ES2221320T3 - Metodo para fabricar una pieza de trabajo mediante soldadura por deposito. - Google Patents

Abstract

Un método de construir un artículo (70) mediante soldadura de deposición, que comprende, en combinación, las operaciones o pasos de: construir en una memoria de ordenador (6), o medios de almacenamiento de datos equivalente, un primer archivo de datos (60) que es una definición de un modelo de volumen tridimensional de un artículo (70); ejecutar un programa (42) de ordenador, dentro de un ordenador (6), que lee el primer archivo de datos (60) y realiza un algoritmo (42) que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo (70) definido por el primer archivo de datos (60), siendo suprimida la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo (70) dirigiendo una representación del ordenador (6) de una herramienta dentro del algoritmo (42) para eliminar una sucesión de partes de volumen incremental a partir del modelo de volumen tridimensional del artículo (70) y produce un segundo archivo de datos (62) que comprende una serie de coordenadas espaciales relativas secuenciales que describen una trayectoria de herramienta (90, 91) a través del modelo de volumen tridimensional del artículo.

Description

Método para fabricar una pieza de trabajo mediante soldadura por depósito.

La presente invención se refiere a un método para construir a un artículo mediante soldadura por deposición, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento DE-A-196 23 148). En particular, la invención se refiere al método de deposición controlada de metal, denominada de manera variada soldadura exenta de forma, deposición de metal conformada, formación rápida de prototipos mediante soldadura, u otros de tales nombres.

Un ejemplo de un método de deposición de soldadura controlada de metal a que se hace referencia anteriormente se describe en la patente de Estados Unidos 5.233.150 (equivalente al documento EP-A-0.496.181). Existen también un gran número de otras publicaciones, algunas de fecha anterior, que describen métodos similares. Por lo tanto, se supondrá, en interés de la brevedad, que el lector está familiarizado con las técnicas básicas de este procedimiento. Considerado en resumen, se produce, de acuerdo con tales métodos conocidos, un modelo de CAD
(Computer Aided Design: Diseño Ayudado por Ordenador) de 3D (en tres dimensiones) de la pieza de trabajo, que contiene detalles de su geometría. Este modelo de CAD de la pieza de trabajo es después rebanado dentro de un sistema de ordenadores en cierto número de capas planas distintas. El sistema de ordenador determina, para cada capa, un curso de carreras de soldadura necesarias para formar esa capa. Normalmente esto comprende un contorno de cada capa y un diseño o modelo de carreras de soldadura para completar la capa. Un soplete de soldadura, que está soportado por un robot de ejes múltiples guiado mediante un sistema de control de ordenador, es después programado para seguir este curso de carreras de soldadura, depositando con ello una capa de la pieza de trabajo de metal. La pieza de trabajo se constituye, por lo tanto, con una serie de capas, una sobre otra, partiendo de una primera capa, que se deposita sobre una mesa de trabajo del robot de soldadura.

Los programas de ordenador para rebanar un modelo de 3D en un cierto número de capas, para uso subsiguiente en los métodos descritos anteriormente, tienden a ser complejos y engorrosos en su aplicación práctica a la fabricación de piezas y componentes de trabajo de práctica compleja. Los métodos de controlar el equipo de soldadura de robot, asociados con métodos de la técnica anterior de soldadura por deposición, son también engorrosos y no ideales.

El documento DE 196 23 148 A describe un método de producir y reacondicionar herramientas huecas de conformación de metales. Una instalación apropiada para realizar el método tiene un sistema de CAD, un sistema de simulación de mecanización, un sistema de simulación de robot, una máquina de fresado de CNC y una instalación de robot de soldadura. La geometría de soldadura se calcula mediante un sistema de simulación de corte basado en un programa de CNC que utiliza herramientas ampliadas. El modelo de CAD de la geometría de soldadura se transfiere entonces a un sistema de simulación de robot. El modelo de CAD es dividido en secciones de alineación constante sobre la base de valores especificados por el usuario. El sistema de simulación de robot determina entonces las vías que se han de soldar utilizando los valores especificados por el usuario. En consecuencia, existe complejidad considerable en la transferencia de la geometría y se requiere una gran entrada manual.

Por lo tanto, es deseable proporcionar un método y un aparato mejorados para controlar y programar un robot utilizado para fabricar una pieza de trabajo mediante soldadura por deposición, que se dirigen a los problemas y/u ofrecen generalmente mejoras.

De acuerdo con la presente invención, según se define en la reivindicación 1, se proporciona un método de formación de un artículo.

