DE60104624T2

DE60104624T2 - Vorrichtung zum Laserschweissen von Längsverstärkungselementen auf Aluminiumplatten

Info

Publication number: DE60104624T2
Application number: DE60104624T
Authority: DE
Inventors: Bruno Bisiach
Original assignee: Individual
Current assignee: Bisiach and Carru SpA
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: EP1197287A3; DE60104624D1; EP1197287A2; ITTO20000960A1; ATE272462T1; ITTO20000960A0; IT1321028B1; EP1197287B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Laserschweißen von Längsverstärkungselementen auf Aluminiumplatten.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Schweißen sogenannter „Stringer" auf Aluminiumplatten zur Anfertigung von Teilen eines Flugzeugrumpfs.
Beim Bau von Flugzeugrümpfen bedient man sich, um das Gewicht in Grenzen zu halten, sehr dünner Aluminiumplatten, die mit Längsverstärkungselementen, ebenfalls aus Aluminium, „Stringer" genannt, verstärkt werden. Nach bekannten Arbeitsverfahren werden die Stringer, die unterschiedliche Querschnittsformen haben können, zum Beispiel die Form eines T oder eines umgedrehten J, an den Aluminiumplatten durch Nieten befestigt, sofern sie eine geeignete Fußfläche haben, oder – nach neueren Verfahren – durch Laserschweißen.
Bekanntlich müssen beim Laserschweißen von Aluminiumteilen die Einzelteile in engem Kontakt miteinander gehalten werden. Tatsächlich muß der Brennpunkt des Laserstrahls im Bereich der Trennfuge zwischen den Teilen mit einer sehr engen Toleranz von etwa 0,2 mm positioniert werden. Da die Aluminiumplatten fast nie vollkommen eben sind und die Stringer wegen ihres geringen Querschnitts keine steifen Elemente sind, kann es leider vorkommen, daß in einigen Bereichen die zu schweißenden Teile einen Abstand aufweisen.
So ist es während des Schweißens notwendig, den Stringer in korrekter Position zu halten und gleichzeitig beide Teile aneinander zu drücken, um so Bereiche, in denen der Stringer von dem Blech einen Abstand aufweist, zu eliminieren.
Etliche automatische Laserschweißvorrichtungen sind schon vorgeschlagen worden, um das Problem des Verschweißens der Stringer mit den Rumpfblechen auf sichere und effiziente Art zu lösen, ein Beispiel ist in dem US Patent 5,841,098 offenbart.
US Patent 5,841,098 offenbart eine Vorrichtung zum Laserschweißen von Stringern auf Aluminiumplatten, die ein mechanisches Rollenführungssystem enthält, das den Stringer in vertikaler Lage hält, während es ihn gleichzeitig gegen das Blech drückt, sowie ein elektronisches Laserstrahlführungssystem, das Richtung und Brennpunkt des Lasers gemäß den von Schweißpunktsensoren gelieferten Informationen einjustiert.
Die in dem oben erwähnten Patent offenbarte Vorrichtung ist jedoch sehr komplex. Sie macht tatsächlich technologisch sehr fortgeschrittene Sensoren und ein sehr mächtiges Signalverarbeitungssystem erforderlich; darüber hinaus müssen beide Laserköpfe mit einem sehr präzisen System der vertikalen Verlagerung ausgestattet werden, um in der Lage zu sein, möglichen Wegabweichungen des Stringers zu folgen. Im wesentlichen folgt der den ganzen Apparat tragende Roboterarm einem von dem gewählten Programm vorbestimmten Weg und die Verfolgung der Schweißlinie ist eben die Aufgabe des von den Sensoren geführten Laserkopfverlagerungssystems.
Die vorliegende Erfindung zielt daher auf eine Lösung der Aufgabe, wie der Schweißprozeß von Stringern auf Aluminiumplatten zu vereinfachen ist, während ein hohes Niveau von Schweißzuverlässigkeit und Präzision gewährleistet wird.
Das obige und andere Ziele werden durch die Schweißvorrichtung erreicht, die in den beigefügten Ansprüchen beschrieben wird.
Erfindungsgemäß wird vorteilhaft ein Führungssystem für die Stringer vorgesehen, das neben der genauen Einhaltung der Schweißrichtung die Höhe des Laserschweißkopfs über der Schweißebene konstant hält.
