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Titel der Erfindung
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Rohweißroboter zum Schweißen horizontaler Kehlnähte in mehrseitigen
Fachkonstruktionen Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung findet Anwendung
insbesondere in der schiffbaulichen Sektionsfertigung beim Schweißen der horizontalen
kehlnähte eines Doppelbodens, der aus einer Vielzahl mehrseitiger geschlossener
Fachkonstruktonen besteht.
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Charakteristik der bekannten tenhnischen Lösungen Gemäß DE-PS 26 01
100 ist das Schweißen horizontaler Kehlnähte in mehrseitigen Fachkonstruktionen,
wie zie bei Doppelbodensektionen durch die Zuordnung von Längs- und Querträgern
zur Grundplatte entstehen, bekannt. Die beschriebene Vorrichtung ist mit Aggregaten
ausgestattet, die eine Bewegung des Schweißbrenners sowohl entlang dem Längiträger
als auch entlang de QuertrMger ermöglichen, wobei beim Umsetsen des Schweißbrenners
von einer Arbeitslinie auf die andere Arbeitslinie, die die erste Arbeitslinie unter
einem Winkel von 90° schneidet, eine Drehung der den Schweißbrenner tragenden senkrechten
Hubsäule um 900 era forderlich ist.
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Reim Ausschweißen eines Trägers entlang einer Arbeits.
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linie wird der Schweißproseß durch die Betätigung eines Endschaltere
bereit. vor dei Ende der Arbeit.-linie unterbrochen, se daß der Eckenabschnitt zweier
senkrecht aufeinenderstehenden Arbeitslinien nicht geschweißt werden kann. Durch
den Fndschalter werden zugleich der Längsantrieb abgeschaltet und der Brenner in
die neue Schweißposition bewegt. An dieser nächsten Arbeitslinie wird der Schweißbrenner
neu gesündet und der Schweißproseß bis zum nächsten Abschalten fortgesetzt. Diese
Arbeitsschritte werden bis zum Abschweissen aller zu einer Pachkonitruktion gehtirenden
Arbeitslinien wiederholt.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Lösung besteht in dem hohen
Anteil erforderlicher Positionierbewegungen beim Schweißen der horizontalen Kehlnähte.
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Der hohe Anteil der erforderlichen Hilfeseiten fUr das Positionieren
an Jeder neuen Arbeitslinie, das Zünden des Lichtbogens und das Beenden des Schweißprozessem
führt zu Effektivitätsverlusten be der Realisierung eines Fartigungsabschnittes
mit hohe Xechanisierungsgrad.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß mit den bekannten Verfahren
und der dazu erforderlichen Vorrichtung der Eckenabschnitt zwei sich schneidender
Arbeitslinien nicht geschweißt werden kann. Sind Jedoch übergangslose Schweißnähte
erforderlich, sind diese Eckenabschnitte manuell nachzuarbeiten.
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Eine weitere zum Stand der Technik wählende Lösung ist in der DE OS
23 61 849 beschrieben.
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Diese Lösung stellt sich als autonomes Gerät dar, das in die geschlossene
Fachkonstruktion gesetzt wird. Mit diesem Gerät wird der Schweißkopf längs geraden
Arbeitslinien geführt. die sich unter einem Winkel von 900 schneiden. Der Schweißprozeß
wird dabei Ton einer arbeitslinie auf die andere, die erste unter den vorbe-
Bewegungsablauf
und damit auf den Schweißprozeß aus.
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Ziel der Erfindung Der nützliche Effekt, der be Anwendung der Erfindung
im Vergleich zu bereits bekannten Lösungen erreicht wird, besteht in der hochproduktiven
automatisierten Arbeitsweise. Durch die Erfindung wird insbesondere in der schiffbauliohen
Sektionsfertigung der Anteil der manuellen Schweißarbeiten entscheidend verringert.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, einen
portalgestüt@en Sohweißroboter ffir das gesteuerte übergangslose Schweißen der horisontalen
Kehlnähte in mehrzeitigen Fachkonstruktionen zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Schweißroboter gelöst,
der aus einer Arbeitseinheit und einer Steuereinheit besteht. Die Arbeitseinheit
wird aus einem Portal gebildet, welches das zu verschweißende Bauteil in x-Koordinate
überspannt und in y-Koordinate verfahren worden kann. Auf dein Portal befindet sich
ein Portalwagen.
