DE4446557C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Führen eines Schweisskopfes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Führen eines Schweißkopfes mittels einer Auswertung der Prozeßparameter als Führungssignale für die Schweißkopfsteuerung, wobei die Geometrie der Schweißfuge durch periodische Auslenkung der Schweiß­ elektrode und des Lichtbogens in der Schweißfuge abgetastet wird.

Es ist bekannt, mittels Lichtbogensensoren über die Schweißparameter Schweißstrom und/oder Schweißspannung die Geometrie einer Schweißfuge zu erfassen und einen Schweißkopf entlang der Schweißfuge zu führen. Das Wirkprinzip beruht auf einer Änderung der Schweißpara­ meter bei einer Änderung der Lichtbogenlänge bzw. der freien Länge des Drahtendes.

Dies geschieht entweder durch eine magnetische Ablen­ kung des Lichtbogens (z. B. DE 25 33 448 C2 oder DE 25 60 157 C2) oder durch eine mechanische Rotation eines exzentrischen Schweißdrahtendes um eine lotrechte Mittelachse.

Die Pendelung des Lichtbogens hat den Nachteil, daß die für die elektromagnetische Auslenkung des Lichtbogens erforderlichen Elektromagnete relativ groß sind und ihre Montage an einem Schweißroboter erheblich behin­ dern.

Aus den Fachartikeln von Sugitani, Kobayashi und Murayama "Development and application of automatic high speed rotation arc welding" in: "Welding International 1991, 5(7) S.755-783, ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Schweißelektrode auf der Mantelfläche eines Zylinders bewegt wird und dabei über ihren Lichtbogen die Geometrie der Schweißfuge abtastet. Je nachdem der Abstand, d. h. die Länge des Lichtbogens zur Fugenkante größer oder kleiner ist, ändern sich die Schweißpara­ meter Schweißstrom und/oder Schweißspannung, was ausge­ wertet ein Führungssignal für die Zustellung des Schweißkopfes in Querrichtung zur Schweißrichtung ergibt.

Die Signalfrequenz des Elektrodenantriebes ist bei diesem Rotationsbrenner hoch (ca. 60 Hz), und der Umlaufdurchmesser der Schweißelektrode ist stets gleich. Dabei werden die Schweißparameter bei maximaler Querauslenkung der Schweißelektrode auf die Fugenkanten ausgewertet. Allerdings ist es mit dieser Vorrichtung nicht möglich, die Schweißelektrode mit einer notwendi­ gen Wasserkühlung zu versehen.

Nach anderen bekannten Verfahren, z. B. nach der DE 26 31 250 C3 wird die Schweißelektrode quer zur Schweißrichtung in einer Ebene gependelt. Dabei werden Meßsignale ausgewertet, die durch eine Änderung der Lichtbogenlänge und/oder der freien Drahtlänge hervorgerufen werden. Dieses Verfahren ist jedoch ungenau, weil die Pendelbewegung mit 3-4Hz relativ langsam ist. Bei höheren Pendelfre­ quenzen bestünde die Gefahr, im Eigenfrequenzbereich des Schweißroboters zu pendeln, der zwischen 6-15Hz liegt. Die Folge einer Anregung der Eigenfrequenz wäre aber ein Aufschwingen des Systems, so daß eine genaue Positionierung des Schweißkopfes nicht mehr möglich wäre.

Das Gleiche gilt für ein weiteres Fugenerkennungsver­ fahren nach der US-PS 4 704 513. Hierbei wird die Elektrode mit hoher Geschwindigkeit auf dem Mantel eines Zylinders bewegt, während der Prozeßparameter "Lichtbogenspannung" in regelmäßiger Folge gemessen, ausgewertet und als Führungssignal der Schweißkopfsteu­ erung zugeführt wird. Dabei werden die Rotationsbewegung der Elektrode im Rechner geteilt und die beiden Teilbewegungen miteinander verglichen und ausgeglichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und genaues Meßverfahren zu schaffen und insbesondere ein solches, das auch eine Wasserkühlung der Schweißelektrode zuläßt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsge­ mäß in einem Verfahren mit den kennzeichnenden Merkma­ len des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nunmehr den Einsatz eines Lichtbogensensors beim Verschweißen von Aluminium und Aluminiumwerkstof­ fen. Dies war bisher wegen der kleinen Signalamplituden nicht möglich. Die bekannte Pendelbewegung war hierfür zu langsam.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-4 angegeben.