Preferiblemente, la cabeza de soldadura está dispuesta, en uso, de manera que está esencialmente vertical durante la operación de la cabeza de soldadura para depositar un cordón de soldadura y la mesa de trabajo se inclina para proporcionar una orientación requerida con relación a la herramienta.

La construcción del modelo tridimensional se ejecuta utilizando un sistema de mecanización ayudado por ordenador. La representación de la herramienta en ordenador puede ser una representación de una fresa, la cual elimina un volumen incremental comparable según es depositado por el cabeza de soldadura.

El robot puede tener más grados de libertad de movimiento que los definidos por el algoritmo que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo, y el método puede incluir la operación adicional de

ejecutar un programa de ordenador de interfaz dentro de un ordenador que lee el segundo archivo de datos y realiza un algoritmo adicional que utiliza limitaciones o constricciones adicionales especificadas por el usuario en el movimiento del robot para alterar el segundo archivo de datos antes de ser utilizado por los medios de control de robot.

Preferiblemente, las limitaciones adicionales especificadas por el usuario concretan una posición de rotación y orientación de la herramienta alrededor de un vector de herramienta. Además, la posición de rotación y la orientación de la herramienta alrededor de un vector de herramienta pueden estar alineadas con la dirección de movimiento de la herramienta con relación al artículo, durante al menos parte de la operación del robot. Alternativamente, la posición rotacional y la orientación de la herramienta alrededor de un vector de herramienta pueden fijarse con relación al robot durante el menos parte de la operación del robot.

El algoritmo que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional puede definir hasta cinco grados de libertad de movimiento del robot.

Preferiblemente, el robot tiene más ejes de movimiento que están definidos por el algoritmo que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional, y el método incluye la operación adicional de

ejecutar un programa de ordenador de interfaz dentro de un ordenador que lee el segundo archivo de datos y realiza un algoritmo adicional que utiliza limitaciones adicionales, especificadas por el usuario, al movimiento del robot alrededor de sus ejes para alterar el segundo archivo de datos antes de ser utilizado por los medios de control de robot. El robot puede tener nueve ejes de movimiento.

Preferiblemente, el modelo de volumen tridimensional del artículo definido en el primer archivo de datos es primero dividido en cierto número de secciones y cada sección es entonces registrada en primeros archivos de datos separados que son después operados en secuencia por las operaciones adicionales del método. Además, cualesquiera formas, asimétricas con respecto a los ejes, contenidas dentro del modelo de volumen tridimensional del artículo, pueden ser identificadas dentro del algoritmo que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional y se pueden añadir instrucciones al segundo archivo de datos de tal manera que los medios de control estén dirigidos ha hacer girar la mesa de trabajo del robot para producir tales formas.

Preferiblemente, el algoritmo que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo constriñe la herramienta a estar esencialmente normal a la trayectoria definida a través del artículo.

Preferiblemente, la cabeza de soldadura deposita un cordón de soldadura metálico. Preferiblemente, se utiliza una cabeza de soldadura de arco eléctrico. Se puede utilizar una cabeza de soldadura de Gas Inerte con Metal (MIG: Metal Inert Gas). Alternativamente, se puede utilizar una cabeza de soldadura de Gas Inerte con Tungsteno (TIG: Tungsten Inert Gas). También se puede utilizar, alternativamente, una cabeza de soldadura de láser.

La presente invención se describirá ahora a modo de ejemplo con referencia a las figuras siguientes, en las cuales.

La figura 1 muestra una ilustración esquemática del aparato utilizado en una realización de la presente invención;

La figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra los diversos pasos u operaciones del método de una realización de la presente invención;

La figura 3 ilustra el sistema coordenado utilizado en una realización del método de la presente invención;

Las figuras 4a y 4b son ilustraciones esquemáticas de la orientación de un vector de herramienta utilizado dentro de una realización de la invención;

La figura 5 es una ilustración en perspectiva de la orientación y posición de un plano de soldadura utilizado en una realización de la invención;

La figura 6 es una ilustración esquemática de un ejemplo de trayectoria de deposición de soldadura de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 7 es una ilustración esquemática de las trayectorias de herramienta producidas por un sistema de CAM a partir de un modelo de CAD.