So wird, wenn das Führungssystem auf dem Stringer plaziert wird, dabei ein gewisser Druck dagegen ausgeübt und die Schweißebene wird automatisch gefunden, ohne die Notwendigkeit, spezielle Sensoren zu verwenden.
Während des Schweißens überwachen vorteilhaft geeignete Fühler die Schweißqualität in Echtzeit und stoppen, sofern im Falle von ernsthaften Fehlern erforderlich, den automatischen Schweißprozeß.
Das obige und andere Ziele der Erfindung werden aus der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher werden, in denen
1 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserschweißen von Längsverstärkungselementen auf Aluminiumplatten ist;
2a zeigt ein vergrößertes Detail des Führungssystems der Längsverstärkungselemente in der in 1 dargestellten Vorrichtung;
2b zeigt ein vergrößertes Detail des Führungssystems der Längsverstärkungselemente in der in 1 dargestellten Vorrichtung in einer alternativen Ausführungsform;
3 ist eine perspektivische Ansicht des Führungssystems der Längsverstärkungselemente in der in 1 dargestellten Vorrichtung;
4 ist eine Explosionsdarstellung der in 1 dargestellten Vorrichtung.
Nach 1 umfaßt eine Vorrichtung 2, die an einen Roboterarm 4, 5 zum automatischen Laserschweißen eines Längsverstärkungselements 6, eines sogenannten Stringers, auf eine Aluminiumplatte 8 angekuppelt werden kann, ein System mit Rad und Rolle zum Positionieren und Spannen des Längsverstärkungselements 6 auf das Blech 8 sowie ein Paar Laserschweißköpfe 14a, 14b.
Die Vorrichtung 2 weist einen vertikalen Zentralkörper aus zwei Teilen auf, nämlich einen parallelepipedförmigen inneren Teil 50, der am Roboterarm 4, 5 befestigt ist und einem innen hohlen äußeren Teil 52, der als Support für das System aus Rad und Rolle sowie die Laserschweißköpfe 14a, 14b dient. Ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Feder/Stoßdämpfersystem ist zwischen den beiden Teilen 50, 52 angeordnet und erlaubt dem Roboterarm, die Vorrichtung 2 während des Schweißens gegen die Platte 8 gedrückt zu halten und damit die einwandfreie Verbindung zwischen den zu schweißenden Teilen zu gewährleisten, wie nachstehend im Detail beschrieben.
Das Rad- und Rollensystem, wie im Detail in 2a dargestellt, weist einen vertikalen Supportarm 16 auf, der an seinem oberen Ende am äußeren Teil des Zentralkörpers befestigt ist und an seinem unteren Ende eine in Kugellagern 30 montierte horizontale Drehachse 28 trägt.
Ein erstes scheibenförmiges Rad 18, ein zweites scheibenförmiges Rad 20 und ein drittes scheibenförmiges Rad 22 sind in dieser Reihenfolge auf der horizontalen Drehachse 28 montiert.
Das erste scheibenförmige Rad 18, das während des Schweißens auf der Platte 8 aufliegt oder genauer auf einem ebenen, an der Platte 8 angeformten Schweißprofil 9 zur Aufnahme des Längsverstärkungselements 6, stützt seitlich eine erste Seite des Längsverstärkungselements 6 ab.
Das zweite scheibenförmige Rad 20, ausgerüstet mit einem zentralen Kugellager 32, das seinen Leerlauf um die horizontale Achse 28 erlaubt, dient zum vertikalen Anpressen des Längsverstärkungselements oder Stringers 6 gegen die Aluminiumplatte 8. Zur Ausübung eines fehlerfreien Drucks wäh rend des Schweißens besitzt das Rad 20 an seinem äußeren Umfang einen Innenring 21 aus Elastomer, der partiell deformiert wird, wenn er mit der Oberfläche des Längsverstärkungselements 6 in Kontakt ist.
Vorzugsweise ist ein äußerer Metallring 19 am Umfang von Ring 21 vorgesehen, um den inneren Elastomerring 21 vor der beim Schweißen sich entwickelnden Hitze zu schützen. Vorzugsweise ist die Oberfläche des den inneren Elastomerring 21 berührenden zweiten scheibenförmigen Rads 20 gerändelt, um zwischen Rad 20 und dem inneren Elastomerring 21 die Haftung zu gewährleisten.
