DE4326338A1 - Schweißroboter - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schweißroboter insbesondere
zum automatischen Verschweißen von spiralförmig gebogenen Rohren
zur Herstellung von rotationssymmetrischen Triebwerksdüsen, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es sind Schweißroboter mit einer laseroptischen Sensoranord
nung bekannt, durch die der Schweißkopf adaptiv dem räumlichen
Fügespaltverlauf nachgeführt und am Nahtanfang oder -ende die
Schweißkopfsteuerung zum Zwecke von Überlapp- oder Mehrfach
schweißungen selbsttätig geändert wird. Derartige Schweißroboter,
die mit einer reinen Positionssteuerung und einer starren Wieder
holung eines einmal vorgegebenen Schweißprozeßablaufs arbeiten,
ohne unvermeidbare Störungen im Schweißverlauf ausgleichen zu
können, ergeben jedoch beim Verschweißen von Bauteilen mit un
gleichförmiger Fügespaltgeometrie, insbesondere spiralförmig ge
bündelten, dünnwandigen Rohren z. B. für regenerativ gekühlte
Triebwerksdüsen, eine stark unregelmäßige Schweißnahtbildung mit,
bezogen auf die wirksame Nahtlänge, häufigen Fehlschweißungen,
die ihre Ursache in einer zu geringen oder übermäßigen örtlichen
Schmelzbadausdehnung im Bereich der Bauteilkanten haben.
Bei den bekannten automatischen Schweißrobotern der eingangs ge
nannten Art hingegen wird zusätzlich zur kinematischen Schweiß
steuerung aus Gründen einer verbesserten Schweißqualität auch der
Schweißprozeß selbst in der Weise beeinflußt, daß nicht nur der
Fügespaltverlauf sondern auch die Fügespalt- bzw. Schweißnaht
geometrie während des Schweißvorgangs kontinuierlich abgetastet
werden, um die maßgeblichen Schweißparameter, etwa die Schweiß
bahngeschwindigkeit oder den Schweißstrom, an die örtlichen
Schweißbedingungen anzupassen und dadurch die Nahtkenndaten, wie
die Schweißnahtbreite, die Nahtüberhöhung oder die Einbrandtiefe,
unabhängig von den einwirkenden Störgrößen auf vorgegebenen Soll
werten zu halten. Hierbei erfolgt die Umsetzung der Sensor-Meß
werte in entsprechende Schweißparameter-Stellbefehle rechnerge
stützt mit Hilfe von Regel- oder Steuereinheiten auf der Grundla
ge von Regelalgorithmen, nichtlinearen Beobachtermodellen oder
mehrdimensionalen, nach Maßgabe der Sensorsignale veränderten Da
tenkennfeldern, was wegen der Komplexität des Schweißprozesses
mit einem so großen Bau- und Rechenaufwand verbunden ist, daß die
Schweißprozeßsteuerung in der Praxis unter Inkaufnahme einer ver
ringerten Schweißqualität auf eine oder allenfalls wenige variab
le Schweißparameter, etwa den Schweißstrom und/oder die Drahtzu
fuhrgeschwindigkeit, beschränkt und die Schweißbahngeschwindig
keit aus Gründen einer Echtzeit-Signalauswertung zumeist deutlich
unter dem schweißtechnisch an sich möglichen Höchstwert gehalten
werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schweißroboter der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß selbst unter schwierigen
Schweißbedingungen und vor allem für stark unregelmäßige Füge
spaltgeometrien eine hohe Schweißqualität mit geringem Geräte-
und Rechenaufwand und bei voller Ausnutzung der schweißtechnisch
maximal möglichen Schweißbahngeschwindigkeit zu erzielen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1
gekennzeichneten Schweißroboter gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Schweißroboter ist die Bauteilabtastung
auf einige wenige, die Fügespaltgeometrie einschließlich der Fü
gespaltbreite kennzeichnende Meßsignale beschränkte, die unter
Verzicht auf komplizierte, zeitaufwendige Rechenoperationen auf
dem Wege über einen rechentechnisch einfachen Datenaufruf in ent
sprechende Schweißprozeß-Steuerbefehle umgesetzt werden, wodurch
sich eine selbsttätige, feinfühlige Echtzeit-Anpassung aller maß
geblichen Schweißparameter während des laufenden Schweißprozesses
und dadurch eine hohe Schweißqualität sicherstellen läßt, ohne
daß die Schweißbahngeschwindigkeit, bedingt durch eine zeitlich
verzögerte Signalauswertung, auf einem für die Qualitätssicherung
an sich unnötig niedrigen Wert gehalten werden muß.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß
Anspruch 2 zusätzlich zur Spaltbreite auch die Kantenform des
Fügespalts abgetastet und in die Schweißparameterregulierung in
der Weise einbezogen, daß beim Abtasten einer Konturänderung der
Bauteilkanten der automatische Schweißprozeß im Hinblick auf eine
erhöhte Qualitätssicherung entweder unterbrochen oder durch Auf
ruf eines entsprechend geänderten Schweißparameter-Datensatzes
etwa mit einem anderen Elektrodenabstand und/oder einer anderen
Schweißstromstärke fortgesetzt wird. Ebenfalls aus Gründen einer
verbesserten Qualitätssicherung wird zweckmäßigerweise gemäß An
spruch 3 ein Höhenversatz der Bauteilkanten durch eine entspre
chende Umorientierung der Schweißelektrode ausgeglichen und da
durch eine unsymmetrische Lichtbogenverteilung bezüglich der Bau
teilkanten vermieden.