La figura 1 muestra el equipo para construir un componente metálico mediante deposición de soldadura. Un ordenador 6 envía órdenes, a través de una línea de control 32, a un controlador de robot 4 que controla y activa o acciona un robot de soldadura 2, a través de líneas de control 34, 36. El robot 2 comprende un brazo de robot 10 montado en una posición colgante desde una grúa 1, y un módulo 9 de mesa de trabajo rotativa/basculante. Sobre el extremo 19 del brazo de robot 10 hay un soplete de soldadura 16 que está conectado al equipo de soldadura apropiado 8, el cual está también controlado por el controlador de robot 4 y el ordenador 6. El soplete de soldadura 16 está dispuesto, bajo el control del controlador de robot 4 y el ordenador 6, para depositar material de soldadura sobre una mesa de trabajo 12 del módulo 9 de mesa de trabajo con el fin de construir un componente (no mostrado) de metal.

El brazo de robot 10 comprende cierto número de secciones interconectadas que son movidas unas con respecto a otras mediante actuadotes (no mostrados) operado bajo el control del controlador de robot 4. El brazo de robot 10 es capaz de moverse alrededor de seis ejes dispuestos 21, 22, 23, 24, 25, 26. El movimiento de las diversas secciones del brazo 10, alrededor de los ejes 21 a 26, se muestra mediante flechas A, B, C, D, E, F. El brazo 10, como un todo, puede moverse también verticalmente con respecto a la grúa 1, a lo largo del eje 29, como se muestra con la flecha I. El módulo 9 de mesa de trabajo está montado enfrente y dentro de la zona de operación del brazo 10. Actuadores adicionales (no mostrados) dentro de este módulo 9 proporcionan la rotación, mostrada por la flecha H, de la mesa de trabajo 12 alrededor de un eje adicional 28, y la inclinación de la mesa de trabajo 12, mostrada por la flecha G, alrededor del eje 27, estando el eje de rotación 28 montado sobre el eje de inclinación 27. El robot 2, como un todo, tiene por tanto nueve ejes de movimiento 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 y pueden posicionar y orientar el soplete de soldadura 16 con relación a la mesa de trabajo 12, y cualquier componente situado sobre ella, con un grado considerable de flexibilidad. El uso de una máquina de nueve ejes hace posible, en particular, que el componente y el soplete de soldadura se sitúen en la posición y orientación relativas correctas, mientras que mantiene también el soplete de soldadura en dirección vertical o próxima a la vertical. Es sabido en la técnica que es ventajoso, durante la soldadura de deposición, mantener vertical el soplete de soldadura 16 para mejorar la deposición del material de soldadura, y ello ayuda a asegurar que el material de soldadura fundido sea depositado sobre la mesa de trabajo 12 o el componente.

Un ejemplo de tal robot 2 de nueve ejes es producido por Reis Robotics GMBh (de Obernburg, Alemania) utilizando su brazo de robot Reis SRV16 montado en la posición colgante de una grúa con 1 m de recorrido vertical, acoplado a su módulo 9 de mesa rotativa/basculante Reis RDK26, siendo el robot completo 2 accionado por un controlador Reis de robot 4.

El soplete de soldadura 16 es de un tipo de soldadura de arco, normalmente MIG (gas inerte con metal) o TIG (gas inerte con tungsteno). El soplete 16 es alimentado con energía desde el equipo de soldadura 8, alambre de soldadura y gas protector a través de la alimentación 18. Se apreciará, sin embargo, que se pueden utilizar otros tipos de soldadura y de equipo de soldadura; por ejemplo, se podría utilizar soldadura de láser.

Con referencia a la figura 2, la primera operación del método es producir un modelo 60 de CAD (Diseño Ayudado por Ordenador) del componente, en la forma de un archivo de ordenador o datos dentro de una memoria de ordenador. El modelo de CAD 60 contiene todos los detalles geométricos (por ejemplo, tamaño, forma y posición) del componente que se va a producir. Se puede utilizar cualquier forma apropiada de geometría de CAD, incluyendo Bastidor de Alambre (Wire Frame), Superficie de Forma Libre (Free Form Surface) y Modelo Macizo (Solid Model). La geometría de CAD puede ser también ya sea de forma explícita o paramétrica. El modelo 60 de CAD es producido utilizando un sistema de CAD 40 convencional que funciona en un ordenador convencional apropiado 6. Un ejemplo de un tal sistema 40 de CAD es CADDS5 (producido por Parametric Technology Corporation, de Waltham, Massachussets, USA) que opera en un ordenador 6 Packard HP 715/100 Workstation.

En interés de la brevedad, se supone que un experto en la técnica está familiarizado con tales sistemas conocidos 40 de CAD. Se ha de hacer referencia también a los manuales de funcionamiento de tales sistemas 40 para los detalles generales de dichos sistemas 40.

