DE3878913T2

DE3878913T2 - Geraet zum selbsttaetigen kehlnahtschweissen eines schweissgegenstandes, bestehend aus einer viereckigen bodenplatte und vier im wesentlichen lotrecht zur erwaehnten bodenplatte zusammengehefteten seitenplatten.

Info

Publication number: DE3878913T2
Application number: DE19883878913
Authority: DE
Inventors: Yuji C O Nkk Corporat Sugitani; Naohiro C O Nkk Corpor Tamaoki
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-11-08
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2008-11-09
Also published as: EP0367850B1; EP0367850A1; DE3878913D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum selbsttätigen Kehlnahtschweißen eines Schweißgegenstands, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte heftgeschweißten Seitenplatten, längs einer darauf geformten Schweißlinie.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Für das Kehlnahtschweißen eines Schweißgegenstands, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte heftgeschweißten Seitenplatten, längs einer darauf geformten Schweißlinie ist es übliche Praxis, nur den geraden Abschnitt der Schweißlinie oder -naht mittels einer selbstfahrenden Schweißmaschine selbsttätig bzw. automatisch zu schweißen und dann die restlichen vier Eckbereiche der Schweißlinie von Hand zu schweißen.
Das obige herkömmliche Schweißverfahren ist jedoch mit den folgenden Problemen behaftet: Da die Schweißlinie durch automatisches Schweißen und manuelles Schweißen kehlnahtgeschweißt wird, kann die Schweißwulsthöhe nicht konstantgehalten werden, so daß sich eine instabile Güte der Schweißkehlnaht und ein niedriger Schweißwirkungsgrad ergeben.
Unter diesen Gegebenheiten besteht ein Bedarf nach der Entwicklung eines Schweißgeräts, welches mit hohem Wirkungsgrad das selbsttätige Kehlnahtschweißen eines Schweißgegenstands, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte heftgeschweißten Seitenplatten, längs einer darauf geformten Schweißline und die Einhaltung einer konstanten Schweißwulsthöhe erlaubt und damit eine Stabilisierung der Güte einer Schweißkehlnaht ermöglicht; ein solches Schweißgerät ist jedoch bisher noch nicht vorgeschlagen worden.
Die US-A-4 704 513 offenbart ein Nutnachführ-Steuerverfahren für das Kehlnahtschweißen, das durch Drehen eines Schweißbrenners oder Elektrodenhalters und damit Drehen eines Lichtbogens mit einer hohen Drehzahl durchgeführt wird. Die Nutnachführsteuerung des Elektrodenhalters erfolgt in Übereinstimmung mit Änderungen der Spannungswellenform des rotierenden Lichtbogens. Auf diese Weise erfolgt die Nutnachführung auf Echtzeitbasis in berührungsfreier Weise mit einem hohen Genauigkeitsgrad.
Die JP-A-61-49 783 offenbart eine automatische Schweißmaschine für beidseitiges Kehlnahtschweißen. Bei dieser Maschine wird ein Schweißwagen durch Betätigung eines Antriebsmotors (vor)verfahren. Bei der Bewegung des Wagens wird eine Leitrolle gegen Aggregate angedrückt, und der Wagen wird längs der Wand der Aggregate geführt. Wenn er den Schweißendpunkt erreicht, wird ein im voraus installierter End- oder Grenzschalter mit einem vorstehenden Stück in Eingriff gebracht, so daß der Betrieb durch Schließen des Schalters beendet wird.
Die JP-A-48-18 72 72 offenbart ein Verfahren zum Kehlnahtschweißen bei einem Rahmenblock. Bei diesem Verfahren ist eine Schweißmaschine über einen drehbaren Sockel auf einen Wagen aufgesetzt und mit gelenkigen Armen zum Halten eines Elektrodenhalters versehen. Eine Welle oder Achse dieses Arms und der Sockel werden gedreht, wobei der Elektrodenhalter mit einer als Zentrum einer virtuellen Drehung vorgegebenen Ecke gedreht wird. Während des Schweißvorgangs wird der Elektrodenhalter so gehalten daß der Vorlaufwinkel und der Winkel der Pfeilung oder des Kippens (sweepback) auf 0 - 40º bzw. 15 - 0º eingestellt sind.

ABRISS DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist damit die Schaffung eines Schweißgeräts, welches mit hohem Wirkungsgrad das selbsttätige Kehlnahtschweißen eines Schweißgegenstands, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte heftgeschweißten Seitenplatten, längs einer darauf geformten Schweißlinie sowie die Aufrechterhaltung einer konstanten Schweißwulsthöhe erlaubt und damit eine Stabilisierung einer Kehlschweißnaht ermöglicht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zum selbsttätigen Kehlnahtschweißen eines Schweißgegenstands mit den Merkmalen nach Anspruch 1.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht zur Darstellung einer Ausführungsform des Kehlnahtschweißgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Teilbodenansicht des Wagens zur Darstellung der Leitstange beim erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgerät,
Fig. 4(A) bis 4(F) schematische erläuternde Draufsichten zur Verdeutlichung der Funktion des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts,
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Darstellung der Steuerung des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts mittels der Schweißsteuereinheit,
Fig. 6 eine erläuternde (graphische) Darstellung der Steuerung des X-Achsen-Nachführmechanismus mittels der X-Achsen-Nachführsteuereinheit des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts,
Fig. 7 eine erläuternde (graphische) Darstellung der Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Grundplatte mittels der Grundplattendrehung-Steuereinheit des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts,
Fig. 8 eine erläuternde (graphische) Darstellung der Bestimmung des Abschlusses des Schweißens mittels der Schweißabschlußsteuereinheit des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts und
Fig. 9 ein Blockdiagramm zur Darstellung der Schritte zum Kehlnahtschweißen der Ecke des Schweißgegenstands mittels des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts.

GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter den obigen Gesichtspunkten wurden ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel der Entwicklung eines Schweißgeräts, welches mit hohem Wirkungsgrad das selbsttätige Kehlnahtschweißen eines Schweißgegenstands, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenpaltte heftgeschweißten Seitenplatten, längs einer darauf geformten Schweißlinie erlaubt und damit die Einhaltung einer konstanten Schweißwulsthöhe und die Stabilisierung der Güte einer Kehlschweißnaht ermöglicht. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß es möglich ist, den genannten Gegenstand mit hohem Wirkungsgrad längs der darauf geformten Schweißlinie selbsttätig kehlnahtzuschweißen, indem folgendes vorgesehen wird: Eine Grundplatte auf einem auf der Bodenplatte des Schweißgegenstands rücklaufverfahrbaren Wagen, so daß die Grundplatte waagerecht um die lotrechte Mittelachse des Wagens rotieren kann; ein an der Grundplatte montierter Schweißkopf mit einem Schweißdrahthalter zum Führen eines Schweißdrahts in Richtung auf eine Schweißlinie; ein X-Achsen- Nachführmechanismus zum waagerechten Bewegen des Schweißdrahthalters und ein Y-Achsen-Nachführmechanismus zum lotrechten Bewegen des Schweißdrahthalters; sowie Steuern des X-Achsen-Nachführmechanismus, des Y-Achsen-Nachführmechanismus, eines Wagenbewegungs- oder -antriebsmotors und eines Grundplatten-Drehmotors mittels einer Schweißsteuereinheit.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der obigen Feststellung realisiert. Im folgenden ist das erfindungsgemäße Kehlnahtschweißgerät anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht zur Darstellung einer Ausführungsform des Kehlnahtschweißgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts nach Fig. 1; Fig. 3 ist eine Teilbodenansicht des Wagens zur Darstellung der Leitstange beim erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgerät; die Fig. 4(A) bis 4(F) sind schematische erläuternde Draufsichten zur Verdeutlichung der Funktion des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts; und Fig. 5 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Steuerung des erfindungsgemäßen Kehlnahtschweißgeräts mittels der Schweißsteuereinheit.
Gemäß den Fig. 1 , 2, 3, 4(A) bis 4(F) und 5 umfaßt das erfindungsgemäße Gerät zum selbsttätigen Kehlnahtschweißen eines Schweißgegenstands 1, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte 2 und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte 2 heftgeschweißten Seitenplatten 3, längs einer am Schweißgegenstand 1 geformten Schweißlinie 4 folgendes: Einen auf der Bodenplatte 2 des Schweißgegenstands 1 in deren Längsrichtung rücklaufverfahrbaren Wagen 5, eine Grundplatte 6, die auf dem Wagen 5 so angeordnet ist, daß sie waagerecht um die lotrechte Mittelachse des Wagens 5 drehbar ist, einen an der Grundplatte 6 montierten Schweißkopf 7, zwei am Wagen 5 vorgesehene Leitstangen, d.h. eine erste Leitstange 8 und eine zweite Leitstange 8', die selektiv und waagerecht in Richtung auf die Seitenplatte 3 parallel zur Laufrichtung des Wagens 5 bewegbar sind, einen auf der Grundplatte 6 vorgesehenen Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus 9, jeweils an jeder der Vorder- und Rückseiten des Wagens 5 relativ zu dessen Laufrichtung vorgesehene Wagenstellungssensoren 10 und 10' sowie eine Schweißsteuereinheit 11.
Der Wagen 5 weist vier Räder 12 auf. Die Räder 12 werden durch einen Wagenbewegungsmotor 13, der am Wagen 5 vorgesehen ist, in Drehung versetzt, so daß der Wagen 5 auf der Grundplatte 2 rücklaufverfahrbar ist. Die Grundplatte 6 weist eine der Oberfläche des Wagens 5 im wesentlichen gleiche Oberfläche auf. Die Grundplatte 6 wird durch einen auf der Grundplatte 6 vorgesehenen Grundplattendrehmotor 14 waagerecht um die lotrechte Mittelachse des Wagens 5 gedreht.
Der Schweißkopf 7 umfaßt einen Schweißdrahthalter 15 zum Führen eines Schweißdrahts 16 in Richtung auf die zwischen der Bodenplatte 2 und den Seitenplatten 3 des Schweißgegenstands 1 geformte oder festgelegte Schweißlinie 4, einen X-Achsen-Nachführmechanismus 17 zum waagerechten Bewegen des Schweißdrahthalters 15 unter einem rechten Winkel zur Schweißlinie 4, so daß die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie 4 schneidet, und einen Y-Achsen-Nachführmechanismus 18 zum Bewegen des Schweißdrahthalters 15 längs seiner Mittelachse in der Weise, daß ein Spalt zwischen der Spitze des Schweißdrahts 16 und der Schweißlinie 4 auf einem vorgeschriebenen Abstand bzw. einer vorgeschriebenen Größe gehalten wird.
