DE602004005776T2 - Verfahren zur Steuerung des Schweissens einer dreidimensionalen Struktur mit Aufnehmung von einem zweidimensionalen Bild der Struktur und mit Echtzeit-Justirien in der dritten Dimension - Google Patents

Verfahren zur Steuerung des Schweissens einer dreidimensionalen Struktur mit Aufnehmung von einem zweidimensionalen Bild der Struktur und mit Echtzeit-Justirien in der dritten Dimension Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Schweißvorgangs in einem dreidimensionalen X-Y-Z-Koordinatensystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (siehe beispielsweise US.A-6,226,395).
  • Insbesondere beim Schiffsbau ist in der Praxis ein Schweißen von geformten Teilen mittels einem Roboter bei der Produktion nicht möglich, weil einerseits Programmierprobleme vorliegen und andererseits Probleme bei der Herstellungsgenauigkeit. In der Praxis hat die Dimensioniergenauigkeit des Teils und dessen Positionierungsgenauigkeit ein ausreichend hohes Niveau bei der Automatisierung mittels Roboter noch nicht erreicht, die beispielsweise auf der Information basiert, die von dem Auslegungs-System erhalten wird. Zur Lösung dieser Probleme wurden Fortschritte erzielt, indem die Herstellung der Bestandteile und die Positioniergenauigkeit spezifiziert wurden und durch die Entwicklung von Programmsystemen, die beispielsweise auf einer Simulation basieren. Es treten jedoch ernsthafte Probleme sowohl bei der technischen Umsetzung als auch beim Aufwand auf.
  • Die FI 20001907 zeigt ein Verfahren zum flachen Schweißen von Teilen unter Verwendung eines Schweiß-Roboters und eines Bildsystems erstellter Ansichten. Demzufolge wird die zu schweißende Konstruktion, die auf einer Stützfläche angeordnet wird, zunächst fotografiert, wobei dann auf der Grundlage der erzeugten Bilder die zu verschweißenden Punkte und die damit in Verbindung stehenden Schweißparameter identifiziert und bestimmt werden, wobei diese Parameter der Schweißmaschine zugeführt werden, um so den Schweißprozess zu steuern. Es können ebenso vorzugsweise programmierbare Makro-Programme beim Schweißen verwendet werden. Dieses Verfahren ist an sich vorteilhaft, doch ist es nicht auf das Schweißen von dreidimensional gekrümmten Teilen anwendbar.
  • Die US 5,999,642 zeigt ein Verfahren und eine Anordnung zum Fotografieren einer dreidimensionalen Struktur für das Schweißen. In dem Verfahren wird die Konstruktion fotografiert, indem diese mit einer ausreichenden Anzahl von Kameras und/oder aus verschiedenen Winkeln gescannt wird, um so die zu schweißende Konstruktion vollständig zu definieren, wobei nach folgend diese konstruktionstechnische Information an ein Schweißprogramm gegeben wird, mit dem ein Schweiß-Roboter gesteuert wird. Folglich wird die vollständige visuelle Information der gesamten dreidimensionalen Struktur erzeugt und mittels dieser Information die Arbeitsweise des Schweiß-Roboters in der realen Welt gesteuert. Das Verfahren betrifft daher an erster Stelle ein mathematisches Modell der zu schweißenden Konstruktion, wie es für einen Computerspeicher erzeugt wird. Dies ist arbeitsaufwändig und überdies ist die Bildverarbeitung kompliziert, womit das Verfahren im Ganzen zeitaufwändig ist und Ungenauigkeiten durch die Anwendung dieses Verfahrens nicht vermieden werden können, die sich auf den praktischen Schweißprozess beziehen.
  • Die US-B-6,226,395 zeigt ein Verfahren, bei dem ein Arbeitsstück gescannt wird, um ein dreidimensionales mathematisches Modell des Arbeitsstückes zu schaffen. Die Steuerung unterteilt das Modell in Ebenen, identifiziert sich scheidende Ebenen und wählt die Schnittlinie derjenigen zwei Ebenen als Schweißlinie. Das Arbeitsstück wird dann entlang der Schweißlinie verschweißt.
