DE3322678A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen bearbeiten von werkstuecken - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen bearbeiten von werkstuecken

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DE3322678A1
DE3322678A1 DE19833322678 DE3322678A DE3322678A1 DE 3322678 A1 DE3322678 A1 DE 3322678A1 DE 19833322678 DE19833322678 DE 19833322678 DE 3322678 A DE3322678 A DE 3322678A DE 3322678 A1 DE3322678 A1 DE 3322678A1
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pulses
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DE19833322678
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English (en)
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Robert Borgstroem
Torbjoern Göteborg Hjelm
Thorwald Pitea Lundkvist
Hinrich Dipl.-Phys. 2085 Quickborn Martinen
Istvan Sarady
Samuel Dipl.-Ing. 2090 Bahlburg bei Winsen Simonsson
Mats Lulea Tolonen
Peter Dipl.-Phys. Dr. 2090 Winsen Wirth
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Rofin Sinar Laser GmbH
Original Assignee
Rofin Sinar Laser GmbH
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K7/00Cutting, scarfing, or desurfacing by applying flames
    • B23K7/10Auxiliary devices, e.g. for guiding or supporting the torch
    • B23K7/102Auxiliary devices, e.g. for guiding or supporting the torch for controlling the spacial relationship between the workpieces and the gas torch
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/06Arrangements or circuits for starting the arc, e.g. by generating ignition voltage, or for stabilising the arc
    • B23K9/073Stabilising the arc
    • B23K9/0735Stabilising of the arc length
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
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    • B23K9/127Means for tracking lines during arc welding or cutting
    • B23K9/1272Geometry oriented, e.g. beam optical trading
    • B23K9/1276Using non-contact, electric or magnetic means, e.g. inductive means

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen
  • Bearbeiten von Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere Schweissen und Schneiden, bei dem das zu bearbeitende Werkstück relativ zum Bearbeitungswerkzeug bewegt, der Abstand des Werkzeugs von der Oberfläche des Werkstücks gemessen und der Ort des Werkzeugs unter Benutzung dieses Meßwertes eingestellt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.
  • Beim berührungslosen Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere beim Schweißen und Schneiden mit Hilfe von Gasschweißgeräten, Laserschweißgeräten, Plasma- oder Elektronenstrahlschweißgeräten ist es wichtig, den Abstand des Werkzeugs vom Werkstück innerhalb genau gegebener Grenzen zu halten. Bei numerisch gesteuerten Anlagen muß dieser Abstand automatisch eingehalten werden. Die Qualität einer solchen automatischen Steuerung für diesen Zweck hängt davon ab, wie genau der Abstand mit einem vorgegebenen Sollabstand übereinstimmt. Dies ist insbesondere bei Laserschweißgeräten notwendig, wo infolge der kurzbrennweitigen Linse in der Düse der Schweißabstand bis auf 0,1 mm genau dem Idealwert entsprechen sollte.
  • Es ist nun bekannt, den Abstand in einer numerischen Anlage wie folgt zu steuern.
  • Die Düse befindet sich in einer Halterung, in der sie mit Hilfe eines Antriebs nach oben und nach unten bewegt werden kann. Das zu bearbeitende Werkstück wird unterhalb der Düse in einer Ebene an der Düse vorbeibewegt, die senkrecht zur möglichen Bewegungsrichtung der Düse steht. Es wird dann, z.B. mit kapazitiven oder induktiven Meßmethoden, der Abstand der Düse vom Werkstück gemessen. Ist dieser Abstand größer als der Idealwert, so wird die Düse automatisch abgesenkt. Ist dieser Abstand kleiner, so wird die Düse von der Materialoberfläche entfernt.
  • Die entsprechende Regelung ist aber verhältnismäßig langsam, wenn das Werkstück profiliert ist, so daß die zu schweißende Oberfläche nicht eben ist. Damit trotzdem der Idealabstand möglichst genau eingehalten werden kann, sind nur verhältnismäßig langsame Vorschubgeschwindigkeiten für das Werkstück möglich, da die automatische Abstandsregulierung nicht schnell genug arbeiten kann. Das Gleiche gilt natürlich, wenn das Werkstück feststeht und das Werkzeug nicht nur in der zur Oberfläche senkrechten Richtung nachgeführt wird, sondern auch in der Ebene des Werkstücks bewegt wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Einregelung des Abstandes auf den vorbestimmten Abstand mit wesentlich größerer Geschwindigkeit erfolgen kann.