Der Schweißdrahthalter 15 rotiert mit hoher Drehzahl in einer bestimmten Richtung um seine Mittelachse. Der Schweißdraht 16 wird über bzw. durch den Schweißdrahthalter 15 exzentrisch zur Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 in Richtung auf die Schweißlinie zugeführt. In den Fig. 1 und 2 ist mit 19 eine konzentrisch an der Außenseite des Schweißdrahthalters 15 vorgesehene Schutzgasspeisedüse bezeichnet, die am Schweißkopf 7 befestigt ist. Zwischen dem Schweißdraht 16 und dem Schweißgegenstand 1 wird von einer nicht dargestellten elektrischen Schweißstromquelle her ein Schweißstrom zugespeist, so daß zwischen der Spitze des Schweißdrahts 16 und dem Schweißgegenstand 1 ein Lichtbogen entsteht. Der so erzeugte Lichtbogen bewirkt eine kreisende Bewegung entsprechend der oben angegebenen Exzentrizität des Schweißdrahts 16 bei der Drehung des Schweißdrahthalters 15. Die Bodenplatte 2 und die Seitenplatten 3 werden mittels der Hitze des so erzeugten Lichtbogens längs der darauf geformten Schweißlinie 4 kehlnahtgeschweißt. Der Lichtbogen und eine Schmelzlache werden durch ein aus der Schutzgasspeisedüse 19 ausströmendes Schutzgas gegenüber der Außen- oder Umgebungsluft abgeschirmt.
Der X-Achsen-Nachführmechanismus 15 umfaßt beispielsweise einen (nicht dargestellten) Zahnstangen- und Ritzelmechanismus und bewegt bzw. verschiebt den Schweißdrahthalter 15 zusammen mit dem Y-Achsen-Nachführmechanismus 18 auf oben beschriebene Weise waagerecht und unter einem rechten Winkel zur Schweißlinie 4 in der durch einen Pfeil in Fig. 2 angedeuteten X-Achsenrichtung. Der Y-Achsen-Nachführmechanismus 18 umfaßt ebenfalls beispielsweise einen (nicht dargestellten) Zahnstangen- und Ritzelmechanismus und bewegt oder verschiebt den Schweißdrahthalter 15 längs seiner Mittelachse, wie oben beschrieben, in der durch einen Pfeil in Fig. 2 angedeuteten Y- Achsenrichtung.
Die erste Leitstange 8 und die zweite Leitstange 8' sind am Wagen 5 so angeordnet, daß sie selektiv und waagerecht parallel zur Laufrichtung des Wagens 5 in Richtung auf die Seitenplatte 3 verschiebbar sind. Gemäß Fig. 3 weist jede der ersten und zweiten Leitstangen 8 bzw. 8' an ihrer Außenumfangsfläche ein Außengewinde 20 und an jedem ihrer beiden Enden eine Rolle 21 auf, die mit der Seitenplatte 3 in Berührung steht bzw. daran anliegt. In Fig. 3 ist nur die erste Leitstange 8 dargestellt. Auf dem Wagen 5 sind ein erster Leitstangenbewegungsmotor 22 und ein zweiter Leitstangenbewegungsmotor 22' zum Bewegen der ersten und zweiten Leitstangen 8 bzw. 8' selektiv und waagerecht in Richtung auf die Seitenplatte 3 angeordnet. Ein Lager 23, das an seiner Innenumfangsfläche ein dem erwähnten Außengewinde 20 angepaßtes Innengewinde 24 aufweist, steht jeweils mit jeder der ersten und zweiten Leitstangen 8 bzw. 8' in Eingriff. Die Außenumfangsfläche des Lagers 23 steht mit einem Zahnrad 25 in Eingriff, das an der jeweiligen Drehwelle des ersten bzw. zweiten Leitstangenbewegungsmotors 22 bzw. 22' befestigt ist. Durch Drehen der betreffenden Lager 23 durch den ersten Leitstangenbewegungsmotor 22 und den zweiten Leitstangenbewegungsmotor 22' werden somit erste Leitstange 8 bzw. zweite Leitstange 8' selektiv und waagerecht in Richtung auf die Seitenplatte 3 bewegt. In Fig. 3 ist mit 26 ein Potentiometer zum Detektieren der Stellung der jeweiligen ersten oder zweiten Leitstange 8 bzw. 8' mittels einer Potentialdifferenz bezeichnet.
Der Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus 9 umfaßt beispielsweise einen Drehstellungsgeber und detektiert einen Drehwinkel der Grundplatte 6 aus deren Ausgangsstellung. Die Wagenstellungssensoren 10, 10' umfassen z.B. Photosensoren und detekieren den Abstand bzw. die Entfernung des Wagens von der Seitenplatte 3 senkrecht zur Laufrichtung des Wagens 5.
Die in Fig. 5 dargestellte Schweißsteuereinheit 11 umfaßt eine X-Achsen-Nachführsteuereinheit, eine Y- Achsen-Nachführsteuereinheit, eine Wagenbewegungssteuereinheit, eine Grundplattendrehungssteuereinheit, eine Leitstangensteuereinheit und eine Schweißabschlußsteuereinheit. Der Schweißsteuereinheit 11 werden eine durch einen Lichtbogenspannungssensor detektierte Lichtbogenspannung, ein durch den Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus 9 detektierter Drehwinkel der Grundplatte 6 aus deren Ausgangsstellung und ein durch die Wagenstellungssensoren 10, 10' detektierter Abstand des Wagens 5 von der Seitenplatte 3 senkrecht zur Laufrichtung des Wagens 5 eingegeben.
Die X-Achsen-Nachführsteuereinheit steuert den X- Achsen-Nachführmechanismus 17 in Abhängigkeit von Spannung oder Stromstärke des Schweißstroms so, daß die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie 4 schneidet. Die Steuerung des X-Achsen- Nachführmechanismus 17 mittels der X-Achsen-Nachführsteuereinheit wird später näher erläutert werden. Fig. 6 veranschaulicht die Wellenform der Spannung des Schweißstroms, d.h. die Wellenform der Lichtbogenspannung für jede Umdrehung des Schweißdrahthalters 15. In Fig. 6 bezeichnen die Punkte "Cf", "Cr", "L" und "R" die Positionen bzw. Stellungen des Schweißdrahts 16 (d.h. des Lichtbogens) während einer Umdrehung desselben, in Draufsicht gesehen, in oder auf der Schweißlinie 4 des Schweißgegenstands 1. Insbesondere entsprechen dabei der Punkt "Cf" der stromabseitigen Stellung in Schweißrichtung, der Punkt "Cr" der stromaufseitigen Stellung in der Schweißrichtung und die Punkte "L" und "R" den beiden Seitenpositionen in der Schweißrichtung.