  • Das Dokument "Patents Abstracts of Japan vol. 1997, No. 10" zeigt ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Brenners, der in einer automatischen Wärme-Biegevorrichtung zum Biegen einer Schiffskörper-Platte in eine gewünschte Konfiguration verwendet wird. Tastnadeln, die von einem verfahrbaren Schlitten getragen werden, detektieren eine Veränderung in der Neigung der Platte relativ zur Horizontalebene, wenn sich der Brenner über die Platte gemäß eines gewünschten Wärmemusters bewegt. Die Bewegung der Tastnadeln wird mittels Potentiometern detektiert und die Ausgangssignale der Potentiometer werden an eine Betriebseinrichtung gegeben, die Motoren zum Einstellen der vertikalen Höhe und Orientierung des Brenners steuert. In der Folge hiervon erfordert dieses Verfahren einen Kontakt der Tastnadeln mit der Schweiß-Struktur.
  • Gemäß der EP-A-0520894 wird ein Laser-Abtastverfahren zum Messen der Schweißparameter verwendet, wobei sich dieses ausschließlich auf eine zweidimensionale X-Y-Schweißebene bezieht. Somit ist die Z-Achsposition einer Struktur nicht gemessen, die auf einer dreidimensionalen Trägerbasis angeordnet ist, um eine Steuerung der Schweißausrüstung in der Richtung der Z-Achse zu steuern.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Verfahren vorzuschlagen, das einfach und so geeignet wie möglich das Schweißen einer dreidimensionalen Struktur vorsieht, unter Verwendung eines Schweiß-Roboters oder dergleichen, wobei die Nachteile bekannter Verfahren eliminiert sind.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Steuern eines Schweißvorgangs gemäß Anspruch 1. Bevorzugte oder optionale Merkmale der Erfindung sind in den anderen Ansprüchen definiert. Gemäß der Erfindung wird das Schweißen ausgeführt, derart, dass die Steuerung der Schweißausrüstung in X-Y-Ebene auf einer Bild-Karte basiert, und wobei die Grundlage bestimmter Steuerdaten und das Level der zu schweißenden Fläche in der Richtung der Z-Achse, d.h. die Vertikalachse, des Koordinatensystems kontinuierlich gemessen wird und diese damit bestimmte Niveau-Information an das Steuersystem der Schweißausrüstung gegeben wird, um so die Schweißausrüstung in Echtzeit auch in der Richtung der Z-Achse zu steuern. Gemäß der Erfindung ist es ausreichend, eine zweidimensionale visuelle Information der geformten Stücke zu erhalten, um eine Grundlage für die Steuerung der Schweißausrüstung vorzusehen, beispielsweise eines Schweiß-Roboters oder Manipulators, die durch eine Echtzeit-Vertikalmessung und Justierung vervollständigt wird. Demzufolge können die gekrümmten Flächen der zu verschweißenden Konstruktion für den Schweiß-Roboter in eine Ebene projiziert werden, wobei ein kompliziertes Fotografieren der dreidimensionalen Struktur vorab nicht erforderlich ist.
  • Zum Messen des Levels wird ein Laserpunktierverfahren verwendet, welcher Laser auf die zu schweißende Fläche gerichtet ist, wobei das Laserpunktieren in Echtzeit mittels einer Kamera überwacht wird, die eine Information ausgibt, auf deren Grundlage der gegenwärtige Level der zu schweißenden Fläche bestimmt wird. Vorzugsweise werden drei Laser-Zeiger für die Laserpunktierung verwendet, welche Zeiger so ausgerichtet sind, dass sich diese schneiden und deren Strahlen drei Punkte vorsehen. Diese Messpunkte werden durch die Kamera fotografiert, wobei auf der Grundlage der erhaltenen visuellen Information das gegenwärtige Level der zu schweißenden Fläche durch Berechnung bestimmt wird, auf der Grundlage der Änderung des gegenseitigen Abstands zwischen diesen Messpunkten. Die Steuerdaten für die Z-Achse werden vorzugsweise über eine lange Distanz berechnet, um eine falsche Information zu vermeiden, die durch die sich schneidenden Strukturen erzeugt werden, die möglicherweise in dem zu schweißenden Objekt existieren.