  • Die erfindungsgemäße Lösung besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, daß zur Einstellung des Orts des Werkzeugs eine dem Werkstück entsprechende Sollwertkurve eingegeben und der so eingestellte Ort fortlaufend mit Hilfe der Abstandsmessung korrigiert wird.
  • Es erfolgt also sozusagen eine doppelte Einregelung des Abstandes. Einmal wird als Funktion des Ortes über dem Werkzeug die ungefähr erforderliche Einstellung des Werkzeugs durch eine entsprechende Kurve vorgegeben. Gleichzeitig wird aber der Abstand gemessen und auch die Abweichung vom Ideal- bzw. Sollabstand zur Einstellung des Ortes des Werkzeugs verwendet.
  • Hat sich das Werkzeug z.B. über eine Vertiefung im Werkstück bewegt und gibt deshalb die Sollkurve den Anweis, das Werkzeug abzusenken, so wird gleichzeitig ein zu großer Abstand festgestellt und die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug abgesenkt wird, aufgrund des Fehlersignals erhöht. Umgekehrt wird die Geschwindigkeit verlangsamt, wenn die von der Sollkurve und vom Korrektursignal vorgegebenen Richtungen einander entgegengesetzt sind.
  • Die einfachste Art der erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Ort des Werkzeugs in einer zur Oberfläche des Werkstücks im wesentlichen senkrechten Richtung eingestellt und fortlaufend korrigiert wird. Dieses Verfahren wird bei im wesentlichen flachen Werkstücken zufriedenstellende Ergebnisse ergeben.
  • Ist das Werkstück aber stark gewölbt, so kann bei einer solchen Art der Steuerung das Werkzeug nicht immer senkrecht zum Werkstück stehen, was aber bei vielen Geräten, z.B. Laserschweißgeräten, zu einer Verschlechterung der Arbeitseigenschaften und des Wirkungsgrades führt. In einem solchen Fall kann vorgesehen werden, daß die Neigung des Werkzeugs um zwei Achsen entsprechend einer Sollwertkurve eingestellt wird und der Ort des Werkzeugs entsprechend einer Sollwertkurve in zwei zueinander senkrechten Richtungen eingestellt und fortlaufend korrigiert wird.
  • Es wird also zunächst die Neigung oder der Winkel je nach Stelle des Werkstücks auf einen vorher bestimmten Wert eingestellt, der der senkrechten Einstellung wenigstens ungefähr entspricht (auf kleine Abweichungen von der senkrechten Richtung kommt es dabei nicht an).
  • Anschließend wird dann in den zwei zueinander senkrechten Richtungen, die den wichtigsten Hauptverstellungsrichtungen entsprechen, der Abstand auf den Idealwert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingestellt.
  • Dieses Verfahren hat zwar den Vorteil, verhältnismäßig einfach zu sein, wird aber nicht für alle Formen des Werkstücks optimale Ergebnisse bieten können. In diesem Falle kann vorgesehen sein, daß die Neigung des Werkzeugs um zwei Achsen entsprechend einer Sollwertkurve eingestellt wird und der Ort des Werkzeugs entsprechend einer Sollwertkurve in drei zueinander senkrechten Richtungen eingestellt und fortlaufend korrigiert wird.
  • Die Erfindung kann jedoch auch Anwendung finden auf ein Verfahren zur Führung des Werkzeugs entlang einer Diskontinuität der Werkzeugoberfläche, insbesondere eines Grats einer Rille oder einer Schweißnaht. Die automatische Verfolgung dieser Diskontinuität mit dem Werkzeug kann dabei erfindungsgemäß erreicht werden, indem der Abstand an vier um je 900 versetzten Stellen in der Umgebung des Werkzeugs gemessen wird, daraus die Abweichung von der Mitte der Diskontinuität bestimmt wird und damit der entsprechend einer Sollwertkurve in zwei zueinander senkrechten, zur Oberfläche des Werkstücks im wesentlichen parallelen Richtungen eingestellte Ort des Werkzeugs fortlaufend korrigiert wird.