In Fig. 6 gibt die gestrichelte Linie die Wellenform der Lichtbogenspannung in dem Fall an, daß die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie 4 schneidet, d.h. im Fall von Δx = 0. Wenn die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 gemäß Fig. 6 die Schweißlinie 4 schneidet, besitzt die Lichtbogenspannung den höchsten Wert an den Punkten "Cf" und "Cr", an denen der Abstand zwischen der Spitze des Schweißdrahts 16 und dem Schweißgegenstand 1 am größten ist. Andererseits zeigt die Lichtbogenspannung den kleinsten Wert an den Punkten "L" und "R", an denen der Abstand zwischen der Spitze des Schweißdrahts 16 und dem Schweißgegenstand 1 am kürzesten ist. Die Lichtbogenspannung besitzt eine relativ zum Punkt "Cf" oder "Cr" symmetrische Wellenform.
In Fig. 6 steht die ausgezogene Linie für die Wellenform der Lichtbogenspannung in dem Fall, in welchem die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie 4 nicht schneidet und von der Schweißlinie 4 in Richtung auf die Seitenplatte 3 abweicht, d.h. im Fall von Δx ≠ 0. Wenn gemäß Fig. 6 die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie 4 nicht schneidet, besitzt die Lichtbogenspannung eine relativ zum Punkt "Cf" oder "Cr" asymmetrische Wellenform. Daher erfolgt die Berechnung des integralen Werts oder der integralen Größe "SL" der Lichtbogenspannung, durch den Lichtbogenspannungssensor innerhalb eines Phasenwinkels vom Punkt "Cf" in Richtung auf den Punkt "L" detektiert, und des integralen Werts oder der integralen Größe "SR" der Lichtbogenspannung, ebenfalls durch den Lichtbogenspannungssensor innerhalb eines Phasenwinkels vom Punkt "Cf" in Richtung auf den Punkt "R" detektiert, für jede Umdrehung des Schweißdrahthalters 15 und anschließend der Differenz zwischen diesen integralen Größen "SL" und "SR" Der X-Achsen-Nachführmechanismus 17 wird durch die X-Achsen-Nachführsteuereinheit so gesteuert, daß die auf diese Weise berechnete Differenz zu Null wird, um den Schweißdrahthalter 15 waagerecht und unter einem rechten Winkel zur Schweißlinie 4 zu bewegen. Es ist somit möglich, die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie 14 schneiden zu lassen. Die Größe jedes der oben erwähnten Phasenwinkel vom Punkt "Cf" in Richtung auf den Punkt "L" und des Phasenwinkels vom Punkt "Cf" zum Punkt "R" sollte vorzugsweise bis zu 90º betragen. Wenn der Wert des Phasenwinkels über 90º liegt wird die Wellenform der Lichtbogenspannung unter dem Einfluß der in der Schweißrichtung stromauf gelegenen Schmelzlache verzerrt, wodurch es unmöglich wird, eine genaue Steuerung des X-Achsen-Nachführmechanismus 17 mittels der X-Achsen- Nachführsteuereinheit durchzuführen. Die erwähnte Steuerung kann auch unter Heranziehung des Schweißstroms anstelle der erwähnten Lichtbogenspannung durchgeführt werden.
Die Y-Achsen-Nachführsteuereinheit steuert den Y- Achsen-Nachführmechanismus 18 zum Bewegen oder Verschieben des Schweißdrahthalters 15 längs seiner Mittelachse in Abhängigkeit von Spannung oder Stromstärke des Schweißstroms in der Weise, daß der Spalt (Abstand) zwischen der Spitze des Schweißdrahts 16 und der Schweißlinie 4 auf einer vorgeschriebenen Streckengröße gehalten wird.
Die Wagenbewegungssteuereinheit steuert den am Wagen 5 vorgesehenen Wagenbewegungsmotor 13 in Abhängigkeit von Signalen von den Wagenstellungssensoren 10, 10' in einer Weise, um den Wagen 5 sich bewegen oder anhalten zu lassen.
Die Grundplattendrehungssteuereinheit steuert einen auf der Grundplatte 6 vorgesehenen Grundplattendrehmotor 14 in Abhängigkeit von einem Signal vom Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus 9 zwecks Einstellung der Drehzahl der Grundplatte 6. Die Steuerung des Grundplattendrehmotors 14 durch die Grundplattendrehsteuereinheit wird später noch näher erläutert werden. Fig. 7 veranschaulicht die Beziehung zwischen einem Schwing- oder Schwenkradius des Schweißdrahthalters 15 und einer Schweißgeschwindigkeit, wenn ein Eckabschnitt des Schweißgegenstands 1 mittels des Schweißdrahthalters 15, der mit der Drehung der Grundplatte am Wagen 5 schwingt oder schwenkt, geschweißt wird. In Fig. 7 sind mit "α"ein Schwenkwinkel des Schweißdrahthalters 15 und mit "r" ein Standardschwenkradius des Schweißdrahthalters 15 zu Beginn des Schwenkens bezeichnet. Wenn eine Schwing- oder Schwenkgeschwindigkeitskomponente in der Tangentialrichtung des Schwenkbogens dann, wenn der Schweißdrahthalter 15 mit dem Standardschwenkradius "r" schwingt oder schwenkt, mit "VR" bezeichnet wird, während eine Schwenkgeschwindigkeitskomponente in der Tangentialrichtung des Schwenkbogens beim Schwenken des Schweißdrahthalters 15 unter Änderung des Schwenkradius in der Weise, daß die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie 4 schneidet, und der Spalt zwischen der Spitze des Schweißdrahts 16 und der Schweißlinie 4 auf einer vorgeschriebenen Größe gehalten wird, mit "VR1" und eine Schweißgeschwindigkeit des Schweißdrahthalters 15 längs der Schweißlinie 4 mit "VW" bezeichnet werden, so gelten die folgenden Formeln bzw. Gleichungen (1) und (2):
Von den obigen Formeln bzw. Gleichungen (1) und (2) lassen sich die folgenden Formeln bzw. Gleichungen (3) und (4) ableiten: Im Fall von
Diese Formeln (3) und (4) werden oder sind im voraus in die Grundplattendrehsteuereinheit eingegeben. Letztere steuert den auf der Grundplatte 6 vorgesehenen Grundplattendrehmotor 14 in Abhängigkeit von einem Signal vom Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus 9, d.h. dem Schwenkwinkel "α" des Schweißdrahthalters 15 in Übereinstimmung mit den obigen Formeln (3) und (4). Die Schweißgeschwindigkeit "VW" längs der Schweißlinie 4 beim Schwenken des Schweißdrahthalters 15 wird somit auf einer vorgeschriebenen Größe gehalten.
