarmes des Schweißroboters ausgeführt und danach werden während des Wurzelschweißens bei jedem einzelnen Werkstück die individuellen Werkstücktoleranzen und die sich daraus ergebenden Schweißbahnabweichungen ermittelt. Hierbei sind die Parameter nicht unabhängig vom Ort auf der Schweißbahn veränderbar. Beide Bahnen, also die "gelernte" Schweißbahn und die viduellen Schweißbahnabweichungen werden einander überlagert, um die für die zweite Schweißschicht erforderliche Bahn festzulegen. Ein gegenseitiger Versatz der Schweißschichten erfolgt nicht.

Aus DE-OS 24 36 047 ist ein Schweißverfahren bekannt, bei dem die Schweißparameter mit Hilfe einer kodierten Scheibe nach Art einer Folgesteuerung verändert werden. Dabei werden Schweißparameter, wie Stromstärke, Einschalten eines Gases, Zuschalten eines Inertgases u. dgl., nach einem vorgegebenen Programm gesteuert. Eine Positionssteuerung ist nicht beschrieben.

Der Prospekt "KUKA-Industrieroboter IR 601/60" der Firma Industrie-Werke Karlsruhe Augsburg AG beschreibt Industrieroboter mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen und für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen konstruktiven Voraussetzungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs anzugeben, das ein mehrlagiges Auftragsschweißen mit hoher Genauigkeit ermöglicht und mit geringem Programmier- und Rechenaufwand durchführbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Schweißschicht anhand der gespeicherten Daten ausgeführt, wobei das Schweißzentrum dieser Schicht die vorgesehene Lage erhält. Danach wird dieselbe Schweißbahn von neuem durchlaufen, wobei mindestens einer der Parameter gegenüber dem ersten Lauf um einen konstanten Betrag verändert ist. Derjenige Parameter, der verändert wird, gibt die Länge eines Armteils an, das in Richtung des vorgesehenen Versatzes der Schweißzentren liegt. Mindestens eines der Armteile ist in Richtung des vorgesehenen Versatzes der Schweißschichten gerichtet und die Länge dieses Armteils wird um einen konstanten Betrag verändert. Es braucht also nur die Bahnsteuerung für die erste Schweißschicht festgelegt zu werden und nach dieser Bahnsteuerung richten sich dann die Bahnen der nachfolgenden Schichtaufträge, bei denen jeweils nur eine Konstante geändert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat ferner den Vorteil, daß seine Durchführung unabhängig von der Art der Schweißstelle und der Form der Schweißfuge möglich ist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung der Schweißköpfe eines mit zwei Schweißköpfen versehenen bekannten Schweißroboters,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Schweißvorgangs mit der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung aus der Richtung der Schweißlinie bei dem Schweißen gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt einer mehrschichtigen Kehlschweißung,

Fig. 5 und 6 Seitenansichten einer Gelenkvorrichtung eines Schweißroboters nach der Erfindung, und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der Gelenkvorrichtung.

In Fig. 5 ist ein Verfahren zur Durchführung einer Doppellagen-Schmelzschweißung beim Fugenschweißen dargestellt. Der vordere Endpunkt eines Armes 10 des Schweißrobotors ist mit A bezeichnet. Die Schwenkachse, um die die Gelenkvorrichtung 11 innerhalb der X-Y-Ebene schwenkbar ist, ist mit U bezeichnet, die Schwenkachse, um die die Gelenkvorrichtung 11 in der Y-Z-Ebene schwenkbar ist, ist mit V bezeichnet und die Spitze des Schweißdrahtes ist mit P bezeichnet.

Die Längen l 1, l 2, l 3, l 4 und a sind wie folgt definiert:

l 1: Abstand zwischen dem Punkt A und der Schwenkachse U;
l 2: Abstand der Gelenkachse V von der Schwenkachse U in Y-Richtung;
l 3: Abstand der Schwenkachse U von der Gelenkachse V in Z-Richtung;
l 4: Abstand des Endes des Schweißkpfes 12 von der Gelenkachse V;
a: Abstand des Endes des Schweißkopfes 12 von der Spitze des Schweißdrahtes 13.