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der in x-Koordinats verfahrbar ist. Mit dieser Beweglichkeit kann
nun einen im Zusammenwirken mit der Portalfahrt der Schweißroboter zum aus mehreren
Fachkonstruktionen bestehenden Bauteil ausgerichtet, zum anderen die Schweißbewegung
in x-Koordinate realisiert werden, Die Ausführung der schweißbewegung in y-Koordinate
wird Uber einen Fahrwagen realisiert, der auf dsn Portalwagen in dieser Richtung
verschiebbar ist. Von diesem Portalwagen wird die Robotereinheit aufgenommen. Diese
Robotereinheit ist über eine z-Achse in die Fachkonstruktion absenkbar, wobei sie
über eine Verstellung nur QrobpoRitionierung und eine Verstellung nur Feinpositionierung
des Schweißkopfes in dieser Achse in die Fachkonstruktion hinein verfügt.
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stimmten Winkel schneidende Arbeitslinie übargangslos fortgesetzt.
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Das Gerät, als Eokenführungsvorrichtung bezeichnet, besteht aus einem
Wagen, der gleichseitig die Aufnahme fllr den Sohweißkopf bildet. Weiterhin ist
den Gerät ein Abtastglied zugeordnet, das mit der Wandfläche der Pachkonstruktion
Berührung hält und damit den Wagen und itt him den schweißkopf entlang der Arbeitslinie
führt.
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Nimmt das Abtastglied Kontakt mit der Wandfläche der die erste Arbeitslinie
schneidenden Arbeitslinie, bleibt der Wagen stehen und wird um die Mittelachse gedreht.
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Unter der Wirkung einer kurvenförnigen Yuhrungsnut greift der Schweißkopf
einen parallel zur Arbeitslinie verlaufenden geemetrischen Ort ab, bis die Ecke
erreicht ist. Danach setzt sich die Führungsvorichtung entlang der tolgenden Wandfläche
in Bewegung. Der Bearbeitungsvorgang ist mit Erreichen der Ausgangsstellung in der
Fachkonstruktion beendet.
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Die dargestellte technische Lösung weist eine Reihe von Nachteilen
auf.
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Ein wesentlicher Hachteil der Eckenführungsvorrichtung besteht darin,
daß da Abtastglied der jeweilligen geometrischen Form der Fachkonstruktion angspaßt
sein muß.
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Bine vorangegangene Anwendung der Vorrichtung in einer rechteckigen
Pachkonstruktion schließt den Einsatz in einer Fachkonstruktion mit z.B. Parallelogrammform
aus.
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Die Aufgabe ist erst dann erfüllbar, wenn die Relativ-Positionen zwischen
den Drehpunkten der Seitenwand-Ablastrollen an die Parallelogrammform angepaßt sind.
Damit ist der universelle Einsatz der beschriebenen Eckenführungsvorrichtung ausgeschlossen.
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Ein weiterer Nachteil besteht in der Handhsbung des Gerätes. Die notwendigerweise
große Wasse des Gerätes macht den Einsats von Rebeseugen zum Umsetzen in die andere
Fachkonstruktion erforderlich. Außerdem wirken sich auf den Boden oder an den Trägern
befindliche Hindernisse, wie z.B. Versteifungsprofile störend auf den
Um
die gleiche Vertikalachse erfolgt die Rotation der robotereinheit (C-Achse). zusätzlich
erhält der Schweißkopf eine horizontale Feinzustellung x'y', die es ermöglicht,
in Kopplung mit der über die C-Achse realisierte Rotation den Schweißkopf bis in
den Rekenabschnitt der Fachkonstruktion hinein und aus die sein wieder herausauf
Uhren, wobei stets eine geradliniege gleichmäßige Bewegung des Schweißkopfes entlang
der Schweißnaht zu gewährleisten ist.