Die Leitstangensteuereinheit steuert selektiv den ersten Leitstangenbewegungsmotor 22 und den zweiten Leitstangenbewegungsmotor 22', die auf dem Wagen 5 vorgesehen sind, in Abhängigkeit von Signalen von den Wagenstellungssensoren 10, 10' sowie einem Signal vom Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanimsus 9, um erste und zweite Leitstange 8 bzw. 8' selektiv und waagerecht zu bewegen oder zu verschieben.
Die Schweißabschlußsteuereinheit steuert den Wagenbewegungsmotor 13 und eine nicht dargestellte elektrische Schweißstromquelle in Abhängigkeit von Spannung oder Stromstärke des Schweißstroms, um den Abschluß des Schweißens zu bestimmen, den Wagen 5 seine Bewegung beenden zu lassen und die Zuspeisung des Schweißstroms zu unterbrechen. Die Steuerung des Wagenbewegungsmotors 13 und der elektrischen Schweißstromquelle durch die Schweißabschlußsteuereinheit wird später noch näher erläutert werden. Fig. 8 veranschaulicht die Wellenform der Spannung des Schweißstroms, d.h. die Wellenform der Lichtbogenspannung für jede Umdrehung des Schweißdrahthalters 15 in dichter Nähe der Schweißabschlußstellung. In Fig. 8 bezeichnen Punkte "Cf", "Cr", "L" und "R" Positionen oder Stellungen des Schweißdrahts 16 (d.h. des Lichtbogens) während einer Umdrehung desselben, in Draufsicht gesehen, in bzw. an der Schweißlinie 4 des Schweißgegenstands 1. Insbesondere bezeichnet der Punkt "Cf" die stromabseitige Stellung in der Schweißrichtung, während der Punkt "Cr" die stromaufseitige Stellung in der Schweißrichtung bezeichnet und die Punkte "L" und "R" die beiden Seitenpositionen in der Schweißrichtung bezeichnen, wie dies bezüglich Fig. 6 beschrieben worden ist. In Fig. 8 ist mit 27 ein beim anfänglichen Schweißen geformter Schweißwulst bezeichnet.
In Fig. 8 steht die gestrichelte Linie für die Wellenform der Lichtbogenspannung bei Durchführung des Schweißvorgangs in einer Stellung, die von dem Bereich entfernt oder beabstandet ist, in welchem das anfängliche Schweißen bereits erfolgt ist und der Schweißwulst 27 geformt worden ist. Gemäß Fig. 8 zeigt die Lichtbogenspannung den höchsten Wert an den Punkten "Cf" und "Cr" und den niedrigsten Wert an den Punkten "L" und "R".
In Fig. 8 steht die ausgezogene Linie für die Wellenform der Lichtbogenspannung bei Durchführung des Schweißens in einer Stellung oder Position, in welcher der Punkt "Cf" des Schweißdrahts 16 den beim anfänglichen Schweißen geformten Schweißwulst 27 erreicht und der Punkt "Cr" des Schweißdrahts 16 den Schweißwulst 27 noch nicht erreicht hat. Gemäß Fig. 8 ist die Lichtbogenspannung am Punkt "Cf" des Schweißdrahts 16, der den Schweißwulst 27 erreicht hat, niedriger als die Lichtbogenspannung am Punkt "Cr" des Schweißdrahts 16, der den Schweißwulst 27 noch nicht erreicht hat. Demzufolge erfolgt die Berechnung der integralen Größe "SCf" der durch den Lichtbogenspannungssensor innerhalb eines gewissen Phasenwinkels um den Punkt "Cf" herum detektierten Lichtbogenspannung sowie der integralen Größe "SCr" der Lichtbogenspannung, die ebenfalls durch den Lichtbogenspannungssensor innerhalb eines bestimmten Phasenwinkels um den Punkt "Cr" herum detektiert worden ist, für jede Umdrehung des Schweißdrahthalters 15, wobei diese integralen Größen "SCf" und "SCr" verglichen werden. Wenn als Ergebnis dieses Vergleichs in mehreren aufeinanderfolgenden Vergleichen die integrale Größe "SCf" kleiner wird als die integrale Größe "SCr", bestimmt die Schweißabschlußsteuereinheit den Abschluß des Schweißvorgangs. In diesem Augenblick steuert die Schweißabschlußsteuereinheit den Wagenbewegungsmotor 13 und die nicht dargestellte elektrische Schweißstromquelle so an, daß der Wagen 5 seine Bewegung beendet und die Zuspeisung des Schweißstroms unterbrochen wird. Es ist somit möglich, das Schweißen automatisch in einer Position zu beenden, in welcher der beim anfänglichen Schweißen geformte Schweißwulst 27 vorhanden ist. Die oben beschriebene Steuerung kann anstelle der beschriebenen Lichtbogenspannung auch unter Heranziehung des Schweißstroms durchgeführt werden.