  • Es wird also zunächst wieder eine Sollkurve eingestellt, die dem Verlauf der Diskontinuität auf der Werkstückoberfläche entspricht. Dann wird der Abstand an den vier verschiedenen Stellen gemessen. Befindet sich das Werkzeug genau in der Mitte einer symmetrischen Diskontinuität, so werden die jeweils gegenüberstehenden Sensoren den gleichen Abstand melden.
  • Bewegt sich aber das Werkzeug z.B. nach rechts von der Mitte der Diskontinuität in Form einer erhöhten Schweißnaht weg, so werden ein oder zwei rechts angeordnete Sensoren einen größeren, die jeweils gegenüberliegenden Sensoren einen kleiner werdenden Abstand melden, was dann zur Korrektur der Stellung des Werkzeugs über der Diskontinuität verwendet werden kann. Ist die Diskontinuität eine Rille, so muß die Steuerung entsprechend durchgeführt werden, wobei lediglich das Vorzeichen der Abstandsänderungen entsprechend geändert werden muß.
  • Dieses Verfahren kann dazu dienen, das Werkzeug entlang der Diskontinuität zu führen. Weitere Schritte sind nicht erforderlich, wenn die Diskontinuität immer dieselbe Höhe hat oder die Höhe des Werkzeugs über der Diskontinuität von untergeordneter Bedeutung ist. Soll aber gleichzeitig der Abstand des Werkzeugs von der Diskontinuität in der zur Werkstückoberfläche senkrechten Richtung geregelt werden, so kann vorgesehen werden, daß auch der mittlere Abstand an den vier Stellen gemessen und zur Einstellung bzw. Korrektur des Ortes des Werkzeuges in der zu den anderen beiden Richtungen senkrechten Richtung verwendet wird.
  • Zu diesem Zweck werden die vier Sensoren nicht nur in der Art einer Brückenschaltung miteinander verbunden, so daß festgestellt werden kann, nach welcher Seite die Diskontinuität wegwandert. Die Signale werden vielmehr auch addiert, um den mittleren Abstand zu erhalten, der von den vier Sensoren gemessen worden ist.
  • Bei allen diesen Verfahren kann das Problem auftreten, daß an einer Fehlstelle (z.B. einem Loch) das Werkzeug sehr schnell auf das Werkstück zuwandert, da hier ja ein sehr großer Abstand gemessen wird. Bei der weiteren Bewegung des Werkzeugs über die Werkstückoberfläche kann es dabei am Ende der Fehlstelle bzw. des Loches festhaken, beschädigt werden oder sogar abbrechen.
  • Um diese Probleme bei Fehlstellen zu verhindern, kann vorgesehen werden, daß die Geschwindigkeit der Ortsveränderung des Werkzeugs in der zur Werkstückoberfläche senkrechten Richtung durch einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt wird.
  • Eine numerisch gesteuerte Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens mit einer Steuerung für die Ortsveränderung des Werkzeugs und einer Meßeinrichtung für den Abstand des Werkzeugs von der Werkstückoberfläche zeichnet sich dadurch aus, daß sie für mindestens eine Richtung der Ortsveränderung einen Antrieb für das Werkzeug, einen ersten Pulsgeber, der bei Betätigung des Antriebs entsprechend dem erreichten Ort Pulse abgibt, einen Wandler zum Umwandeln der Abweichung des gemessenen Abstandes von einem vorgegebenen Sollabstand in eine Frequenz, einen zweiten Pulsgeber, der Pulse mit dieser Frequenz und einem Vorzeichen abgibt, das dem Vorzeichen der Abstandsabweichung entspricht, und einen Mischer für die Pulse vom ersten und zweiten Pulsgeber aufweist, dessen Ausgangssignale an einen Eingang der Steuerung gelegt sind.