Aus Gründen einer baulich einfachen und robusten Ausbildung bei
zugleich hoher Meßgenauigkeit der Sensoranordnung wird der Füge
spalt gemäß Anspruch 4 vorzugsweise auf optischem Wege, und zwar
nach Anspruch 5 zweckmäßigerweise durch einen quer zum Fügespalt
gerichteten Laserlichtstreifen abgetastet, wobei zur Signalaus
wertung ein die Querschnittsdaten des Fügespalts ermittelnder
Meßwertgeber vorgesehen ist.
Die vor Beginn des automatischen Schweißprozesses experimentell
an Probewerkstücken vorermittelten Schweißparameter-
Datensätze enthalten gemäß Anspruch 6 jeweils Einstellbefehle
nicht nur für den Schweißstrom und die Schweißbahngeschwindig
keit, sondern vorzugsweise auch für den Elektrodenabstand und
eine fügespaltabhängig aktivierte Zusatzwerkstoffzufuhr für eine
Schutzgas-Lichtbogenschweißung. Dabei empfiehlt es sich gemäß
Anspruch 7, durch die Sensoranordnung zusätzlich den Refle
xionsgrad im Bereich der Fügespaltkanten abzutasten und in die
Schweißparameter-Datensätze jeweils einen nach Maßgabe des er
mittelten Reflexionsgrades aufgerufenen Schutzgas-Einstellbefehl
einzubeziehen.
Zur Sichtkontrolle der Schweißnaht während des laufenden Schweiß
prozesses ist gemäß Anspruch 8 zweckmäßigerweise eine am Schweiß
kopf befestigte Videokamera vorgesehen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist schließ
lich nach Anspruch 9 im Stromversorgungskreis eine auf einen obe
ren und einen unteren Schweißspannungs-Grenzwert ansprechende
Überwachungseinrichtung angeordnet, durch die auf baulich einfa
che Weise eine häufige Schweißfehlerquelle, die ihre Ursache in
einem übermäßigen Elektrodenabbrand oder an der Elektrodenspit
ze anhaftenden Materialspritzern und demzufolge unzulässigen
Schweißspannungswerten hat, wirksam ausgeschaltet wird.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles
in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in
stark schematisierter Darstellung
Fig. 1 ein Robotersystem zum automatischen Verschweißen
einer Triebwerksdüse in Spiralbauweise;
Fig. 2 eine perspektivische Teildarstellung des kombi
nierten Schweiß- und Abtastkopfes:
Fig. 3a bis 3d einige unterschiedliche Fügespaltquerschnitte
mit jeweils entsprechend eingestellter Schweiß
elektrode;
Fig. 4 eine aus experimentiell vorermittelten, stufen
weise in Abhängigkeit von der Fügespaltbreite
gestaffelten Schweißparameter-Datensätzen beste
hende Kennlinie des Robotersystems; und
Fig. 5 einen typischen Fügespaltverlauf mit ungleich
förmiger Fügespaltgeometrie und sich dementspre
chend ändernder Schweißparameter-Einstellung.