Nachstehend ist anhand der Fig. 4(A) bis 4(F) ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein Schweißgegenstand 1, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte 2 und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte 2 heftgeschweißten Seitenplatten 3a, 3b, 3c und 3d, und mit vier Ecken C1, C2, C3 und C4 mittels des oben beschriebenen Kehlnahtschweißgeräts einer automatischen Kehlnahtschweißung längs einer darauf geformten Schweißlinie unterworfen wird.
Zunächst wird gemäß Fig. 4(A) der Wagen so auf die Bodenplatte 2 gesetzt, daß er in deren Längsrichtung verfahrbar ist, wobei der Schweißdrahthalter 15 gegen eine zwischen der Bodenplatte 2 und der längeren Seitenplatte 3a geformte Schweißlinie gerichtet ist. Sodann werden der erste und der zweite Leitstangenbewegungsmotor 22 bzw. 22' durch die Leitstangensteuereinheit zum waagerechten Bewegen bzw. Verschieben sowohl der ersten Leitstange 8 als auch der zweiten Leitstange 8' in Richtung auf die Seitenplatte 3a angesteuert, so daß die an einem Ende jeder der ersten und zweiten Leitstangen 8 bzw. 8' angebrachte Rolle 21 sich an die Seitenplatte 3a anlegt. Sodann wird der Wagenbewegungsmotor 13 angesteuert. Als Folge der Ansteuerung des Wagenbewegungsmotors 13 läuft der Wagen 5 in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung parallel zur Seitenplatte 3a in Richtung auf die kürzere Seitenplatte 3b, während er durch die an der Seitenplatte 3a anliegenden ersten und zweiten Leitstangen 8 bzw. 8' geführt wird. Auf diese Weise werden die Bodenplatte 2 und die Seitenplatte 3a gemäß Fig. 4(B) längs der daran geformten oder festgelegten Schweißlinie mittels des sich mit hoher Drehzahl um seine Mittelachse drehenden Schweißdrahthalters 15 mit einer Kehlschweißnaht miteinander verschweißt. Im Laufe dieses beschriebenen Kehlnahtschweißens wird der Schweißdrahthalter 15 durch den X-Achsen-Nachführmechanismus 17 und die X-Achsen-Nachführsteuereinheit so gesteuert, daß die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie schneidet; ferner wird der Schweißdrahthalter 15 durch den Y-Achsen- Nachführmechanismus 18 und die Y-Achsennachführsteuereinheit so gesteuert, daß der Spalt oder Abstand zwischen der Spitze des Schweißdrahts 16 und der Schweißlinie auf einer vorgeschriebenen konstanten Größe bleibt.
Der an der Vorderseite des Wagens 5 vorgesehene Wagenstellungssensor 10 detektiert den Abstand des Wagens 5 von der kürzeren Seitenplatte 3b unter einem rechten Winkel zur Bewegungs- bzw. Laufrichtung des Wagens 5. Der Wagenbewegungsmotor 13 wird durch die Wagenbewegungssteuereinheit in Abhängigkeit von einem Signal vom Wagenstellungssensor 10 gesteuert, welches Signal anzeigt, daß der Wagen 5 die Stellung in einem vorgeschriebenen Abstand von der Seitenplatte 3b erreicht hat, worauf der Wagen 5 anhält (vgl. Fig. 4(B)). Der erwähnte vorgeschriebene Abstand wird oder ist auf der Grundlage des durch die Drehung der Grundplatte 6 herbeigeführten Schwenkradius des Schweißdrahthalters 15 und der Strecke der waagerechten Bewegung des Schweißdrahthalters 15 mittels des X-Achsen-Nachführmechanismus 17 vorherbestimmt und der Wagenbewegungssteuereinheit im voraus eingegeben. Nach dem Anhalten des Wagens 5 in Abhängigkeit vom Signal des Wagenstellungssensors 10 wird der erste Leitstangenbewegungsmotor 22 durch die Leitstangensteuereinheit angesteuert, und die näher an der Seitenplatte 3b befindliche erste Leitstange 8 wird waagerecht in Richtung auf die andere längere Seitenplatte 3c an der der längeren Seitenplatte 3a gegenüberliegenden Seite gemäß Fig. 4(C) verschoben, so daß die am anderen Ende der ersten Leitstange 8 angebrachte Rolle 21 sich an die Seitenplatte 3c anlegt.