  • Durch den ersten Pulsgeber, der z.B. ein optischer Encoder sein kann, der auf der Spindel für den Antrieb des Werkzeugs angeordnet ist, wird also durch die Zahl der Pulse die Ist-Stellung gemeldet. Die Abweichung vom Sollwert des Abstandes wird mit dem Vorzeichen ebenfalls in Form von Pulsen gemeldet. Die beiden überlagerten Pulssignale werden dann zur weiteren Steuerung verwendet. Ist der Abstand z.B. kleiner als der Idealwert, so erhält die Steuerung ein Signal, durch das der Abstand vergrößert wird.
  • Die Vorrichtung kann dabei so aufgebaut sein, daß eine Richtung der Ortsveränderung im wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche vorgesehen ist. Es wird in diesem Falle nur der Abstand senkrecht zur Werkstück oberfläche geregelt, was dem einfachsten Fall entspricht.
  • Die Erfindung betrifft aber auch eine numerisch gesteuerte Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens mit einer Steuerung für die Ortsveränderung des Werkzeugs und einer Meßeinrichtung für den Abstand des Werkzeugs von der Werkstückoberfläche, die sich dadurch auszeichnet, daß sie Antriebe für die Neigungsverstellung des Werkzeugs um zwei Achsen, für jede der drei Richtungen der Ortsveränderung des Werkzeugs Pulsgeber, die bei Betätigung des Antriebs in dieser Richtung entsprechend dem erreichten Ort Pulse abgeben, eine Auswertungsschaltung mit einem Wandler zum Umwandeln der Abweichung des gemessenen Abstandes von einem vorgegebenen Sollabstand in Pulse für alle drei Richtungen, die unter Berücksichtigung der momentanen Neigung des Werkzeugs der erforderlichen Verschiebung des Werkzeugs in den drei Richtungen entsprechen, und für jede der drei Richtungen einen Mischer für die Pulse des entsprechenden Pulsgebers und die entsprechenden Pulse des Wandlers aufweist, deren Ausgangssignale an einen Eingang der Steuerung gelegt sind.
  • Bei einer solchen Vorrichtung wird also die Neigung des Werkzeugs je nach Ort über dem Werkstück so eingestellt, daß das Werkzeug im wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche steht. Der Ort des Werkzeugs wird dann aufgrund der vorgegebenen Sollwertkurven und der Korrektur durch die Abstandsmessung durch Veränderung des Ortes in drei Richtungen einreguliert.
  • Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei der Vorrichtung die Abstandsmeßeinrichtungen kapazitive Abstandsmeßeinrichtungen sind.
  • Die Erfindung betrifft auch eine numerisch gesteuerte Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens zur Führung des Werkzeugs entlang einer Diskontinuität der Werkstückoberfläche, insbesondere eines Grats, einer Rille oder einer Schweißnaht, mit einer Steuerung für die Ortsveränderung des Werkzeugs und einer Meßeinrichtung für den Abstands des Werkzeugs von der Meßoberfläche, die sich dadurch auszeichnet, daß für jede der zwei im wesentlichen zur Oberfläche des Werkstücks parallelen Richtungen der Ortsveränderung des Werkzeugs Pulsgeber, die bei Betätigung des Antriebs in dieser Richtung entsprechend dem erreichten Ort Pulse abgeben, vier Abstandsmeßeinrichtungen, die um je 900 zueinander versetzt um das Werkzeug herum angeordnet sind, eine Auswertungsschaltung mit einem Wandler zum Umwandeln der mit den vier Abstandsmeßeinrichtungen festgestellten Abweichung von der Mittellage in Pulse für die beiden Richtungen, die der erforderlichen Verschiebung des Werkzeugs in diesen Richtungen entsprechen, und für jede dieser beiden Richtungen einen Mischer für die Pulse des entsprechenden Pulsgebers und die entsprechenden Pulse des Wandlers aufweist, deren Ausgangssignale an einen Eingang der Steuerung gelegt sind.