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Die Steuereinheit des Schwei~roboters ist in mehrere Funktionsebenen
gestaffelt, Zur Positionierung des Scheißroboters Uber den Absenkpunkten des Doppelbodens
konit eine vorprogrammierte Programmstauerung zum Einsatz. Diese Funktionsebene
der Steuerung ermöglicht vorrangig die Grobpositionierung des Schweißroboters zowie
Hilfsfunktionen, wie 1.13. die Führung des Schweißbrenners sum Reinigungspunkt.
Die Funktionsebene sensororientierte Positioniersteuerung ermöglicht als KernstUck
der Gesamtsteuerung die bauteilorientierte Pfihrung des Schweißbrenners entlang
der Nahtkahle. Die sensororientierte Positioniersteuerung ist mit der Funktionsebene
Schweißprozeßsteuerung gekoppelt, wobei über eine inkrementale Wegmessung Start-Stopp-Befehle
ein-erseits für die Schweißprozeßsteuerung sowie andererseits fUr die Positioniersteuerung
gewonnen werden. Die Schweißprozeßsteuerung er möglioht die Überwachung und Steuerung
von Schweißprozeßdaten.
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Die einzelnen Funktionsebenen sind untereinander sowie miteinander
gekoppelt und bilden als eine funktionelle Einheit die Gesamtsteuerung.
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Ein Merkmal der Erfindung ergibt sich aus der konstruktiven Ausführung
der Robotereinheit. diese besteht aus einer senkrecht in die Fachkonstruktion gerichteten
Rohrwelle, die an ihrem oberen Ende in einer im Fahrwege fest angeordneten Hülse
drehbar gelagert ist. Die Drehbewegung erfolgt über einen in diesem Bereich wirksamen
Antrieb.
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Am unteren Ende der Rohrwello ist eine horisontal wirkende
Feinzustellung
angeordnet, die den Schweißkopf aufnimmt. Der Antrieb für diese Feinzustellung befindet
sich auf dem oberen Abschluß der Rohrwelle. Die zwischen Antrieb und Feinzustellung
notwendigen Übertragungselemente verlaufen im Inneren der Rohrwelle. Diese gewählte
Ausführungsform ermöglicht die Rotation der Robotereinheit und die horinontale Feinzustellung
sowie eine Überlagerung dieser beiden Bewegungen.
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Nach einer erfindungsgemäß spesifierten Auführung ist die Peinzustellung
mit einer in Wirkungsrichtung verlaufenden Zahnstange versehen. Diese steht mit
eines Antriebsritzel im Eingriff, dessen Antriebswelle durch die Rohrwelle zum Antrieb
geführt ist.
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Zur Rotation der Rohrwelle ist diese an ihrem oberen Ende von einem
Zahnrad umgeben, das mit einem Ritzel. welches von einem an der Rülse fest angeorldneten
Antrieb bewegt wird, in Eingriff steht.
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Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die au, Schweißkopf geführten
Versorgungsleitunglen z.B. für Schweißstrom und Sohutagas durch die Rohrwelle verlegt
werden. Damit sind sie beim Herabsenken der Roboteretnheit in die Fachkonstruktion
sowie während des Rewegungsablaufes gegen evtl. Beschädigunglen und Zerstörunglen
gegehtitst.
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Die Vorteile der in Rohrkonstruktion ausgeführten Rototereinheit liegen
in der Minimierung der Baugröße. wodurch das Abschweißen von Fachkonstruktionen
mit kleinsten Abmessungen ausführbar ist, in einer hohen Steifigkeit und einer geringen
Massenträgheit durch weitgehende Rotationssymmetrie.
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Auführungsbeispiel Die Erfindung wird an Rand eines Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeiglen in
Fig.