Es ist hervorzuheben, daß die Haftung zwischen Rad 20 und innerem Elastomerring 19 eine Drehung des inneren Rings 19 in bezug auf das Rad 20 zuläßt, wenn auf das äußere Metallrad 19 eine Kraft ausgeübt wird. Infolge dieses Effekts wird Langzeitverschleiß des inneren Elastomerrings 21 vermieden.
Das dritte, ebenso mit einem zentralen Kugellager 34 ausgerüstete scheibenförmige Rad 22 stützt den oberen Bereich der anderen Seite des Längsverstärkungselements 6 seitlich ab.
Darüber hinaus sind zur vollständigen Fixierung des Elements 6 Rollen mit vertikaler Achse 24, zum Beispiel vier nebeneinander angeordnete Rollen 24 vorgesehen, die das Element in seinem unteren Bereich gegen das erste scheibenförmige Rad 18 drängen. Die Rollen 24 sind in einer Stütze oder Arm 26 gelagert, dessen oberes Ende an einem motorgetriebenen Schlitten 38 befestigt ist, der horizontal in einer zur Schweißrichtung senkrechten Richtung gleiten kann. An demselben Schlitten ist auch einer der beiden Schweißköpfe, nämlich Kopf 14a befestigt.
Auf diese Weise wird das Element 6 seitlich abgestützt und gleichzeitig gegen das ebene Schweißprofil 9 an die Platte 8 gedrückt, um jedmöglichen Spalt zwischen den zwei Teilen, der Anlaß einer fehlerhaften Schweißung sein könnte, zu vermeiden.
Um dem von dem Rad- und Rollensystem ausgeübten Druck auf das Längsverstärkungselement 6 und die Platte 8 selbst entgegenzuwirken, wird die Platte 8 an seiner Bodenfläche durch ein Stützelement 10 abgestützt, das einen Elastomerblock aufweist, der längs unter dem Blechschweißprofil 9 angeordnet ist.
Der Elastomerblock 10 ist an seiner Oberfläche mit einem Metallblech 12 beschichtet, das in Abstimmung mit der Kontaktzone mit der Aluminiumplatte 8 angeordnet ist und Stützblock 10 vor der beim Schweißen entwickelten Hitze schützt.
Die Horizontalverlagerung des von einem geregelten Motor 44 angetriebenen Schlittens 38 ermöglicht sowohl die Rollen 24 als auch den Kopf 14a von dem Längsverstärkungselement 6 wegzubewegen und dabei die gesamte Vorrichtung 2 abzusenken und anzuheben ohne Störung der gebogenen oberen Partie des Längsverstärkungselements 6.
Unter Hinweis auf 2b, die sich auf eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht, ist zu erkennen, daß das erste Rad 18, das zweite 20 und das dritte Rad 22 jeweils ein erster, zweiter und dritter Bereich eines einzigen Rades 23 sind, das so geformt ist, daß der Radius des ersten Bereichs des einzigen Rades 23 größer ist als der Radius seines dritten Bereichs und der Radius seines dritten Bereichs größer ist als der Radius seines zweiten Bereichs.
Ähnlich können auch die Räder 18 und 20 oder die Räder 22 und 20 jeweils ein erster und zweiter Bereich eines einzigen, nicht in der Zeichnung dargestellten Rades sein, das so geformt ist, daß der Radius des ersten Bereichs des einzigen Rades größer ist als der Radius des zweiten Bereichs.
Weiterhin kann festgestellt werden, daß bei niedrigem Element 6, das von den Rädern 18, 20 und den Rollen 24 abgestützt wird, das Rad 22 unnötig ist.
Die scheibenförmigen Räder 18, 20 und 22, das einzelne Rad 23 und die Rollen mit vertikaler Achse 24 laufen leer und folgen während des Schweißens den vom Roboterarm 4, 5 aufgegebenen Bewegungen der Vorrichtung 2.
3 zeigt im Detail das Rad- und Rollensystem während des Schweißens eines Längsverstärkungselements 6 auf eine Aluminiumplatte 8. Die Zeichnung zeigt deutlich, daß das Element 6 von den scheibenförmigen Rädern 18, 20 und 22 sowie von den Rollen 24 „eingezwängt" ist, um die richtige Position auf dem Schweißprofil 9 beizubehalten, während es gleichzeitig vertikal gedrückt wird. Während der Vorwärtsbewegung der Vorrichtung drehen sich sowohl die Räder als auch die Rollen und rollen über die Elemente 6, auf denen sie aufliegen, ohne der Vorwärtsbewegung Widerstand entgegenzusetzen.