  • Soll auch bei dieser Vorrichtung der Abstand des Werkzeugs von der Diskontinuität geregelt werden, so kann die Vorrichtung Einrichtungen zur Mittelung der vier gemessenen Abstände, für die zu den beiden senkrechten Richtungen senkrechte Richtung einen Antrieb für das Werkzeug und einen Pulsgeber, der bei Betätigung des Antriebs in dieser Richtung entsprechend dem erreichten Ort Pulse abgibt, einen Wandler zum Umwandeln der Abweichung des gemessenen Mittelwerts von einem vorgegebenen Sollabstand in eine Frequenz, einen weiteren Pulsgeber, der Pulse mit dieser Frequenz und einem Vorzeichen abgibt, daß dem Vorzeichen der Abstandsabweichung entspricht, und einen Mischer für die Pulse des Pulsgebers und weiteren Pulsgebers für diese Richtung aufweisen, dessen Ausgangssignale an einen Eingang der Steuerung gelegt sind.
  • Vorteilhafterweise sind die vier Abstandsmeßeinrichtungen kleine auf Ferritkerne gewickelte Spulen, die sehr nahe beim Werkzeug angeordnet sind.
  • Erfindungsgemäß wird ein sehr geringer Abstand der Spulen vom Werkstück möglich, wenn die Spulen nierenförmig sind.
  • Durch diese vier Abstandsmeßeinrichtungen kann aber nicht nur eine Naht verfolgt werden, es kann vielmehr damit auch automatisch die Neigung des Werkzeugs über der Werkstückoberfläche geregelt werden. Wird nämlich über einer Werkstückoberfläche, die zumindest lokal nicht stark profiliert ist, von verschiedenen der Abstandsmeßeinrichtungen ein verschiedener Abstand gemeldet, so kann dies nur darauf beruhen, daß das Werkzeug nicht senkrecht über der Werkstückoberfläche steht. Es kann dann eine entsprechende Nachregelung durchgeführt werden. Diese Art der Neigungsverstellung des Werkzeuges läßt sich ganz unabhängig von den bisher beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen verwenden und stellt insofern eine auch selbständigen Schutz rechtfertigende selbständige Erfindung dar.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie einen Detektor für seitliche Hindernisse aufweist, der eine Abstandsmeßeinrichtung in Form einer Spule aufweist. Nähert sich das Werkstück einem seitlichen Hindernis, so wird dies rechtzeitig gemeldet, so daß das Werkzeug rechtzeitig angehalten werden kann, wodurch Beschädigungen des Werkzeugs vermieden werden.
  • Dieses Anhalten des Werkstücks kann dabei vollautomatisch erfolgen. Diese Art der Berücksichtigung von seitlichen Hindernissen kann vorteilhafterweise im Zusammenhang mit den obigen Verfahren und Vorrichtungen angewendet werden. Sie kann jedoch auch völlig unabhängig von diesen Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden und stellt insofern eine selbständige Erfindung dar.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der nur der Abstand des Werkzeugs von der Oberfläche des Werkstücks geregelt wird; Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung, mit der die Neigung des Werkzeugs um zwei Achsen und der Ort des Werkzeugs in drei zueinander senkrechten Richtungen geregelt und automatisch korrigiert werden kann; Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung, mit der eine Diskontinuität von dem Werkzeug verfolgt werden kann; Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau der Sensoren für die Abstandsmessung bei einer vorteilhaften Ausführungsform; und Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines Meßsensors für die Detektion seitlicher Hindernisse.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist eine besonders einfach gebaute Vorrichtung, mit der nur der Abstand des Werkzeugs vom Werkstück geregelt wird, eine Steuerung in Form eines Prozessors 1 auf, in den der Abstand als Sollwert eingegeben wird. Dieser Sollwert wird, wenn auf einer Fläche mehrere Schweißungen durchgeführt werden sollen, noch von den Koordinaten abhängen, an denen die Schweißungen oder sonstigen Bearbeitungen durchgeführt werden sollen. Durch den Prozessor 1 wird ein Motor 2 für eine Spindel 3 angetrieben, mit dem die Höhe des Werkzeugs über dem Werkstück eingestellt wird. Die Steuerung erfolgt dabei über einen Tachometer 5 und eine Servosteuerung 6.