1: einen schematischen Bewegungsablauf des Schweißkopfes in einer 4-seitigen Fachkonstruktion
eines Schiffsdoppelbodens, Fig. 2: eine perspektivische schematische Darstellung
des Schweißreboters, Fig. 3: eine perspektivische schematische Darstellung des Schweißopfes,
Fig. 41 einen Querschnitt durch die Robotereinheit.
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Der ßohweißroboter 1 kommt beim Abschweißen der horisontalen Kehlnähte
2 eines auf einem Schweißplatz ausgelegten, nach oben offenen Doppelbod.ns 3 zum
Einsatz. flie Fließrichtung der Fertigungslinie ist durch die y-Koordinate definiert.
Der Doppelboden 3, aus einer Vielzahl von durch längs- und Querträger 4, 5 bestehenden
Fachkonstruktonen 6 gebildet, wird auf dem Arbeitsplatz ausgelegt und durch das
Portal 7 in der x-Koordinate überspannt.
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Damit werden alle in dieser Richtung verlaufenden Fachkonstruktionen
6 durch den Schweißrcboter 1 erfaßt.
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Nach dem Abechweißen dieser Fachkonetruktionen 6 verfährt das Portal
7 über die nächste Zeile.
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Zum Aufsuchen der einzelnen Fachkonstruktionen C in x-Koordinate verfügt
das Portal 7 über einen in dieser Richtung verfahrbaren Portaiwagen 8. Mit diesem
Portal~ wagen 8 wird die Robotoreinhett 9 über die x-Koordinate des auf die jeweilige
Fachkonstruktion 6 besogenen Absenkpunktes 10 eingestellt. Darllber hinaus wird
ueber den Portalwagen 8 die Schweißbewegung in x-Koordinate realisiert. Gemäß dem
gewählten Ausführungsbeispiel wird der Schweißroboter 1 durch Programmsteuerung
über die jeweiligen Absenkpunkte 10 eingefahren, Es ist jedoch such denkbar, dies.
Orobpositionierung durch Hendsteuerung au realisieren.
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Die Schweißbewegung in y-Koordinate wird durch den Fahrwagen
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ausgeführt. Dieser kann deshalb im Portalwagen 8 in y-Koordinate verfahren werden,
dabei ist der Verfahrweg so hemessen, daß die maximale, in di. sor Richtung verlaufende
Arbeitslinie abgearbeitet werden kann. Der fahrwagen 11 nimmt die Robotereinheit
9 auf, die, Uber dem Absenkpunkt 10 eingefahren, in die Fachkonstruktion s abgesenkt
wird. Dieser Vorgang sowie das Herauscheben der Robotereinheit 9 aus der Fachkonstruktion
nach beendetes Schweißen erfolgt über die Z-Achse in Form einer Grobpositionierung.
Bestandteil und integriert In der Z-Achse ist die Z'-Aohse, mit der Feinzustellungen
in z-Koordinate realisiert werden.
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Zusätzlich zu dieser Vertikalverstellung führt die Robotereinheit
9 eine Rotation um die gleiche Achse, die flir diese Bewegung al C-Achse bezeichnet
wird, aus.
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Die Rotation @m diese C-Achse ist notwendig, um einen Ubergangslosen
Bewegungsablauf im Eckenbereich 12 der Fachkonstruktion 6 zu gewährleisten. Um den
Schweißkopf 13 jedoch direkt in den Eckenberich 12 zu führen, ist eine mit der Rotation
direkt gekoppelte horizontale Feinzustellung x'y' 14 notwendig. Über gleichzeitige
und gesteuerte Rotation und Feinzustellung 14 kann ein geradliniger Bewegungsablauf
des Schweißkopfes 13 im Eckenbereich 12 gesichert werden.
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Während die beschriebenen Freiheitsgrade x, y und s des Schweißroboters
1 durch bekannte Wirkprinzipien realisiert werden und deshalb auf eine nähe konstruktive
Ausführung versichtet wird, erfolgt an Hand Pig. 4 eine d.taillierte Darstellung
der Robotereinheit 9.