Der Schweißroboter steuert die Spitze bzw. das Ende des Schweißkopfes 12 (oder die Spitze P des Schweißdrahtes 13) so, daß diese der gewünschten Schweißbahn folgt, wobei die Abstände l 1, l 2, l 3, l 4 und a Konstante und der Gelenkwinkel um die Gelenkachse V sowie die Stellung des Punktes A (X, Y, Z) des Armes 10 Variable sind. Wenn beispielsweise die Werkstücke 14 und 15 gemäß Fig. 5 durch Fugenschweißung verbunden werden sollen, werden die Winkel um die Achsen U und V auf Null gestellt und der Schweißroboter wird so gesteuert, daß er die Spitze P des Schweißdrahtes auf das Mittenzentrum Q 1 der ersten zu erzeugenden Schweißschicht einstellt. Dann wird der Punkt A ausschließlich in X-Richtung rechtwinklig zur Zeichenebene bewegt, wobei die Drehwinkel um die Achsen U und V unverändert bleiben. Hierbei wird die Spitze P des Schweißdrahtes 13 so gesteuert, daß sie der gewünschten Schweißnaht folgt, d. h. der Schweißweg geht durch die Schweißmittellinie Q 1 der Fuge zwischen den Werkstücken 14 und 15 hindurch.

Die Längeninformationen für die Abstände l 1, l 2, l 3 und l 4 des unteren Armes sind wie folgt bezeichnet:

l 1 = L₁
l 2 = L₂
l 3 = L₃
l 4 = L₄ (1)

Hierbei ist eine mehrschichtige Schmelzschweißung durch einen Schweißroboter möglich, indem, eine Sequenzsteuerung der Spitze des Schweißkopfes 12 erfolgt, weil der Schweißroboter die Spitze des Schweißkopfes 12 (oder die Spitze P des Schweißdrahtes 13) in der oben beschriebenen Weise führen kann.

Dies bedeutet, daß bei der Durchführung des Fugenschweißens an den Werkstücken 14 und 15 der Fig. 5 zum Schweißen der zweiten Schicht die für die Schweißung der ersten Schicht benutzten Positionsdaten auch für die Führung des Schweißkopfes 12 beim Schweißen der zweiten Schmelzschicht benutzt werden und daß die Längeninformationen für die Abstände l 1, l 2, l 3 und l 4 des unteren Armes nunmehr wie folgt lauten:

l 1 = L₁
l 2 = L₂
l 3 = L₃ + Δ L
l 4 = L₄ (2)

oder

l 1 = L₁
l 2 = L₂
l 3 = L₃
l 4 = L₄ + Δ L (3)

Hierin ist Δ L der Abstand der Mittellinie Q₁ der Schweißlinie der ersten Schicht von der Mittellinie R 1 der zweiten Schicht rechtwinlig zur Schweißnaht (in Richtung des Schweißkopfes 12) gemessen.

Auf dieser Basis bewegt sich die Spitze P des Schweißdrahtes 13 (das Schweißzentrum R 1 der zweiten Schicht) von dem Schweißzentrum Q 1 der ersten Schicht um einen Abstand nach oben, der gleich der Abstandsänderung Δ L von l 3 oder l 4 ist, und die zweite Schicht kann nunmehr mit dem gleichen Schweißdraht-Führungs- oder Positionsdaten hergestellt werden, wie die erste Schicht.

Fig. 6 zeigt ein Verfahren zur Durchführung eines mehrschichtigen Schweißauftrages einer Kehlnahtschweißung mit dem Schweißroboter. In diesem Fall sind die Drehwinkel U und V auf R bzw. Φ fixiert und der Schweißroboter wird so geführt, daß die Spitze P des Schweißdrahtes 13 mit dem Schweißzentrum Q₁ der ersten Schicht übereinstimmt. Beispielsweise sind die Abstände l 1, l 2, l 3 und l 4 der Längeninformation in Gleichung (1) vorgegeben und die Spitze P des Schweißdrahtes 13 wird so gesteuert, daß sie sich entlang einer Linie bewegt, die jeweils das Schweißzentrum Q₂ der aufzubringenden ersten Schicht darstellt. Zum Schweißen der zweiten und dritten Schicht werden die Weg-Positionsdaten, die zur Schweißung der ersten Schicht benutzt worden sind, wiederum zur Führung der Spitze des Schweißkopfes 12 benutzt und die Abstände l 1, l 2, l 3 und l 4 werden wie folgt eingestellt:

Für die zweite Schicht:

l 1 = L₁
l 2 = L₂ + Δ L₂
l 3 = L₃
l 4 = L₄ (4)

Für die dritte Schicht:

l 1 = L₁
l 2 = L₂
l 3 = L₃ + Δ L₃
l 4 = L₄ (5)

Hierin bezeichnet Δ L₂ den Abstand zwischen dem Schweißzentrum Q₂ der ersten Schicht und dem Schweißzentrum R₂ der zweiten Schicht und Δ L₃ bezeichnet den Abstand zwischen dem Schweißzentrum S₂ der dritten Schicht und dem Schweißzentrum Q₂ der ersten Schicht.