  • Zum Messen des Levels der zu schweißenden Fläche wird die Kamera vorzugsweise auf denselben Schlitten wie der Roboter und die Schweißausrüstung befestigt. Die Steuerung selbst in der Richtung der Z-Achse kann unabhängig ausgeführt werden, wobei diese parallel zur Steuerung des Schweiß-Roboters arbeitet, oder sie kann in der Steuerung des Roboters integriert sein.
  • Diese Level-Information wird an das Steuersystem der Schweißausrüstung gegeben, die dazu bestimmt ist, den Abstand der Schweißausrüstung zu der zu schweißenden Fläche konstant zu halten. Zusätzlich kann die Steuerung der Schweißausrüstung unterstützt werden durch eine Schweißnaht-Überwachung, beispielsweise durch den Schweißbogen, oder durch eine optische Schweißfugen-Überwachung, um kleinere Fehler beim Positionieren der Schweißausrüstung zu korrigieren.
  • Zum Ausgleichen von Lichtbedingungen werden vorzugsweise Beleuchtungskörper verwendet, die mit einem Dimmer versehen sind. Die Wirkung der Veränderungen in den Lichtbedingungen zur Festlegung der Bildkarte kann somit so wirksam wie möglich eliminiert werden.
  • Das Verfahren ist insbesondere auf ein automatisiertes Schweißen von Formstücken bei Wasserfahrzeugen anwendbar.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen in exemplarischer Weise beschrieben, in denen
  • 1 das Prinzip der automatisierten Schweißanordnung aufzeigt, die das Verfahren gemäß der Erfindung anwendet; und
  • 2 das Vermessungssystem basierend auf Laser-Zeigern veranschaulicht, die in dem Verfahren gemäß der Erfindung Anwendung finden.
  • In den Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine zu schweißende Konstruktion, die in diesem Fall ein Formstück ist, das beim Schiffsbau verwendet wird und eine Mehrzahl von sowohl längsgerichteten als auch quergerichteten Trägerstrukturen aufweist, wobei ein wesentlicher Teil davon mittels eines steuerbaren Roboters geschweißt werden kann. Das Formstück 1 wird auf einer Trägerbasis 2 platziert, die in dem Arbeitsbereich eines Roboter-Portals 3 angeordnet ist. Ein Schweiß-Roboter 4 ist auf dem Roboter-Portal 3 angeordnet, wobei das System zusätz lich eine Kameravorrichtung 5 aufweist. Das Roboter-Portal 3 ist in der Praxis auf einem Schienenweg angeordnet und ist damit bezüglich des Arbeitsbereichs bewegbar. Bei Bedarf können mehrere Roboter-Portale auf demselben Schienenweg vorliegen, wobei jedes Portal mit einem oder zwei Schweiß-Robotern 4 versehen sein kann. Die Schweiß-Roboter 4 müssen in dem Arbeitsbereich in allen der X-, Y- und Z-Richtungen bewegbar sein.
  • Die Kameravorrichtung 5 kann eine oder mehrere Kameras, beispielsweise Digitalkameras umfassen, wobei diese auf verschiedene Art und Weise angeordnet sein können, beispielsweise auf dem Portal selbst, in Verbindung mit der Schweiß-Ausrüstung oder separat hiervon, oder in den Aufbauten, die das Portal umgeben. Abhängig von den Lichtbedingungen kann das System auf eine Anzahl von Beleuchtungskörpern, beispielsweise Halogenlampen (nicht gezeigt) aufweisen, die vorzugsweise mit Dimmern versehen sind, so dass die vorherrschenden Lichtbedingungen so konstant wie möglich gehalten werden können, um ein erfolgreiches Fotografie-Ergebnis zu gewährleisten.