Anschließend wird der Grundplattendrehmotor 14 angesteuert, und die Grundplatte 6 wird, wie durch einen gestrichelten Pfeil in Fig. 4(B) gezeigt,um 90º um die lotrechte Mittelachse des Wagens 5 waagerecht gedreht, während ihre Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl gesteuert wird. Die Steuerung (oder Regelung) der Drehzahl der Grundplatte 6 erfolgt durch Detektieren des Drehwinkels der Grundplatte 6 aus ihrer Ausgangsstellung mittels des Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus 9 und Ansteuern des Grundplattendrehmotors 14 mittels der Grundplattendrehsteuereinheit in Abhängigkeit von dem so detektierten Drehwinkel der Grundplatte 6. Bei der Drehung der Grundplatte 6 schwingt oder schwenkt der Schweißdrahthalter 15 waagerecht um 90º, wobei, wie in den Fig. 4(C) und 4(D) angegeben, die Ecke C1 und ihr Bereich mit einer vorgeschriebenen konstanten Schweißgeschwindigkeit längs der Schweißlinie kehlnahtgeschweißt werden. Während dieses beschriebenen Kehlnahtschweißens des Eckabschnitts C1 wird der Schweißdrahthalter 15 durch den X-Achsen-Nachführmechanismus 17 und die X-Achsen-Nachführsteuereinheit so gesteuert, daß die Verlängerung der Mittellinie des Schweißdrahthalters 15 die Schweißlinie schneidet; ferner wird der Schweißdrahthalter 15 durch den Y-Achsen-Nachführmechanismus 18 und die Y-Achsen-Nachführsteuereinheit so gesteuert, daß der Spalt oder Abstand zwischen der Spitze des Schweißdrahts 16 und der Schweißlinie auf einer vorgeschriebenen konstanten Größe bleibt. Nachdem sich die Grundplatte 6 auf diese Weise um 90º gedreht hat, wird der erste Leitstangenbewegungsmotor 22 durch die Leitstangensteuereinheit in Abhängigkeit von einem Signal vom Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus 9 angesteuert, wobei gemäß Fig. 4(D) die näher an der Seitenplatte 3b befindliche erste Leitstange 8 waagerecht in Richtung auf die Seitenplatte 3a verschoben wird. Fig. 9 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Schritte beim beschriebenen Kehlnahtschweißen des Eckabschnitts mittels des Kehlnahtschweißgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung.
Danach wird der Grundplattendrehmotor 14 angetrieben bzw. angesteuert, und die Grundplatte 6 wird, wie durch einen gestrichelten Pfeil in Fig. 4(E) angedeutet, um weitere 90º waagerecht um die lotrechte Mittelachse des Wagens 5 herum gedreht, während ihre Drehgeschwindigkeit gesteuert wird. Bei der Drehung der Grundplatte 6 schwenkt der Schweißdrahthalter 15 waagerecht um weitere 90º, wobei gemäß Fig. 4(E) die Ecke C2 und ihr Bereich auf oben beschriebene Weise mit einer vorgeschriebenen konstanten Schweißgeschwindigkeit längs der Schweißlinie kehlnahtgeschweißt werden. Die Bodenplatte 2 und die Seitenplatte 3b werden auf diese Weise längs der darauf gebildeten Schweißlinie mittels einer Kehlschweißnaht miteinander verbunden.
Sodann werden der erste Leitstangenbewegungsmotor 22 und der zweite Leitstangenbewegungsmotor 22' durch die Leitstangensteuereinheit in Abhängigkeit von einem Signal vom Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus 9 angesteuert, um sowohl die erste Leitstange 8 als auch die zweite Leitstange 8' waagerecht zur anderen längeren Seitenplatte 3c zu verschieben, so daß die jeweilige, an jeder der ersten und zweiten Leitstangen 8 bzw. 8' angebrachte Rolle 21 sich gemäß Fig. 4(E) an die Seitenplatte 3c anlegt. Hierauf wird der Wagenbewegungsmotor 13 angesteuert. Aufgrund der Ansteuerung des Wagenbewegungsmotors 13 bewegt sich der Wagen 5, wie durch einen Pfeil in Fig. 4(E) angedeutet, parallel zur Seitenplatte 3c in Richtung auf die kürzere Seitenplatte 3d unter der Führung durch die erste Leitstange 8 und die zweite Leitstange 8', die an der Seitenplatte 3c anliegen. Die Bodenplatte 2 und die andere längere Seitenplatte 3c werden somit längs der darauf gebildeten Schweißlinie mit einer Kehlnahtschweißung miteinander verbunden.
Der an der Rückseite des Wagens 5 angeordnete andere Wagenstellungssensor 10' detektiert bzw. mißt den Abstand des Wagens 5 von der anderen kurzen Seitenplatte 3d in einem rechten Winkel zur Laufrichtung des Wagens 5. Der Wagenbewegungs- oder -antriebsmotor 13 wird durch die Wagenbewegungs- oder -antriebssteuereinheit in Abhängigkeit von einem Signal vom Wagenstellungssensor 10' gesteuert, wobei dieses Signal anzeigt, daß der Wagen 5 die Position in einem vorgeschriebenen Abstand von der Seitenplatte 3d erreicht hat; daraufhin hält der Wagen 5 an (vgl. Fig. 4(F)). Hierauf dreht sich die Grundplatte 6 auf die oben in Verbindung mit den Fig. 4(C), 4(D) und 4(E) beschriebene Weise. Auf diese Weise werden die Ecken C3 und C4 sowie die näheren Bereiche derselben mit einer Kehlschweißnaht mittels des Elektrodenhalters 15 geschweißt, der bei der Drehung der Grundplatte 6 mit dieser mitschwingt, so daß die Bodenplatte 2 und die andere kürzere Seitenplatte 3d längs der darauf gebildeten Schweißlinie kehlnahtgeschweißt werden.
Im Anschluß daran läuft der Wagen 5 parallel zur längeren Seitenplatte 3a wiederum in Richtung auf die kürzere Seitenplatte 3b, wobei ein noch nicht geschweißter Abschnitt zwischen der Bodenplatte 2 und der längeren Seitenplatte 3a längs einer darauf gebildeten oder festgelegten Schweißlinie kehlnahtgeschweißt wird. Wenn der Wagen 5 den bereits geschweißten Bereich zwischen der Bodenplatte 2 und der Seitenplatte 3a erreicht, bestimmt die Schweißabschlußsteuereinheit den Abschluß bzw. Beendigung des Schweißens auf oben beschriebene Weise. Zu diesem Zeitpunkt steuert die Schweißabschlußsteuereinheit den Wagenbewegungsmotor 13 und die nicht dargestellte elektrische Schweißstromquelle in der Weise an, daß der Wagen 5 seine Bewegung beendet und die elektrische Schweißstromquelle die Zufuhr des Schweißstroms einstellt.