Das in den Figuren gezeigte Robotersystem dient zum automatischen
Verschweißen von spiralförmig gebogenen Rohren 2, die zur Her
stellung einer regenerativ gekühlten, rotationssymmetrischen
Triebwerksdüse dicht gebündelt auf einem um die Längsachse L mo
torisch drehpositionierbaren Montagekern 4 mittels einer Draht
bandage 6 fixiert sind und im Wege des Lichtbogenschweißens mit
einander zu einer starren Düsenstruktur verbunden werden. Zu die
sem Zweck wird die Drahtbandage 5 schrittweise durch eine moto
risch angetriebene Drahtabzugstrommel 8 mit einstellbarem Halte
moment und selbstverstellender Umlenkeinheit 10 abgewickelt und
nach jedem Abwickelschritt werden sämtliche Rohre über die je
weils freigelegte Rohrlänge an ihren einander benachbarten Kan
ten miteinander verschweißt, derart, daß sich in Rohrlängsrich
tung aufeinanderfolgende Schweißnahtabschnitte überlappen, bis
schließlich das gesamte Rohrbündel mit sich durchgehend von den
vorderen zu den hinteren Rohrenden erstreckenden Schweißnähten
versehen ist.
Der die automische Schweißsteuerung übernehmende Schweißroboter
enthält einen bezüglich des Rohrbündels mehrachsig rotativ und
translatorisch steuerbaren Stellantrieb 12 mit einem die Schweiß
elektrode 14 tragenden Schweißkopf 16 und einem am Schweißkopf 15
befestigten, optischen Abtastkopf 18, der gemäß Fig. 2 aus einer
einen quer zur Schweißvorschubrichtung R gerichteten Laserlicht
streifen 20 erzeugenden Laserlichtquelle 22 und einer auf den
Laserlichtstreifen 20 gerichteten CCD-Kamera 24 besteht, deren
Bildsignale einer insgesamt mit 26 bezeichneten Signalauswerte
einheit zugeführt werden, die über den Stellantrieb 12 die Be
wegungsführung des kombinierten Schweiß- und Abtastkopfes 16, 18
einschließlich des Elektrodenabstands, der Elektrodenneigung und
der Schweißvorschubgeschwindigkeit sowie über eine Einstellstufe
28 den Schweißstrom und eine Zuführeinrichtung 30 zur selektiven
Zugabe von Zusatzwerkstoff steuert. Durch die Auswerteeinheit 26
werden ferner die Antriebsmotoren M für den Montagekern 4 und die
Abzugstrommel B miteinander und mit der Steuerung des Schweißkop
fes 16 koordiniert.
Zur visuellen Schweißkontrolle ist an dem kombinierten Schweiß-
und Abtastkopf 16, 18 eine auf die Oberfläche des Rohrbündels im
Bereich der Elektrode 14 gerichtete Videokamera 32 befestigt, der
ein Bildschirm 34 nachgeschaltet ist, auf dem sich der Schweiß
vorgang beobachten läßt.
Im einzelnen enthält die Auswerteeinheit 25 einen Meßwertgeber
36, der aus den Ausgangssignalen des Abtastkopfes 18 eine vom
Laserlichtstreifen 20 erfaßte Schweißnaht oder einen Fügespalt
zwischen den Rohren 2 erkennt und voneinander unterscheidet und
die entsprechenden Fügespalt-Lagekoordinaten einer ersten, den
Stellantrieb 12 und die Antriebsmotoren M steuernden Steuerstufe
38 eingibt.
Zusätzlich ermittelt der Meßwertgeher 35 aus den Abtastsignalen
des Abtastkopfes 18 die maßgeblichen Querschnittsdaten eines de
tektierten Fügespalts, insbesondere die Spaltbreite, die Kanten
form und einen eventuellen Höhenversatz der den Fügespalt begren
zenden Rohre 2, und gibt diese Meßdaten an eine mit der ersten
Steuerstufe 38 verkoppelte, zweite Steuerstufe 40. Diese enthält
einen Datenspeicher 42, in dem unterschiedliche, jeweils für ver
schiedenartige Fügespaltgeometrien experimentell vorermittelte
Schweißparameter-Datensätze abgelegt sind, von denen der für die
jeweils ermittelte, örtliche Fügespaltgeometrie zutreffende Da
tensatz von der Steuerstufe 40 zur Steuerung der Einstellstufe 28
und - auf dem Wege über die Steuerstufe 38 und den Stellantrieb
12 - zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit der Schweißelek
trode 14 und gegebenenfalls zur Korrektur der Elektrodenposition,
etwa des Elektrodenabstands und/oder der Elektrodenneigung bezüg
lich des Fügespalts aufgerufen wird.