  • An der Spindel 3, mit der das Werkzeug 7 auf und ab bewegt wird, ist ein Encoder 8 angebracht, z.B. ein optischer Encoder, dessen Ausgangssignale in einen Mischer 9 eingegeben werden. Gleichzeitig ist am Werkzeug 7 eine Abstandsmeßeinrichtung z.B. in Form einer kapazitiven Abstandsmeßeinrichtung 10 angeordnet, durch die die Abweichung von einem vorgegebenen Idealabstand einschließlich des Vorzeichens dieser Abweichung festgestellt werden. Diese Analogsignale werden dann einer Analog-Digitalwandlung unterzogen und in ein Frequenzsignal umgewandelt. Die entsprechenden Pulse werden ebenfalls auf den Mischer 9 gegeben. Die Summe dieser Signale wird dann in den Prozessor 1 eingegeben, wodurch der Steuerkreis geschlossen wird.
  • Die Vorrichtung der Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 zunächst einmal dadurch, daß drei verschiedene Antriebe in drei zueinander senkrechten Richtungen für das Werkzeug 7 vorgesehen sind. Die entsprechenden Einzelteile dieser Antriebe und Pulsgeber sind in der Figur mit den gleichen Bezugszeichen, aber den Zusätzen a für die Z-Achse, b für die Y-Achse und "c" für die X-Achse versehen. Es wird aber mit Hilfe der numerischen Steuerung 1 nicht nur der Ort des Werkzeugs 7 in diesen drei Richtungen gesteuert. Vielmehr werden entlang der Linien 12 und 13 auch zwei Neigungswinkel o und j des Werkzeugs 7 von der numerischen Steuerung 1 gesteuert. Durch diesen Winkelantrieb wird das Werkzeug so ausgerichtet, daß es sich jederzeit ungefähr senkrecht über der Oberfläche des Werkstücks befindet, an der gerade eine Bearbeitung durchgeführt wird. Soll z.B. ein gewölbter Autokotflügel geschweißt werden, so kann man sich leicht vorstellen, wie das Werkzeug in seiner Neigung verändert werden muß, während es über dem Kotflügel bewegt wird.
  • Mit der Fühleranordnung 10 wird wiederum der Abstand w wgemessen. In einem Mikroprozessor, in den noch die Daten für die Winkel 9 und s6 eingegeben werden, werden die Abweichungen in X-, Y- und Z-Richtung von den Idealwerten bestimmt und in einem nicht gezeigten Wandler in entsprechende Pulse umgewandelt, die dann in die Mischer 9a, 9b bzw. 9c mit den entsprechenden Signalen von den ersten Pulsgebern 8a, 8b und 8c angegeben werden.
  • Die resultierenden Signale werden dann als Steuerungssignal in die numerische Steuerung 1 eingegeben.
  • Mit der Vorrichtung der Fig. 3 soll das Werkzeug 7 einer Diskontinuität, z.B. einer Schweißnaht 15 nachgeführt werden. Zu diesem Zweck sind Antrieb und Regelungseinrichtungen für zwei Achsen, in der Figur für die X- und Y-Achse vorgesehen, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 bereits beschrieben wurde. Die Abstandsmeßeinrichtung besteht dabei aus vier kleinen Spulen 16, die Nierenform haben und sehr nahe am Werkzeug 7 angebracht ist. In Fig. 4 ist schematisch die Anordnung der nierenförmigen Spulen 16 um das Werkzeug 7 in Achsenrichtung des Werkzeuges gesehen dargestellt.
  • Durch die Spulen 16 wird eine Abweichung A u an eine Auswerteschaltung 14 gemeldet, die daraus wieder Abweichungent x und a y feststellt, die in einem Analog-Digitalwandler in Frequenzen und Pulse umgewandelt werden, die dann auf die entsprechenden Mischer 9b und 9c gegeben werden. Die Ausgangssignale der Mischer werden wieder in die numerische Steuerung eingegeben. Wie man im Zusammenhang mit den vorherigen Ausführungsformen leicht verstehen wird, ist mit dieser Vorrichtung eine leichte, schnelle und genaue Verfolgung der Naht möglich.