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Die roboteinheit 9 besteht aus einer senkrecht in die Pachkonstruktion
6 absenkbaren Rohrwelle 15. Diese ist in einer mit dem Fahrwagen 11 rest verbundenen
und mit Hülsenlagern 17 ausgestatteten Hülse 16 um die C-Achse drehbar gelagert.
Der Drehantrieb erfolgt über einen an der Hülse 16 befestigten Antrieb 18. der über
ein Antriebaritzel 19 das axial auf die Rohrwelle 15 montierte
Zahnrad
20 beaufschlagt.
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Um eine Überlagerung der Rctation mit der horizontalen Feinzustellung
x'y' 14 zu gewährleisten, werden der Antrieb und die Übertragungselemente für die
Feinzustellung x'y' 14 als mit der Rohrwelle 15 midrehende Baueinheit ausgebildet.
Der Antrieb 21 für die Feinzustellung x'y' 14 wird auf den oberen Abschluß der Rohrwelle
15 ataf das Zahnrad 20 fest montiert0 Rr treibt über eine im Inneren der Rohrwelle
15 von Wellenlagern 22 aufgenommene welle 23 ein Antriebsritzel 24 an das eine am
unteren Abschluß der Rohrwelle 15 horizontal geführte Zahns tange 25 verschiebt
und mit ihr die Pein.
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zustellung 14, an deren Ende der Schweißkopf 13 montiert ist. Je nach
den Schaitzuständen des Antriebe 18 für die Rotation und des Antriebes 21 für die
Peinzustellung x'y' 14 kommen die ge@ünschten Fewegungsabläufe am Schweißkopf 13
zustande.
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Die Feinzustellung x'' 14 und die Rotation um die C-Achse sind als
Feinantriebe ausgeführt, die Bauteilungeauigkeiten aussngleichen haben. Aus diesem
Grund ist die Robotereinheit 9 mit Sensoren 28 bestückt, die die Lage des Schweißkopfes
13 erkennen und gegebenenfalls eine korrektur auslösen.
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An Hand der Fig. 1 wird der technologische Ablauf des Ausschweißens
einer Fachkonstruktion 6 mit dem erfindungsgemäßen Schweißroboter 1 beschrieben.
Dabei wird vorausgesetnt, daß der Schweißroboter 1 bereits über dem der Fachkonstruktion
6 zugeordneten Absenkpunkt 10 positioniert ist und die Robotereinheit 9 über die
Z-Achse In die Fachkonstruktion 6 um den Soll-Betrag abgesenkt ist (Arbeitsschritt
I). Der nun folgende Arbeitsschritt II hat das Aufsuchen bs Positionieren des Schweißkopfes
13 an der ersten Arbeitslinie 29 zum Inhalt. Dabei verfährt die Robotereinheit 9
mittels Fahrwagen 11 in y-Koordinais, bie durch den enteprechenden Benser 20 der
zu verschweißende Querträger 5 signalisiert wird und der
Schweißkopf
13 in dieser Ausgangsposition für den i3egizin des Schweißvorganges gestoppt wird.
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Mit Beginn des Arbeitsschrittes III erfolgt die Einleitung und Ausführung
des Schweißvorganges entlang der ersten Arbeitslinie 29. Dabei wird die Schweißdüse
30 in einer fest eingestellten optimalen Neigung in stechender Position geführt.
Die Schweißbewegung entlang der ersten Arbeitslinie 29 wird in x-Koordinate durch
den Portalwagen 8 realisiert. In dieser Phase auftretende Bauteilungenauigkeiten
bzw. ungerade Nahtverläufe werden über die sensororientierte Positionierstouerung
furch die Feinzustellung x'y' 14 korrigiert.
