DE4317178C2

DE4317178C2 - Verfahren zum Regeln der Position eines Schweißkopfes über einer Schweißnaht

Info

Publication number: DE4317178C2
Application number: DE19934317178
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr Kroth; Thomas Dr Rienmueller
Original assignee: Reis GmbH and Co KG Maschinenfabrik
Current assignee: KUKA Industries GmbH and Co KG
Priority date: 1993-05-22
Filing date: 1993-05-22
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2013-05-23
Also published as: DE4317178A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fortlaufenden Regeln der Position eines Schweißkopfes in Bezug auf eine vom Schweißkopf herzustellende Schweißnaht mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.

Ein Regelungsverfahren mit diesen Merkmalen beschreibt die US- 4,937,426. Für die beiden Halbwellen werden dort die Meßwer te getrennt erfaßt. Diese beiden Meßwerte werden miteinander verglichen, um die relative Lage zur Mitte der Schweißfuge zu erhalten. Als relativer Höhenwert wird der Mittelwert beider Halbwellen genommen. Dieses vorbekannte Regelungsverfahren funktioniert aber nur bei symmetrischen Schweißfugen, wie z. B. einer V-Schweißfuge oder einer Bördelnaht.

Der Patentinhaberin ist ein weiteres, ähnlich arbeitendes Regelverfahren bekannt, das ebenfalls mit Erfolg bei Schweiß fugen mit symmetrischer Fugengeometrie eingesetzt wird. Dies sind Schweißnähte, bei denen die beidseits an die Schweißnaht anschließenden Werkstücke zumindest in ihren vom Schweißkopf aus gesehenen Oberflächen so ausgebildet sind, daß sie rechts und links der Schweißnahtmitte ansteigen (oder abfallen). Im allgemeinen hat eine solche Schweißnaht im Querschnitt ein V- Profil.

Dieses bekannte Regelungsverfahren beruht darauf, daß beim Schweißen der Lichtbogen seine Länge fortlaufend ändert, und zwar bedingt durch den sich fortlaufend ändernden Abstand zwischen dem Werkstück und dem - auf konstanter Höhe über dem Werkstück - geführten Schweißkopf. Diese Längenänderung des Lichtbogens beim Schweißvorgang wird durch die erwähnte Pen delbewegung erreicht. Der Höhenistwert bei diesen bekannten Regelungsverfahren wird im Prinzip durch eine Addition des sich während einer Pendelwelle ändernden ohm′schen Widerstands gewonnen und der Seitenistwert wird über eine Subtraktion der ohm′schen Widerstände über eine Pendelwelle gewonnen. Beide Istwerte werden also über die Messung des ohm′schen Widerstan des des Lichtbogens jeweils über die volle Pendelwelle - bzw. über alle Pendelwellen - gewonnen.

Dieses bekannte Verfahren kann mit Erfolg aber nur bei in Bezug auf die Schweißnaht symmetrischen Werkstücken eingesetzt werden. Hat die Schweißfuge eine solche Geometrie, daß sie bei einer Auslenkung des Schweißkopfes nach links der Lichtbogen länger wird, während er bei einer Auslenkung nach rechts kür zer wird (oder umgekehrt), so arbeitet dieses bekannte Ver fahren nicht mehr, weil dann die Meßergebnisse der linken und der rechten Halbwelle der Pendelbewegung unterschiedlich sind.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen vorzuschla gen, das eine Regelung auch bei asymmetrischen Fugengeometrien mit der notwendigen Genauigkeit ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 erfindungs gemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale.

Die Meßgenauigkeit wird erhöht, wenn, wie dies bevorzugt wird, nur die Meßwerte im Bereich der Spitzen der Pendelhalbwellen für die Regelung ausgenutzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert. Dabei wird zum besseren Verständnis eingangs auch das vorstehend erläuterte bekannte Verfahren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Anordnung nach dem herkömm lichen Verfahren;

Fig. 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Aussagefähigkeit des Seitenistwertes bei diesen bekannten Verfahren nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung entsprechend Fig. 2, hier aber bei einer asymmetrischen Schweißfuge;

Fig. 4 perspektivisch das Prinzip des erfindungsgemä ßen Verfahrens;

Fig. 5 ebenfalls perspektivisch weitere Erläuterungen zur erfindungsgemäßen Verfahrens führung;

Fig. 6 ein Diagramm zur Definition des Arbeitsbereichs beim erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 7 schematisch die Hüllkurve des Lichtbogens in vier verschiedenen Situationen.