Auf diese Weise kann durch Hinzufügen einiger Versatzwerte zu den Abstandsdaten der Gelenkvorrichtung auf einfache Weise ein mehrschichtiger Schmelzauftrag unter Verwendung der gleichen Bahnführungsdaten erzeugt werden. Mehrschichtige Schmelzschweißnähte können in den unterschiedlichsten Formen erzeugt werden, beispielsweise zum Schweißen des Werkstückes 16 in Fig. 7.

In orthogonalen Koordinatensystemen X, Y und Z wird ein Werkstück 17 parallel zur X-Y-Ebene angeordnet und die Z-Koordinate seiner Oberfläche wird mit Zo bezeichnet. Der Radius des halbzylindrischen Werkstückes 16 ist mit r bezeichnet und der Mittelpunkt dieses Werkstückes mit den Koordinaten Xo, Yo, Zo ist mit O bezeichnet. Es sei angenommen, daß die Spitze P (X₁, Y₁, Z₁) des Schweißdrahts 13 im Schweißzentrum der Schweißnaht verläuft und daß der Schweißkopf 12 so gesteuert ist, daß er in Draufsicht stets auf den Mittelpunkt O der zu erzeugenden halbkreisförmigen Schweißnaht zeigt. Die Winkel der Drehachsen U und V seien jeweils R und Φ und der Endpunkt A des Armes 10 sei durch die Koordinatenwerte X, Y und Z bezeichnet.

Die Beziehung zwischen dem Punkt A (X, Y, Z) der Spitze P (X₁, Y₁, Z₁) und dem Mittelpunkt O (Xo, Yo, Zo) geben die folgenden Gleichungen an:

(X₁-Xo) ² + (Y₁-Yo) ² = r² (6)
Zo = Z₁ (7)
X + { (a + l 4) sin Φ + l 2 } sin Φ = X₁ (8)
Y + { (a + l 4) sin Φ + l 2 } cos Φ + l 1 = Y₁ (9)
Z-l 3-(a + l 4) cos Φ = Z₁ (10).

Wenn der Endpunkt A (X, Y, Z) des oberen Armes 10 und die Winkel R und Φ der Drehachsen U und V so gesteuert sind, daß die Gleichungen (6) bis (10) erfüllt sind, bewegt sich die Spitze P (X₁, Y₁, Z₁) des Schweißdrahts 13 entlang der Linie des Schweißzentrums der vorgesehenen Schweißnaht. Auf diese Weise wird die erste Schicht der Schmelzschweißnaht erzeugt.

Zum Schweißen der zweiten Schicht, die um den Abstand Δ r in radialer Richtung r nach außen versetzt ist, wird die Längeninformation für den Abstand l 2 von L₂ auf L₂ + Δ r verändert, so daß das Schweißzentrum der zweiten Schicht gegenüber demjenigen der ersten Schicht in radialer Richtung um den Abstand Δ r versetzt ist. Es ist auch möglich, die zweite Schicht herzustellen, indem das Schweißzentrum in Längsrichtung des Schweißkopfes 12 um den Abstand Δ L₄ verschoben wird. In diesem Fall wird die Längeninformation für den Abstand l 4 von L₄ nach L₄ + Δ L₄ verändert. Die Positionen werden anschließend so abgefahren, daß die Gleichungen (6) und (7) erfüllt sind.

Die Abstände der Schweißzentren zwischen den Schweißschichten sollten unter Berücksichtigung der Schweißwerkzeuge, der Art der Verbindung, der Querschnittsform der Fuge usw. vorgewählt werden. Durch sequentielle Zuführung dieser eingestellten Werte kann ein Mehrschicht-Schmelzschweißen durch mehrfaches Abfahren einer einzigen Bewegungsbahn durchgeführt werden.

Claims (1)

1. Verfahren zur Steuerung eines Schweißroboters, dessen Arm an einer Gelenkvorrichtung mit zwei Schwenkachsen und mehreren entlang linearer Achsen bewegbarer Armteile einen Schweißkopf trägt, wobei die Schweißspitze zur Erzeugung einer ersten Schweißschicht unter Steuerung der Bewegungen sämtlicher Achsen durch variierende gespeicherte Parameter entlang einer vorgegebenen Schweißbahn bewegt wird, und die Parameter unabhängig vom Ort auf der Schweißbahn veränderbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auftragsschweißen mehrerer Schweißschichten bei einem ersten Lauf die vorgesehene Schweißbahn anhand der gespeicherten Parameter abgefahren wird und daß danach ein zweiter Lauf erfolgt, bei dem der Parameter mindestens eines Armteils, dessen Richtung dem vorgesehenen Versatz zwischen den beiden Schweißschichten entspricht, um eine vom Ort auf der Schweißbahn unabhängige Konstante verändert wird.