Im Anspruch 5 ist eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schweißkopf nach der Erfindung

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Schweißfu­ ge mit auf einem Kegelmantel rotierender Schweiß­ elektrode,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Schweißfuge und

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schweißkopf, einen sogenannten "Rotationsbrenner" 1, der sich durch ein besonders geringes Gewicht von ca. 3 kg für den Schweißbrenner, Verbindungselemente und Abschaltdose auszeichnet und sich insbesondere für die Anwendung bei einem Schweißroboter eignet.

Die Schweißelektrode 2 mit einer Schutzgasdüse 3 ist mittels eines Pendelkugellagers 4 in einer Exzenterhül­ se 5 gelagert, die ihrerseits auf einer im Gehäuse 6 drehbar gehaltenen Exzenternabe 7 um je 20° verstellbar gehalten ist. Diese Exzenternabe 7 ist über einen Zahnriemen 8 mit einer von einem Antriebsmotor 10 angetriebenen Riemenscheibe 9 verbunden.

Im oberen Teil des Gehäuses 6 ist die Schweißelektrode 2 in einer faserverstärkten Gummischeibe 11 elastisch gehalten. An das obere Ende der Schweißelektrode 2 schließen eine Drahtzuführseele 12, sowie Schläuche für einen den Schweißdraht umgebenden Kühlwasserzu- und -ablauf 13, 14 an. Mit 15 sind ein Stromzuführkabel und mit 16 eine Schutzgaszuführung bezeichnet.

Im Bereich oberhalb des Zahnriemens 8 ist an der Exzenternabe 7 eine geschlitzte Scheibe 17 mit einer mit der Exzenternabe 7 umlaufenden Lichtschranke 18 vorgesehen. In der Vorrichtung sind mindestens zwei derartige Lichtschranken für Infrarotlicht vorgesehen, die senkrecht zur Schweißrichtung angeordnet sind. Bei jeder Umdrehung der Exzenternabe 7 wird in jeder Lichtschranke ein Signal ausgelöst.

Gleichzeitig bewegt sich die Schweißelektrode entlang der Mantelfläche eines Kegels mit einem Basisdurchmes­ ser an der Drahtspitze 19 von 0,5-2mm.

Durch exakte Justierung der geschlitzten Scheibe 17 wird das von der Lichtschranke 18 ausgegebene Signal genau dann ausgelöst, wenn sich der Brenner durch den Umlauf bedingt in den Endlagen der Flanken der Schweißfuge befindet. Mit Hilfe der aufbereiteten Lichtschranken­ signale ist es möglich, die Pulse in Abhängigkeit der Position der Schweißelektrode 2 in der Schweißfuge auszulösen. Über Kippschalter kann gewählt werden, welche der von den mittels Lichtschranken erzeugten Signale einen Impuls auslösen sollen.

Fig. 2 zeigt schematisch die Arbeitsweise der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung. Die Schweißelektrode 2 wird über den Antrieb 7-10 entlang der Mantelfläche eines Kegels bewegt, was auch als Rotation bezeichnet wird. Dabei nähert sich die Drahtspitze 19 bzw. das Ende des Lichtbogens einer Fugenflanke 20 der Schweißfuge mehr als der anderen Flanke 22. Gleichzeitig ergibt sich eine Änderung der Lichtbogenlänge L, L′, wie Fig. 3 zeigt. Hierdurch ändert sich der elektrische Widerstand und es werden andere Schweißparameter (Schweißstrom, Schweißspannung) gemessen. Bei relativ hoher Drehzahl der Exzenternabe 7 mit einer Signalfrequenz von ca. 80 Hz ergibt sich eine Vielzahl Signale, die miteinander verglichen werden und deren Mittelwerte Führungssignale für die Schweißelektrode 2 bilden.

Der Zeitpunkt bzw. der Ort der Strommessung kann durch einen nicht dargestellten Vorwahlzähler festgelegt werden. Hierfür wird ein auf der Welle des Antriebsmo­ tors 10 montierter Digital-Encoder 21 mit z. B. 500 Inkrementen benutzt. Bei einer Übersetzung von 2:1 entsprechen, die 500 Inkremente des Encoders 21 1000 Inkrementen für einen Umlauf der Schweißelektrode 2. Ein Umlauf der Schweißelektrode 2 um 180° entspricht dann 500 Inkrementen des Encoders 21.

Es sei angenommen, daß bei dem Vorwahlzähler nur Einstellungen von 0 bis 99 vorgenommen werden können, so daß maximal 100 Signale verwendet werden können, so wird nur jedes fünfte Signal des Encoders genutzt, was einer möglichen Positionsauflösung der Schweißelektrode 2 von 1,8° entspricht. Ferner kann mit einem Schalter zwischen einer Integrationszeit von 2ms oder 4ms gewählt werden. Zusammen mit einem aufbereiteten Signal der Lichtschranken kann, durch Aufaddieren der Encoder- Signale der Startpunkt der Stromintegration in Schrit­ ten von 1,8° festgelegt werden.