Zunächst sollen anhand von Fig. 1 die Grundlagen des Lichtbo gensensors erläutert werden.

Der Lichtbogenpendelsensor wird eingesetzt, um während eines mit frei programmierbaren Mechaniken, im folgenden Roboter genannt, automatisierten Schweißprozesses die Position eines bei Pos. 1 angedeuteten Schweißbrenners (Schweißpistole) so anzupassen, daß der Schweißbrenner immer korrekt entlang einer Schweißfuge geführt wird. In Fig. 1 ist als Beispiel eine V- förmig profilierte, d. h. symmetrische, Schweißfuge darge stellt, die durch zwei aneinander stoßende Werkstücke 2, 3 mit entsprechend profilierten Oberflächen ausgebildet wird.

Während des Sensorbetriebes wird der Schweißbrenner 1 und somit der von ihm erzeugte und bei Pos. 4 angedeutete Licht bogen in eine quer zur Schweißnaht liegende, periodische Pen delbewegung versetzt, die bei Pos. 5 angedeutet ist. Hierdurch wird der Lichtbogen 4 in Abhängigkeit von der Form der Schweißfuge in seiner Länge ständig beeinflußt.

In Fig. 1 ist außerdem ein Koordinatensystem mit aufeinander senkrecht stehenden Achsen 6, 7 angedeutet, wobei die horizon tale Achse 6 in der Richtung der Schweißnaht verläuft und die dazu vertikale Achse 7 die Höhe des Brenners 1 über dem Werk stück 2, 3 angibt. Die Achse der dritten Koordinate, die sich also in Seitenrichtung erstreckt, ist in Fig. 1 bei Pos. 8 gezeigt.

Die Arbeitsweise des bisher bekannten Regelungsverfahrens, das also nur bei symmetrischen Nahtformen eingesetzt werden kann, ist wie folgt.

Höhenregelung

Der Mittelwert der Lichtbogenlänge (Li) - gemessen über eine gesamte Pendelperiode - ist ein Maß für die mittlere Licht bogenlänge und somit ein Maß für den Abstand des Brenners vom Werkstück, im folgenden Höhenistwert "Hi" genannt.

Hi = Mittelwert (Li) (1)

Die Differenz zwischen dem gemessenen Höhenistwert und einem vorgegebenen Höhensollwert (Sollabstand des Brenners vom Teil) wird bei der Bewegung des Roboters berücksichtigt.

Seitenregelung

Die Seitenabweichung bzw. der Seitenistwert "Si" wird errech net aus der Differenz der Lichtbogenlängensummen der ersten (L1i) und der zweiten (L2i) Pendelhalbwelle.

Si = Summe (L1i) - Summe (L2i)

Pendelt der Lichtbogen symmetrisch zur Schweißnahtmitte, so werden die Summen der Lichtbogenlängen der ersten und zweiten Pendelhalbwelle gleich groß sein, die Seitenabweichung "Si" wird zu Null. Andernfalls wird, je nach Richtung und Größe der Seitenabweichung, "Si" positive oder negative Werte annehmen.

Die Seitenabweichung wird bei der Bewegung des Roboters be rücksichtigt.

Die oben beschriebenen Algorithmen liefern nur bei symmetri schen Nähten ein brauchbares Ergebnis, da nur hier Höhenist wert Hi und Seitenabweichung Si hinreichend unabhängig sind.

Bei asymmetrischen Fugengeometrien, z. B. bei Ecknähten, ist die Unabhängigkeit nicht gegeben, vielmehr ergeben sich für Si Doppeldeutigkeiten. Fig. 3 zeigt diese Verhältnisse. Während sich bei symmetrischen Nähten die Lichtbogenlängensumme Li1 und Li2 bei Mittelstellung des Brenners aufheben und sonst eindeutig positiv oder negativ sind, ist bei asymmetrischen Nähten Si bei Mittelstellung maximal und sonst immer kleiner (vgl. Fig. 3.).

Die Größe von Si beinhaltet bei bekannten Verfahren somit keine Information über die Richtung der Abweichung und kor rigiert im schlimmsten Fall in die falsche Richtung.

Bei asymmetrischen Nahtformen, wie z. B. Eck- und Überlappnäh te, bei denen Schweiß- wie Pendelbewegung zulässig ist, kann ein Roboter mit dem erfindungsgemäßen Verfahren höhen- und seitengeführt werden.