  • Aufgrund der gekrümmten und doppelt gekrümmten Oberflächenformen erfordert das erfindungsgemäße Verfahren auch ein anwendbares System zum vertikalen Verfahren, das in 2 dargestellt ist. Dieses Rangieren basiert vorzugsweise auf drei Laser-Zeigern 6, die so ausgerichtet sind, dass sich diese schneiden und deren Strahlen eine Dreiecksform aus drei Punkten 7 auf der Fläche des Formstücks 1 bilden. Da sich das Level und die Lage der Fläche mit den Platten-Feldkurven ändert, verändert sich auch der gegenseitige Abstand zwischen den Punkten der Laserstrahlen. Die Messpunkte 7 werden kontinuierlich durch die Kameravorrichtung 5 fotografiert, die vorzugsweise auf demselben Träger wie der Schweiß-Roboter angeordnet ist. Die zum Rangieren verwendete Kamera kann bei Bedarf von der Kameravorrichtung separiert sein, die zum allgemeinen Fotografieren der Konstruktion 1 dient. Auf der Grundlage der Änderung des gegenseitigen Abstands zwischen den Messpunkten wird das gegenwärtige Level der zu schweißenden Oberfläche mittels Berechnung bestimmt. Das Rangiersystem ist zum Steuern des Schweiß-Roboters in der Vertikalrichtung, d.h. in der Richtung der Z-Achse in Verwendung. Aufgrund der Level-Steuerung in Echtzeit können die gekrümmten Flächen – aus der Sicht des Roboters – modifiziert werden, dass diese planar erscheinen, wobei die zweidimensionalen Steuerdaten und ein automatisiertes Schweißsystem, das für planare Stücke entwickelt ist, vorzugsweise auf dreidimensionale Stücke angewendet werden kann.
  • Die Steuerdaten für die Z-Achse werden vorzugsweise über eine längere Distanz berechnet, um unkorrekte Information zu vermeiden, die durch die sich schneidende Strukturen erzeugt werden. Die Steuerung entlang der Z-Achse kann unabhängig sein, so dass diese parallel zur Steuerung des Schweiß-Roboters arbeitet, oder sie kann in der Steuerung des Schweiß-Roboters integriert sein, so dass diese unter der Steuerung des Schweiß-Roboters arbeitet.
  • Das Betriebsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Grunde das Folgende: Ein Formstück, bei dem Profilabschnitte an ein gekrümmtes Flachpaneel durch Punktschweißen befestigt werden, wird auf einer Trägerbasis in dem Arbeitsbereich des Schweiß-Roboters angeordnet. Der Arbeitsbereich wird durch eine Kameravorrichtung fotografiert, wobei eine geeignete Beleuchtung bei Bedarf verwendet werden kann, um die Identifizierung zu erleichtern. Die durch den Schweiß-Roboter ausgeführte Schweißung basiert auf vorprogrammierten Makro-Programmen, deren Eingangsdaten aus formalen Daten bestehen, die durch die Kameravorrichtung vorgegeben sind. Im einfachsten Fall wird ein sog. Skelett-Bild des Formstücks in der X-Y-Ebene geschaffen, wo spezielle Schweißpunkte identifiziert und geeignete Schweißtypen mit Schweißparametern hierfür ausgewählt werden. Eine Bedienperson führt das Programmieren des Schweiß-Roboters aus. Der Schweiß-Roboter kann mit dem Schweißen beginnen, sowie die erste Schweißnaht bestimmt worden ist. Die Steuerung des Schweißvorgangs in der Richtung der Z-Achse wird durch eine Echtzeit-Levelüberwachung ausgeführt, wie sie oben beschrieben ist, wobei das Level-Steuersystem die Distanz des Schweiß-Roboters von der zu schweißenden Fläche konstant hält.
  • Beim Schweißen kann auch eine Spurführung zum Korrigieren kleinerer Fehler beim Positionieren des Schweißkopfes des Roboters verwendet werden. Die Spurführung kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass der Schweißstrom gemäß der Länge des freien Drahtes variiert, wenn ein Schweißen mit konstanter Spannung (MIG/MAG) betroffen ist. Bei einer Spurführung durch den Bogen, wenn die Spur unter Verwendung eines Oszillations-Mechanismus geschweißt wird, ist der Schweißstrom für beide Flächen an demselben Punkt gleich stark, wenn die Spur symmetrisch ist. Wenn die Distanz des Schweißkopfes von dem Fugenrand der Spur variiert, ist der Schweißstrom nicht gleichmäßig stark, wobei diese Werte gemessen werden, und der Weg bei der Spurführung verändert wird, um die möglicherweise abweichenden Stromwerte anzugleichen.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache, dass die im Kamerabild bei der Programmierphase fehlende Z-Koordinate nicht durch Berechnung bestimmt oder vorgegeben sein muss.