Wird mit einer Rotationsfrequenz von 30 Hz geschweißt, so werden bei dieser Frequenz während der Integrations­ zeit von 2ms 21,62° überstrichen. Der Strom soll in einem Bereich gemessen werden, der bei der Impulsauslö­ sung beginnt. Ausgehend vom Signal einer Lichtschranke, die sich vor- oder nachlaufend in der Schweißvorschub­ richtung befindet, muß sich die Schweißelektrode um 90° weiterdrehen, bis die Messung starten kann. Dies entspricht 50 Inkrementen zu je 1,8°. Dieser Wert wird an der Steuerung vorgegeben. So beginnt die Strommes­ sung auf den Flanken 20, 22 jeweils 90° nach dem von den Lichtschranken ausgelösten Signal. Weitere Meßfenster sind durch eine Änderung des Auslösezeitpunktes belie­ big wählbar. Für eine Auswertung der Flankenströme wird der aktuelle Wert in einen von zwei elektronischen Bausteinen geschrieben und mit dem vorherigen Wert, der in einem zweiten elektronischen Baustein gespeichert ist, verglichen. Die Differenzbildung der beiden Absolutwerte ergibt einen positiven oder negativen Wert. Abhängig von diesem Ergebnis kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob sich die Schweißelektrode außermittig und wenn ja, auf welcher Flanke 20 bzw. 22 der Schweißfuge er sich befindet. Bei der nächsten Messung wird der vorherige Wert gelöscht und der neue in den freien Baustein geschrieben und erneut ein Vergleich durchgeführt. Die aus den Messungen resultie­ renden Vergleichswerte ergeben eine Art Treppenfunk­ tion. Die so ermittelte Kurve kann nach entsprechender Aufarbeitung der Signale für eine Schweißkopfführung genutzt werden. Fig. 4 zeigt eine derartige Auswertung im Schemabild.

Der obere Teil der Figur zeigt die aufeinanderfolgenden Schweißstromimpulse an der linken und rechten Flanke 20, 22 der Schweißfuge bei einer exzentrischen Schweiß­ kopfführung, wie sie die Draufsicht auf eine Schweißfu­ ge im unteren Teil von Fig. 4 zeigt. Infolge des Schweißvorschubes bewegt sich die Schweißkopfspitze auf einer Art Zykloide. Mit 23, 24 sind die jeweiligen programmierten Meßbereiche bei der stärksten Flanken­ auslenkung bezeichnet.

Claims (5)

1. Verfahren zum Führen eines Schweißkopfes mittels einer Auswertung der Prozeßparameter als Führungs­ signale für die Schweißkopfsteuerung, wobei die Geometrie der Schweißfuge durch periodische Auslen­ kung der Schweißelektrode und des Lichtbogens in der Schweißfuge abgetastet wird, wobei die Schweißelek­ trode mit hoher Umlaufgeschwindigkeit auf dem Mantel eines Zylinders oder Kegels geführt wird und wobei die Prozeßparameter in regelmäßiger Folge gemessen, ausgewertet und als Führungssignale der Schweißkopf­ steuerung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektrode (2) im Bereich ihrer maximalen Querauslenkung mit nur einem Stromimpuls beaufschlagt wird und die Prozeßparameter während dieses einen Stromimpulses gemessen, ausgewertet und als Führungssignale der Schweißkopfsteuerung zuge­ führt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung des Impuls-Schweißverfahrens die zur Auswertung der Prozeßparameter benutzten Strom­ impulse die Verfahrensimpulse des Impuls-Schweißver­ fahrens sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromimpulsfrequenz ein Vielfaches der periodischen Auslenkung der Schweißelektrode ist.

4. Vorrichtung zum Führen eines Schweißkopfes mittels einer Auswertung der Prozeßparameter als Führungs­ signale für die Schweißkopfsteuerung, wobei die Geometrie der Schweißfuge durch periodische Auslen­ kung der Elektrode und des Lichtbogens in der Schweißfuge abgetastet werden und die Schweißelek­ trode so angetrieben und gelagert ist, daß sie entlang der Mantelfläche eines Kegels oder Zylinders geführt ist, zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Impulsschalter vorgesehen sind, die die Schweiß­ elektrode (2) jeweils dann mit einem Stromimpuls beaufschlagen, wenn diese eine maximale Quer­ auslenkung erreicht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektrode (2) von einer Zu- und Ableitung (13, 14) für Kühlwasser umgeben ist.