In Fig. 3 sind unterschiedliche Spaltgeometrien zusammen mit den
zugehörigen Elektroden-Einstellungen dargestellt. Gemäß Fig. 3a
besitzen die den Fügespalt 44 mit der Spaltbreite s seitlich
begrenzenden Rohre 2 eine scharfkantige Außenkontur, und die
Schweißelektrode 14 wird beim Verschweißen längs des Fügespalts
44 mit dem Elektrodenabstand d mittig und symmetrisch zum Füge
spaltquerschnitt geführt. Gemäß Fig. 38 sind die Rohre 2 mit
abgerundeten Kanten versehen und der Fügespalt 44 besitzt eine
etwas vergrößerte Spaltbreite s. Die Schweißelektrode 14 wird auf
einen dementsprechend geänderten Elektrodenabstand d eingestellt,
bleibt beim Schweißvorgang aber weiterhin mittig und symmetrisch
zum Fügespalt 44 ausgerichtet. Eine weitere, hinsichtlich der
Signalauswertung wiederum andersartige Querschnittskonfiguration
des Fügespalts 44 ergibt sich gemäß Fig. 3c bei einer polygona
len Rohraußenkontur und einem dementsprechend V-förmig nach oben
erweiterten Fügespalt 44. Ferner wird auch ein Höhenversatz h
zwischen den fügespaltbegrenzenden Rohren 2 (Fig. 3d) in der
Weise berücksichtigt, daß die Elektrode 14 quer zur Fügespalt-
Längsrichtung zum tiefer gelegenen Rohr 2 gekippt wird, so daß
sie senkrecht und mittig auf die Verbindungslinie zwischen den
den Fügespalt 44 begrenzenden Rohrkanten 46A, B ausgerichtet
ist.
Fig. 4 zeigt eine Kennlinie der Steuerstufe 40 in Abhängigkeit
von der örtlichen Fügespaltbreite s für eine bestimmte Rohrkan
tenform und ohne Berücksichtigung eines die Schweißparameterein
stellung beeinflussenden Höhenversatzes h. Die Kennlinie besteht,
gestaffelt nach aufeinanderfolgenden Größenbereichen der Füge
spaltbreite s, aus unterschiedlichen Schweißparameter-Datensät
zen, die jeweils einen bestimmten Stellwert für die Schweißvor
schubgeschwindigkeit vs, die Elektrodendistanz d, die Zusatz
werkstoff-Zuführung sowie die Grundstromstärke, die Impulshöhe,
die Frequenz und das Puls-/Pausen-Verhältnis des Lichtbogen-
Schweißstroms enthalten. Wie ersichtlich, nimmt die Vorschubge
schwindigkeit vs mit steigender Fügespaltbreite s zunächst ab,
wobei sich der Schweißstrom zwischen dem Datensatz 01 und 08
schrittweise verringert und die Schweißnaht ohne Zusatzwerkstoff
hergestellt wird, während bei weiterer Zunahme der Fügespaltbrei
te s entsprechend dem Datensatz 09 mit wiederum erhöhtem Schweiß
strom und höherer Vorschubgeschwindigkeit vs, jedoch weiterhin
ohne Schweißzusatz geschweißt und anschließend im Schweißmodus 21
und 22 Zusatzwerkstoff zugegeben und die Vorschubgeschwindigkeit
vs und der Schweißstrom schrittweise erniedrigt werden. Weitere
Schweißparametersätze (nicht gezeigt) im Datenspeicher 42 bezie
hen sich u. a. auf den Überlappmodus, bei dem das Ende der Vornaht
erst im Stand und dann mit langsamer Vorschubgeschwindigkeit auf
geschmolzen wird.
Um die Schutzgaszufuhr an mögliche Oberflächenverschmutzungen der
Bauteilkanten 46 anzupassen, wird der Reflexionsgrad der kanten
nahen Oberflächenbereiche von dem Abtastkopf 18 und dem Meßwert
geber 36 miterfaßt und den Schweißparameter-Datensätzen ein wei
terer Schweißparameter angefügt, der einen sich entsprechend dem
ermittelten Reflexionswert ändernden Stellbefehl für die Schutz
gaszufuhr enthält, derart, daß die Schutzgaszufuhr je nach aufge
rufenem Reflexionsgrad-Schweißparameter um - oder der Schweiß
prozeß bei zu starker Oberflächenverschmutzung abgeschaltet wird.