Dabei werden die Lichtbogenlängenmeßwerte für die Höhen- und Seitenführung über die Pendelbewegung zugeordnet. Analog zu dem beschriebenen Verfahren für die Seitenabweichung Si werden für jede Pendelhalbwelle die mittlere Lichtbogenlänge Li1 und Li2 gebildet. Der Wert Li1 der ersten Pendelhalbwelle wird als Höhenistwert Li, der Wert der zweiten Pendelhalbwelle Li2 als Seitenistwert Si genutzt (siehe Fig. 2).

Die Zuordnung der Pendelhalbwelle (PHW) zu den Höhen- oder Seitenistwerten kann fest erfolgen, so daß z. B. immer die erste PHW den Höhenistwert liefert und die zweite PHW den Seitenistwert. In diesem Fall ist auf die Programmierung der Pendelbewegung in bezug auf die Lage des höheren Nahtteils zur Schweißrichtung besonders zu achten (Fig. 5).

Die Zuordnung kann aber auch frei erfolgen, so daß bei einer immer konstanten Pendelbewegung in einer Tabelle festgehalten wird, ob der Höhen- oder Seitenistwert in der ersten PHW er mittelt wird.

Ausgehend von der in Fig. 6 unten dargestellten Nahtform, wird die mittlere Lichtbogenlänge der ersten pendelnden Halbwelle einer Pendelbewegung (Höhenmeßwert) als Funktion der Seiten lage dargestellt.

Hierbei ist zu erkennen, daß der Höhenmeßwert dann ansteigt, wenn die Pendelbewegung der ersten Pendelhalbwelle an der Kante zwischen höherem und niedrigem Nahtteil ausgeführt wird. Außerdem ist in Fig. 6 die mittlere Lichtbogenlänge der zwei ten Pendelhalbwelle (Seitenmeßwert) dargestellt.

Der Seitenmeßwert beginnt dann anzusteigen, wenn die Bewegung der zweiten Pendelhalbwelle an der Kante zwischen höherem und niedrigerem Nahtteil ausgeführt wird. Resultierend ergibt sich somit ein Versatz des ansteigenden Verhaltens zwischen Höhen meßwert und Seitenmeßwert von einer halben Pendelamplitude.

Dieser Versatz stellt den Arbeitsbereich des Sensors dar. Im Arbeitsbereich ist zu erkennen, daß die Seitenregelung bei einem Versatz in der Seitenlage ein Meßsignal erhält, um eine Seitenkorrektur auszuführen, während der Höhenmeßwert von die ser fehlerhaften Seitenlage unbeeinflußt bleibt. Dieses Ver halten ist Grundprinzip des Sensors entsprechend dieser Erfindung.

Fig. 7 erläutert die Erfassung der Meßwerte bei vier typi schen Situationen bei der Brennerführung an einer asymmetri schen Naht. Dabei ist jeweils die Hüllkurve des Lichtbogens in den beiden Endlagen der Pendelbewegung eingezeichnet. Die Fläche der jeweiligen Hüllkurve ist ein Maß für die entspre chenden Meßwerte.

Die Hüllkurve der linken Halbwelle steht immer für den Höhen meßwert, die der rechten Halbwelle für den Seitenmeßwert. Die Situationen I (ist der Idealzustand), II und III geben die Verhältnisse bei gleicher Höhenlage wieder. Situation IV zeigt die Auswirkung einer Höhenabweichung gegenüber dem Idealzu stand.

Claims

1. Verfahren zum fortlaufenden Regeln der Position eines Schweißkopfes in Bezug auf eine vom Schweißkopf herzu stellende Schweißnaht, wobei der beabstandet über der Schweißnaht angeordnete Schweißkopf eine seiner linearen Schweißbewegung quer überlagerte Pendelbewegung parallel zur Werkstückoberfläche ausführt, während der der sich zeitlich ändernde ohm′sche Widerstand des Lichtbogens oder eine dazu äquivalente Größe gemessen wird, und wobei aus den Meßsignalen die Höhe des Schweißkopfes über der Schweißfuge und die seitliche Abweichung der linearen Schweißbewegung des Schweißkopfes in Bezug auf die Schweißfuge bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für die bezüglich der linearen Schweiß bewegungsrichtung rechten Pendelhalbwellen und die Meß werte für die bezüglich der linearen Schweißbewegungs richtung linken Pendelhalbwellen voneinander getrennt ausgewertet werden und daß die Meßwerte der einen Pendel halbwellen zur Bestimmung der Höhenist-Position und die Meßwerte der anderen Pendelhalbwellen zur Bestimmung der Istabweichung von der linearen Schweißbewegung dienen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Meßwerte im Bereich der Spitzen der Pendel halbwellen für die Regelung ausgenutzt werden.