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Anwendung begrenzt, jedoch sind mehrere Modifikationen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche zweckdienlich.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Steuern eines Schweißvorgangs in einem dreidimensionalen X-Y-Z-Koordinatensystem, in welchem Verfahren eine geschweißte Struktur aus einer Mehrzahl von Teilen geschaffen wird, die auf einer dreidimensionalen Trägerbasis (2) in einer Zusammensetzung gemäß der zu schweißenden Konstruktion (1) angeordnet werden, wobei die zu schweißende Konstruktion (1) fotografiert wird und eine Bildkarte von der zu fertigenden Konstruktion (1) angefertigt wird, mittels welcher Bildkarte die Schweißpunkte der Konstruktion identifiziert und Schweißparameter hierfür bestimmt werden, insbesondere der Startpunkt und der Schweißtyp, wie auch das anzuwendende Schweißverfahren, und wobei diese Steuerdaten an ein Steuersystem der Schweißausrüstung gegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang ausgeführt wird, derart, dass die Steuerung der Schweißausrüstung in der X-Y-Ebene auf der Grundlage der Bildkarte und den Steuerdaten erfolgt, und dass das Level der zu schweißenden Fläche in der Richtung der Z-Achse, d.h. der Vertikalachse in dem Koordinatensystem mit Hilfe eines Laser-Zeigers (6) kontinuierlich gemessen wird, der zum Messen des Levels auf die zu schweißende Fläche gerichtet ist, wobei der Laserzeiger (6) in Echtzeit mittels einer Kameravorrichtung (5) überwacht wird, die eine Information bereitstellt, auf deren Grundlage das gegenwärtige Level der zu schweißenden Fläche bestimmt wird, und wobei die somit bestimmte Level-Information an das Steuersystem der Schweiß-Ausrüstung gegeben wird, um so die Schweißausrüstung in Echtzeit auch in der Richtung der Z-Achse zu steuern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Laserzeiger (6) als Laserzeiger verwendet werden, welche Zeiger (6) derart ausgerichtet sind, dass sie sich schneiden und ihre Strahlen drei Punkte (7) vorsehen, und dass diese Messpunkte von der Kameravorrichtung (5) fotografiert werden, und auf der Grundlage der erhaltenen visuellen Information der gegenwärtige Level der zu schweißenden Fläche durch Berechnung auf der Grundlage der Änderung des gegenseitigen Abstands zwischen diesen Messpunkten (7) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameravorrichtung (5) zum Messen des Levels der zu schweißenden Fläche auf demselben Schlitten wie ein Schweiß-Roboter (4) befestigt ist, der in der Schweißausrüstung enthalten ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Level-Information an das Steuersystem der Schweißausrüstung gegeben wird, welches System dazu bestimmt ist, die Distanz der Schweißausrüstung von der zu schweißenden Fläche konstant zu halten.
  5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Schweißausrüstung unterstützt wird durch eine Schweißnaht-Überwachung, durch beispielsweise den Schweißbogen oder durch ein optisches Schweißnaht-Überwachungssystem, um geringfügige Fehler bei der Positionierung der Schweißausrüstung zu korrigieren.
  6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Beleuchtungseinrichtungen, die mit einem Dimmer versehen sind, zum Ausgleichen der Lichtbedingungen verwendet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf ein automatisiertes Schweißen mittels Roboter von Formstücken für Wasserfahrzeuge angewendet wird.
DE602004005776T 2003-06-12 2004-06-10 Verfahren zur Steuerung des Schweissens einer dreidimensionalen Struktur mit Aufnehmung von einem zweidimensionalen Bild der Struktur und mit Echtzeit-Justirien in der dritten Dimension Expired - Lifetime DE602004005776T2 (de)

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