  • In Fig. 5 ist noch gezeigt, daß um das Werkzeug 7 noch eine Spule 17 angeordnet sein kann. Gerät das Werkzeug 7 und damit die Spule 17 in die Nähe eines seitlichen Hindernisses 18, so wird ein entsprechend kleiner Abstandswert von der Spule 17 gemeldet. Durch entsprechende Schaltungsanordnungen kann dann erreicht werden, daß die Bewegung des Werkzeugs bzw. des Werkstücks sofort angehalten wird, damit das Werkzeug nicht gegen das Hindernis 18 schlägt und beschädigt bzw. zerstört wird.

Claims (16)

  1. Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Bearbeiten von Werkstücken Patentansprüche r U Verfahren zum berührungslosen Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere Schweißen und Schneiden, bei dem das zu bearbeitende Werkstück relativ zum Bearbeitungswerkzeug bewegt, der Abstand des Werkzeugs von der Oberfläche des Werkstücks gemessen und der Ort des Werkzeugs unter Benutzung dieses Meßwertes eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Orts des Werkzeugs (7) eine dem Werkstück entsprechende Sollwertkurve eingegeben und der so eingestellte Ort fortlaufend mit Hilfe der Abstandsmessung korrigiert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort des Werkzeugs (7) in einer zur Oberfläche des Werkstücks im wesentlichen senkrechten Richtung eingestellt und fortlaufend korrigiert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung (8, X des Werkzeugs (7) um zwei Achsen entsprechend einer Sollwertkurve eingestellt und der Ort des Werkzeugs (7) entsprechend einer Sollwertkurve in zwei zueinander senkrechten Richtungen eingestellt und fortlaufend korrigiert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung (6, 0) des Werkzeugs (7) um zwei Achsen entsprechend einer Sollwertkurve eingestellt wird und der Ort des Werkzeugs entsprechend einer Sollwertkurve in drei zueinander senkrechten Richtungen eingestellt und fortlaufend korrigiert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 zur Führung des Werkzeugs entlang einer Diskontinuität der Werkstückoberfläche, insbesondere eines Grats, einer Rille oder einer Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand an vier um je 900 versetzten Stellen (16) in der Umgebung des Werkzeugs (7) gemessen wird, daraus die Abweichung von der Mitte der Diskontinuität (15) bestimmt wird und damit der entsprechend einer Sollwertkurve in zwei zueinander senkrechten zur Oberfläche des Werkstücks (7) im wesentlichen parallelen Richtungen eingestellte Ort des Werkzeugs (7) fortlaufend korrigiert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch der mittlere Abstand an den vier Stellen (16) gemessen und zur Einstellung bzw. Korrektur des Ortes des Werkzeugs (7) in der zu den anderen beiden Richtungen senkrechten Richtung verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Ortsveränderung des Werkzeugs (7) in der zur Werkstückoberfläche senkrechten Richtung durch einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt wird.
  8. 8. Numerisch gesteuerte Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Steuerung für die Ortsveränderung des Werkzeugs und einer Meßeinrichtung für den Abstand des Werkzeugs von der Werkstückoberfläche t dadurch gekennzeichnet, daß sie für mindestens eine Richtung der Ortsveränderung - einen Antrieb (2, 2a, 2b, 2c) für das Werkzeug, - einen ersten Pulsgeber (8, 8a, 8b, 8c), der bei Betätigung des Antriebs entsprechend dem erreichten Ort Pulse abgibt, - einen Wandler (10, 11, 16) zum Umwandeln der Abweichung des gemessenen Abstandes von einem vorgegebenen Sollabstand in eine Frequenz, - einen zweiten Pulsgeber der Pulse mit dieser Frequenz und einem Vorzeichen abgibt, daß dem Vorzeichen der Abstandsabweichung entspricht, und - einen Mischer (9, 9a, 9b, 9c) für die Pulse vom ersten und zweiten Pulsgeber aufweist, dessen Ausgangssignale an einen Eingang der Steuerung (1) gelegt sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Richtung der Ortsveränderung im wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche vorgesehen ist.