4 ist dagegen eine Explosionsansicht der Vorrichtung 2, in der die größeren Baugruppen im Interesse größerer Deutlichkeit getrennt worden sind. Insbesondere wird eine Anschlußvorrichtung 5 gezeigt, die zur Befestigung der Vorrichtung 2 an dem Roboterarm dient. Unter dieser Vorrichtung ist der innere Teil 50 des vertikalen Zentralkörpers angeordnet, der mit Gleitführungen versehen ist, die zum Zusammenwirken mit der Innenseite des entsprechenden äußeren Hohlteils 52 geeignet sind.
Das äußere Teil 52 hat an seiner Außenfläche auf einer Seite einen zweiachsigen Führungsschlitten, an dem eine erste horizontale Achse 38 von einem Motor 44 und eine zweite vertikale Achse 46, senkrecht zur ersten, von Hand mit einem Handgriff 48 betätigbar ist. Der erste Schweißkopf 14a ist mittels einer Platte 58 an diesem Führungsschlitten montiert.
Eine zweite, zur ersten senkrechte Seite des Außenteils 52 nimmt einen dreiachsigen Führungsschlitten mit Vertikalbewegung 70 auf, der durch Handgriff 72 betätigbar ist, sowie eine zweiachsige horizontale Bewegungseinrichtung 66, die durch Handgriffe 67, 68 von Hand betätigbar ist. Der zweite Schweißkopf 14b ist auf der horizontalen Bewegungseinrichtung 66 mittels einer Platte 64 befestigt.
Manuelle Einstellungen der Führungsschlitten werden in einer Kalibrierungsphase eingesetzt, um die Laserschweißköpfe genau zu positionieren.
Jeder Schweißkopf ist wechselseitig mit zwei halbkreisförmigen Führungen 42, 62 und 40, 60 ausgestattet, die jeweils die Änderung der Laserstrahlneigung relativ zur Horizontalebene der zu schweißenden Platte 8 erlauben, sowie der Laserstrahlneigung relativ zu einer Vertikalebene senkrecht zur Schweißrichtung und mit zwei Linearführungen 74, 78, die eine Änderung des Abstands zwischen Lasern und Schweißpunkt gestatten.
Darüber hinaus umfaßt die Vorrichtung 2 zur Kontrolle eines fehlerfreien Schweißvorgangs ein elektronisches Überwachungsgerät, z.B. eine nicht in der Zeichnung dargestellte Fernsehkamera, die die Fernüberwachung der ausgeführten Schweißung in Echtzeit erlaubt und falls notwendig den Prozeß abstoppt.

Claims

Eine mit einem Roboterarm (4) zu kuppelnde Vorrichtung (2) zum Laserschweißen eines Längsverstärkungselements (6) auf einer Aluminiumplatte (8), wobei der Vorrichtungstyp ein Rad und/oder ein Rollensystem zum Positionieren und Klemmen jenes Längsverstärkungselements (6) einschließt, sowie mindestens ein Führungssystem (14a, 14b) für einen Laserstrahl, das imstande ist, das Schweißen von Platte (8) und Längsverstärkungselement (6) durchzuführen, dadurch ge kennzeichnet, daß jenes Rad und/oder Rollensystem zum Positionieren und Klemmen jenes Längsverstärkungselements Folgendes umfaßt: – eine erstes scheibenförmiges Rad (18) mit horizontaler Achse, angeordnet zur seitlichen Abstützung einer ersten Seite jenes Längsverstärkungselements (6); – ein zweites scheibenförmiges Rad (20) mit horizontaler Achse, angeordnet zum senkrechten Anpressen jenes Längsverstärkungselements (6) an jene Aluminiumplatte (8), – ein Rollensatz (24) mit vertikalen Achsen, angeordnet Seite an Seite zum seitlichen Abstützen einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite jenes Längsverstärkungselements (6).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein drittes scheibenförmiges Rad (22) mit horizontaler Achse aufweist, das zur seitlichen Abstützung eines oberen Teils der zweiten Seite jenes Längsverstärkungselements (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jenes erste (18) und zweite (20) Rad jeweils ein erster und zweiter Bestandteil eines einzigen Rades sind, das so geformt ist, daß der Radius des ersten Bestandteils des Radblocks größer ist als der Radius des zweiten Bestandteils.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine drittes scheibenförmiges Rad (22) mit horizontaler Achse aufweist, das zur seitlichen Abstützung eines oberen Teils der zweiten Seite jenes Längsverstärkungselements (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jenes erste (18), zweite (20) und dritte (22) Rad jeweils ein erster, zweiter und dritter Bestandteil eines einzigen Rades (23) sind, das so geformt ist, daß der Radius des ersten Bestandteils jenes Radblocks (23) größer ist als der Radius des dritten Bestandteils und der Radius des dritten Bestandteils größer ist als der Radius des zweiten Bestandteils.