Von dem durch die Steuerstufe 40 nach Maßgabe der Ausgangssignale
des Meßwertgebers 36 jeweils aufgerufenen Schweißparameter-Daten
satz werden die kinematischen Stellbefehle, also die Vorschubge
schwindigkeit vs, der Elektrodenabstand d und eine eventuelle Po
sitionskorrektur der Schweißelektrode 14 (Fig. 3d) an den Achs
rechner 38 übergeben, wo sie bei der Verfolgung des Fügespalts 44
in entsprechende Stellsignale für die Schweißelektrode 14 umge
setzt werden, während die Einstellbefehle für den Schweißstrom,
den Schweißzusatz und die Schutzgaszufuhr von der Steuerstufe 40
unmittelbar in die Einstellstufe 28 eingegeben werden und eine
entsprechende Einstellung der Zufuhreinrichtung 30 und der
Schweißstromimpulse bewirken. Der Einstelleinheit 28 ist eine im
Zuge der Schweißstromzuführung zum Schweißkopf 15 liegende Über
wachungseinrichtung 48 zugeordnet, die anspricht, wenn die
Schweißspannung einen für die jeweils eingestellte Stromstärke
vorgegebenen, oberen oder unteren Grenzwert über- bzw. unter
schreitet, wie dies etwa bei einem übermäßigen Elektrodenabbrand
oder heim Anhaften von Materialspritzern an der Elektrodenspitze
der Fall ist, woraufhin der Schweißprozeß durch die Überwachungs
einrichtung 48 zum Zwecke eines Elektrodenwechsels unterbrochen
wird.
In Fig. 5 ist ein typischer Verlauf eines Fügespalts 44 zwischen
benachbarten Rohren 2 dargestellt. Durch das beschriebene Robo
tersystem wird die Schweißelektrode 14 nicht nur selbsttätig dem
Fügespalt 44 nachgeführt, sondern es werden auch alle maßgebli
chen Schweißparameter während des Schweißprozesses fortlaufend
entsprechend der ermittelten örtlichen Fügespaltgeometrie in
Echtzeit automatisch nachgeregelt, wie dies durch die den einzel
nen Fügespaltquerschnitten beigefügten Schweißparameter-Datensät
ze angedeutet ist.
Claims (9)
1. Schweißroboter, insbesondere zum automatischen Verschweißen
von spiralförmig gebogenen Rohren zur Herstellung von rota
tionssymmetrischen Triebwerksdüsen, mit einer den Verlauf
und die Querschnittsgeometrie, insbesondere die Spaltbreite
des Fügespalts zwischen den zu verschweißenden Bauteilen ab
tastenden Sensoranordnung einschließlich einer stellsignal
erzeugenden Auswerteeinheit, sowie mit einer stellsignalge
steuerten, die Schweißparameter (Schweißgeschwindigkeit und
Schweißleistung) veränderlich einstellenden und den Schweiß
kopf mehrachsig verstellbar dem Fügespaltverlauf nachführen
den Stellvorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteeinheit (25) einen Datenspeicher (42) mit einer
Vielzahl von jeweils für unterschiedliche Fügespalt-Quer
schnittsgeometrien vorerstellten Schweißparameter-Datensät
zen (01 . . . 22) und eine den jeweils die Stellvorrichtung
(12, 28) steuernden Schweißparameter-Datensatz während des
Schweißprozesses nach Maßgabe der ermittelten Fügespaltgeo
metrie auswählende Steuerstufe (40) enthält.
2. Schweißroboter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich zur Fügespaltbreite (s) auch die Kantenform des
Fügespalts (44) abgetastet und in die Schweißparameter-Da
tensätze (01 . . . 22) einbezogen ist.
3. Schweißroboter nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
kontinuierliches Abtasten der Höhenlage der Fügespaltkanten
(45) und Positionskorrektur der Schweißkopf-Elektrodenspitze
zum Ausgleich eines Kanten-Höhenversatzes (h).
4. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Sensoranordnung (18, 26, 36) einen optischen Abtastkopf
(18) und einen nachgeschalteten, aus den Abtastsignalen die
Querschnittsdaten des Fügespalts (44) ermittelnden Meßwert
geber (36) enthält.
5. Schweißroboter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Abtastkopf (18) ein Laserlichtkopf ist.
6. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schweißparameter-Datensätze (01 . . . 22) jeweils Einstell
werte für den Schweißstrom, die Schweißvorschubgeschwindig
keit (vs), den Elektrodenabstand (d) und eine fügespaltab
hängig aktivierte Zusatzwerkstoffzufuhr (30) für ein Schutz
gas-Lichtbogenverschweißen der Bauteile (2) umfassen.
7. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Reflexionsgrad im Bereich der Fügespaltkanten (46) von
der Sensoranordnung (18, 26, 35) abgetastet und in den
Schweißparameter-Datensätzen (01 . . . 22) jeweils ein nach
Maßgabe des ermittelten Reflexionsgrades aufgerufener
Schutzgas-Einstellparameter enthalten ist.
8. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur visuellen Schweißkontrolle eine am Schweißkopf (16)
mitgeführte Videokamera (32) vorgesehen ist.
9. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine auf einen oberen und einen unteren Schweißspannungs-
Grenzwert ansprechende Überwachungseinrichtung (48).
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