Wie vorstehend beschrieben, wird der Schweißgegenstand 1, bestehend aus der rechteckigen Bodenplatte 2 und den vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte 2 heftgeschweißten Seitenplatten 3a, 3b, 3c und 3d, und die vier Ecken C1, C2, C3 und C4 aufweisend, längs der darauf geformten oder festgelegten Schweißlinie automatisch mit einer Kehlschweißnaht geschweißt.
Mit dem vorstehend im einzelnen beschriebenen Kehlnahtschweißgerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Schweißgegenstand, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte heftgeschweißten Seitenplatten, automatisch und mit hohem Wirkungsgrad bzw. hoher Wirtschaftlichkeit längs einer auf dem Schweißgegenstand geformten Schweißlinie mit einer Kehlnaht zu schweißen, wobei eine konstante Schweißwulsthöhe und eine stabile bzw. gleichbleibende Güte einer Kehlnahtschweißverbindung eingehalten werden, so daß damit bedeutende industrielle Nutzeffekte geboten werden.

Claims

1. Gerät zum selbsttätigen Kehlnahtschweißen eines Schweißgegenstands, bestehend aus einer rechteckigen Bodenplatte und vier im wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte heftgeschweißten Seitenplatten, umfassend:

einen auf der Bodenplatte in deren Längsrichtung rücklaufverfahrbaren Wagen (5),

eine Grundplatte (6), die auf dem Wagen (5) so angeordnet ist, daß sie waagerecht um die lotrechte Mittelachse des Wagens drehbar ist,

einen an der Grundplatte (6) montierten Schweißkopf (7) mit einem Schweißdrahthalter (15), der um seine Mittelachse herum drehbar ist, zum Führen eines Schweißdrahts (16) in Richtung auf eine Schweißlinie des zu verschweißenden Gegenstands, einen X-Achsen-Nachführmechanismus (17) zum Bewegen des Schweißdrahthalters (15) in waagerechter Richtung und unter einem rechten Winkel zur Schweißlinie, derart, daß die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters (15) die Schweißlinie schneidet, und einen Y-Achsen-Nachführmechanismus (18) zum Bewegen des Schweißdrahthalters (15) längs seiner Mittelachse, so daß ein Spalt oder Abstand zwischen der Spitze des Schweißdrahts (16) und der Schweißlinie auf einer vorgeschriebenen Größe gehalten wird,

zwei am Wagen (5) angeordnete Leitstangen (8, 8'), die selektiv und waagerecht in Richtung auf die Seitenplatte parallel zur Laufrichtung des Wagens (5), um die Bewegung des Wagens (5) zu führen, bewegbar sind und mit der Seitenplatte in Berührung stehen,

einen auf der Grundplatte (6) vorgesehenen Grundplattendrehwinkel-Detektionsmechanismus (9) zum Detektieren oder Bestimmen eines Drehwinkels der Grundplatte (6) aus einer Ausgangsstellung derselben,

jeweils an jeder der Vorder- und Rückseiten des Wagens (5) relativ zu dessen Laufrichtung vorgesehene Wagenstellungssensoren (10, 10') zum Detektieren oder Bestimmen eines Abstands des Wagens (5) von der Seitenplatte senkrecht zur Laufrichtung des Wagens (5) und

eine Schweißsteuereinheit (11), umfassend eine X- Achsen-Nachführsteuereinheit zum Steuern des X-Achsen- Nachführmechanismus (17) in Abhängigkeit von Spannung und/oder Stromgröße eines Schweißstroms in der Weise, daß die Verlängerung der Mittelachse des Schweißdrahthalters (15) die Schweißlinie schneidet, eine Y-Achsen- Nachführsteuereinheit zum Steuern des Y-Achsen-Nachführmechanismus (18) in Abhängigkeit von Spannung und/oder Stromgröße des Schweißstroms in der Weise, daß ein Spalt oder Abstand zwischen der Spitze des Schweißdrahts (16) und der Schweißlinie auf einer vorgeschriebenen Größe gehalten wird, eine Wagenbewegungssteuereinheit zum Steuern eines am Wagen (5) vorgesehenen Wagenbewegungsantriebsmotors (13) in Abhängigkeit von Signalen von den Wagenstellungssensoren (10, 10'), um den Wagen (5) sich bewegen oder anhalten zu lassen, eine Grundplattendrehung- Steuereinheit zum Steuern eines auf der Grundplatte (6) vorgesehenen Grundplattendrehantriebsmotors (14) in Abhängigkeit von einem Signal vom Grundplattendrehwinkel- Detektionsmechanismus (9) zwecks Einstellung einer Drehgeschwindigkeit der Grundplatte (6), eine Leitstangensteuereinheit zum selektiven Steuern zweier am Wagen (5) vorgesehener Leitstangenbewegungsmotoren (22, 22') in Abhängigkeit von Signalen von den Wagenstellungssensoren (10, 10') und einem Signal vom Grundplattendrehwinkel- Detektionsmechanismus (9) zum selektiven und waagerechten Bewegen der beiden Leitstangen (8, 8') sowie eine Schweißabschlußsteuereinheit zum Steuern des Wagenbewegungsan triebsmotors (13) und einer elektrischen Schweißstromquelle in Abhängigkeit von Spannung und/oder Stromgröße des Schweißstroms zwecks Bestimmung des Abschlusses des Schweißens, um den Wagen (5) seine Bewegung beenden zu lassen und die Zufuhr des Schweißstroms zu unterbrechen.