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jenes zweite (20) und dritte (22) Rad jeweils ein erster und zweiter Bestandteil eines einzigen Rades sind, das so geformt ist, daß der Radius des zweiten Bestandteils jenes Radblocks größer ist als der Radius seines ersten Bestandteils.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jenes zweite scheibenförmige Rad (20) längs seines äußeren Umfangs und in Kontakt mit jenem Längsverstärkungselement (6) mit einem Innenring (21) aus Elastomer bestückt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jener innere Ring (21) an seinem Umfang mit einem äußeren Metallring (19) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des, jenen Innenring (21) kontaktierenden zweiten Rades (20) gerändelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jenes erste scheibenförmige Rad (18) während des Schweißens auf einem auf der Aluminiumplatte (8) ausgebildeten ebenen Schweißprofil (9) aufsitzt und daß wenigstens ein Führungssystem (14a, 14b) für einen Laserschweißstrahl mit einem Support (16) der Achse (28) jenes ersten scheibenförmigen Rades (18) verbunden ist, um möglichen, von jenem ersten scheibenförmigen Rad (18) aufgespürten Höhenunterschieden des ebenen Schweißprofils (9) zu folgen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jene Aluminiumplatte (8) während des Schweißens von einem Stützelement (10) abgestützt wird, das wenigstens eine unter jenem ebenen Schweißprofil (9) in Längsrichtung angeordnete Auflage aus Elastomer aufweist, um den von jenen Rädern und/oder Rollensystemen ausgeübten Druck aufzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jene Auflage aus Elastomer (10) an ihrer obenliegenden Oberfläche in Zusammenhang mit dem Kontaktbereich mit jener Aluminiumplatte (8) mit einem Metallband (12) beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit jenem Roboterarm (4) durch ein Stoßdämpfersystem (50, 52) verbunden ist, das durch Nachführung der Vertikallage jenes Roboterarms (4) ermöglicht, jenes erste scheibenförmige Rad (18) ständig in Kontakt mit jenem ebenen Schweißprofil (9) zu halten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jene Rollen (24) mit vertikaler Achse von einem Support (26) getragen werden, der in einer zu der Schweißrichtung senkrechten Richtung horizontal zu gleiten vermag, so daß sich die Rollen von dem Längsverstärkungselement (6) wegbewegen können und dadurch die ganze Vorrichtung (6) abgesenkt und angehoben werden kann, ohne mit einem gebogenen oberen Bereich dieses Längsverstärkungselements zu kollidieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jenes Rad/jene Räder (18, 20, 22, 23) um eine gemeinsame Achse (28) rotieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jenes Rad/jene Räder (18, 20, 22, 23) und jene Rollen (24) mit vertikaler Achse leer laufen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jenes wenigstens eine Führungssystem (14a, 14b) für einen Laserschweißstrahl einen ersten (14a) und einen zweiten (14b), seitlich der Richtung des Längsverstärkungselements (6) angeordneten Schweißkopf aufweist, der auch mit einem Support (52) des Rad- und/oder Rollensystems zum Positionieren und Spannen des Längsverstärkungselements (6) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jene ersten (14a) und zweiten (14b) Schweißköpfe mit jenem Support (52) durch eine Vielzahl von Gleitführungen verbunden sind, die es während eines Kalibriervorgangs der Vorrichtung ermöglichen, die Vorrichtung an den Typ und die Größe des zu schweißenden Längsverstärkungselements (6) anzupassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein in Echtzeit die Quali tät des ausgeführten Schweißens überwachendes elektronisches Meßgerät aufweist, das auch ein Signal für den Abbruch des Schweißvorgangs erzeugt, wenn es einen Schweißfehler entdeckt.