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Der Arbeitsschritt IV beinhaltet das Ausschweißen des Eckenbereiches
12 der Fachkonstruktion t. Durch den entsprechenden Sensor 28 wird die zweite Arbeitalinie
31, die die erste Arbeitslinie 29 unter einem Winkel von 90° schneidet, erkannt,
die Fahrbewegung des Portalwagens 8 gestoppt und die Rotation der Robotereinheit
9 um die C-A¢hBe um 90° eingeleitet. Wflhrend der gesamten Rotationphase um 900
wird der Schweißprozeß nicht unterbrochen. DieserRotstion wird die Feinzustellung
x'y' 14 in Abhängigkeit von der Position der Schweißdüse 30 als Zu- oder Zurückstellen
überlagert. Dadurch erfolgt eine übergangslose Führung der Schweißdüse 30 in der
Nahtkehle auch im Fckenbereich 12 der Fachkonstruktion 6. Der erfindungsgemäße Schweißroboter
1 ermöglicht somit, daß übergangslos in einem Arbeitsgang, ohne den Schweißprozeß
zu unterbrechen, mehrseitige, insbesondere vierseitige Fachkonstruktionen 6 geschweißt
werden können.
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Der dam Arbeitsschritt Iv zugeordnete Schweißprozeß erfordert eine
Änderung der schweißparameter. Aus diesem Grund ist die Positioniersteuerung für
die Robotereinhellt 9 während der Rotationsphase mit einer Schweißprozeßsteuerung
gekoppelt. Auf der Grundlage einer inkrementalen Wegmeszung sind somit jedem definierten
Drehwinkel
um die C-Achse konkrete Schweißparameter zugeordnet.
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Die Rotation der Robotereinheit 9 ist mit Beendigung des Arbeitsschrittes
IV abgeschlossen.
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DEr Arbeitsschritt V erfordert wieder eine geradlinige Führung des
Schweißkopfes 13, diesmal in y-Koordinate.In diesem, wie in den anderen geradlinigen
Arbeitsschritten, werden durch die Schweißprozeßsteuerung konstante Schweißparameter
vorgegeben. Diese Bewegung wird ftber den Fahrwagen 11 realisiert.
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Auch hier erfolgt der Ausgleich von Bauteilungensuigkeiten bzw. von
ungeraden Eahtverläufen mittels der Feinzustellung x'y' 14.
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Die Abarbeitung der Arbeitsschritte VI bis X entlang der dritten und
vierten Arbeitslinie 32, 33 erfolgt analog den bisher beschriebenen Arbeitsschritten.
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Arbeitsschritt XI beschreibt den Abschluß des Schweißprozesses. Der
Schweißkopf 13 wird mittels Port gen 8 in x-Koordinate entlang der ersten Arbeitslinie
29 verfahren. Nach dem Erkennen des Schweißnahtanfanges mittels einer Wegmeßeinrichtung
wird dieser um einen definierten Betrag nach Programmvorgabe Uberschweißt@ung der
Schweißprozeß danach beendet.
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Der Schweißkopf 13 wird zum mittels Portalwagen 8 aus dem erhitzten
Nahtereich@um einen definierten Betrag nach Programmvorgabe herausgefahrlen (Arbeitsschritt
XII) und die Translation in x-Koordinate abgeschnltet.
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Gemäß Arbeitsschritt XIII erfolgt die Rückführung der Robotereinheit
9 zum Absenkpunkt 10 der Flachkonstruktion 6 mittels Fahrwagen 11.
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Gemäß Arbeitsschritt XIV wird die Robotereinheit 9 über die Z-Achse
aus der Fachkonstruktion 6 gehcben, so daß der Schweißkopf 12 Uber die senkrechten
Stegbleche verfahren werden kann, Während dieses Vorganges erfolgt des Rückdrehen
der Robotereinheit 9 um die C-Achse um 360°.
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In dieser Position befindet sich der Schweißroboter 1
in
der Ausgangslage, aus der die nächste Fachkonstruktion C angesteuert werden kann.
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- L e e r s e i t e -