  10. ifX). Numerisch gesteuerte Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 4, mit einer Steuerung für die Ortsveränderung des Werkzeugs und einer Neßeinrichtung für den Abstand des Werkzeugs von der Werkstückoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß sie - Antriebe für die Neigungsverstellung des Werkzeugs (7) um zwei Achsen <e, (@ - für jede der drei Richtungen der Ortsveränderung des Werkzeugs (7) Pulsgeber (8, 8a, 8b, 8c), die bei Betätigung des Antriebs in dieser Richtung entsprechend dem erreichten Ort Pulse abgeben, - eine Auswertungsschaltung (11, 14) mit einem Wandler zum Umwandeln der Abweichung des gemessenen Abstandes von einem vorgegebenen Sollabstand in Pulse für alle drei Richtungen, die unter Berücksichtigung der momentanen Neigung des Werkzeugs (7) der erforderlichen Verschiebung des Werkzeugs in den drei Richtungen entsprechen, und - für jede der drei Richtungen einen Mischer (9, 9a, 9b, 9c) für die Pulse des entsprechenden Pulsgebers und die entsprechenden Pulse des Wandlers aufweist, deren Ausgangssignale an einen Eingang der Steuerung gelegt sind.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmeßeinrichtungen (10, 16) kapazitive Abstandsmeßeinrichtungen sind.
  12. 12. Numerisch gesteuerte Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 5 zur Führung des Werkzeugs entlang einer Diskontinuität der Werkstückoberfläche, insbesondere eines Grats, einer Rille oder einer Schweißnaht, mit einer Steuerung für die Ortsveränderung des Werkzeugs und einer Meßeinrichtung für den Abstand des Werkzeugs von der Werkstückoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß sie - für jede der zwei im wesentlichen zur Oberfläche des Werkstücks parallelen Richtungen der Ortsveränderung des Werkzeugs (7) Pulsgeber (8,-8a, 8b, 8c), die bei Betätigung des Antriebs (2, 2a, 2b, 2c) dieser Richtung entsprechend dem erreichten Ort Pulse abgeben, - vier Abstandsmeßeinrichtungen (16), die um je 900 zueinander versetzt um das Werkzeug herum angeordnet sind, - eine Auswertungsschaltung (14) mit einem Wandler zum Umwandeln der mit den vier Abstandsmeßeinrichtungen (16) festgestellten Abweichung von der Mittellage in Pulse für die beiden Richtungen, die der erforderlichen Verschiebung des Werkzeugs (7) in diesen Richtungen ententsprechen und für jede dieser beiden Richtungen einen Mischer (9, 9a, 9b, 9c) für die Pulse des entsprechenden Pulsgebers (8, 8a, 8b, 8c) und die entsprechenden Pulse des Wandlers (14) aufweist, deren Ausgangssignale an einen Eingang der Steuerung (1) gelegt sind.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen zur Mittelung der vier gemessenen Abstände, für die zu den beiden senkrechten Richtungen senkrechte Richtung einen Antrieb (2; siehe Fig. 1) für das Werkzeug (7) und einen Pulsgeber (8),der bei Betätigung des Antriebs in dieser Richtung entsprechend dem erreichten Ort Pulse abgibt, einen Wandler (10) zum Umwandeln der Abweichung des gemessenen Mittelwerts von einem vorgegebenen Sollabstand in eine Frequenz; einen weiteren Pulsgeber, der Pulse mit dieser Frequenz und einem Vorzeichen abgibt, das dem Vorzeichen der Abstandsabweichung entspricht, und - einen Mischer (9) für die Pulse des Pulsgebers und weiteren Pulsgebers für diese Richtung aufweist, dessen Ausgangssignale an einen Eingang der Steuerung (1) gelegt sind.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Abstandsmeßeinrichtungen (16) kleine auf Ferritkerne gewickelte Spulen sind, die sehr nahe beim Werkzeug (7) angeordnet sind.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (16) nierenförmig sind.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Detektor (17) für seitliche Hindernisse (18) aufweist, der eine Abstandsmeßeinrichtung in Form einer Spule aufweist.
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