El modelo 60 de CAD es después leído en un sistema 42 de CAM (Computer Aided Manufacturing: Fabricación Ayudada por Ordenador) que se utiliza para producir una trayectoria 90 de herramienta de soldadura. La trayectoria 90 de herramienta de soldadura es la trayectoria que sigue el soplete de soldadura 16 con el fin de depositar un cordón de soldadura de la forma requerida del componente representado por el modelo 60 de CAD. El sistema 42 de CAM utilizado en este método es un paquete convencional de programación de parte fuera de línea de CNC (computer numerically controlled: controlado numéricamente por ordenador) ayudado por ordenador, para aplicaciones de fresado o mecanización. Tales paquetes se utilizan generalmente para definir la trayectoria que debe adoptar una fresa u otra herramienta de mecanización similar con el fin de mecanizar un objeto y el volumen representado por una geometría introducida. Un ejemplo de tal sistema es CVNC, un paquete de fresado de 2½ a 5 ejes, producido también por Parametric Technology Corporation, de Waltham, Massachusetts, USA. Asimismo, en interés de la brevedad, se supone que una persona experta en la técnica está familiarizada con dichos sistemas conocidos 42 de CAM y se ha de hacer referencia a los manuales de funcionamiento de tales sistemas 42 para detalles adicionales generales y específicos de estos sistemas 42.

La salida 62 de tales sistemas 42 es un archivo de ordenador, o datos dentro de una memoria de ordenador, que contiene una serie de coordenadas x, y, z que definen las diversas posiciones 72 por las que debe pasar la herramienta, y valores i, j, k para cada posición 72 de coordenadas x, y, z. Los valores i, j, k definen un vector de herramienta 74, u orientación de la herramienta en cada posición 72 de coordenadas x, y, z. La relación entre estos valores y cómo los valores i, j, k definen el vector de herramienta 74 se muestran en la figura 3. Básicamente, las coordenadas x, y, z definen un primer punto 72 en el espacio que se aleja de un origine fijo O, siendo este origen O el centro de la mesa 12 de robot, siendo los ejes x, y, z de este sistema de coordenadas fijo con relación a la mesa 12 de robot y por tanto girando y basculando con ella. Las coordenadas i, j, k especifican entonces un segundo punto 76 en espacio que se aleja de este primer punto 72, usando este punto 72 como el origen de las coordenadas i, j, k, estando los ejes i, j, k de este sistema de coordenadas alineados con los respectivos ejes x, y, z. Un vector 74, el vector de herramienta, está entonces definido entre estos dos puntos 72, 76. Este vector de herramienta 74 representa la orientación de la herramienta con respecto a la mesa de trabajo 12 y por tanto a la orientación del componente. Aunque el sistema de coordenadas x, y, z e i, j, k mostrado y descrito es un sistema Cartesiano con ejes ortogonales, se apreciará que se pueden utilizar igualmente otros sistemas de coordenadas apropiados para proporcionar una posición de herramienta y un vector de herramienta.

Utilizando el sistema 42 de CAM de CVNC es activada una cuchilla o cortador nocional alrededor del modelo 60 de CAD del componente dirigiendo el sistema 42 de CAM para fresar o mecanizar la geometría y el volumen interno del Modelo 60 de CAD. Esto se puede hacer ya sea automáticamente dentro del sistema 42 de CAM o interactivamente con el operador ajustando la trayectoria automática producida por el sistema 42 de CAM. En efecto, el sistema 42 de CAM está dirigido a mecanizar el modelo 60 de CAD a partir de un volumen que encierra ese modelo 60 de CAD. Se aprecia en esta invención que una trayectoria de mecanización es simplemente el negativo de una trayectoria de depósito y que se pueden utilizar para ambas los mismos datos de posición, etc.

Para modelos 60 de CAD complejos, el cortador nocional es accionado alrededor de secciones separadas del modelo 60 en etapas. Esto es de un modo similar a como sería utilizado el sistema 42 de CAM para producir una trayectoria de herramienta de mecanización convencional para un componente complejo, con la herramienta de máquina (cortador) dirigida para realizar una primera mecanización basta y después mecanizar a continuación los detalles requeridos. Por ejemplo para producir un componente que tenga una sección principal 104 generalmente cilíndrica con un número de salientes 106 que se extienden radialmente dispuestos alrededor del exterior de la sección principal 104, el cortador nocional del sistema 42 de CAM es accionado primeramente alrededor de la sección cilíndrica principal 104. El cortador nocional es después accionado alrededor de cada uno de los salientes 106. El resultado de esto es un número de trayectorias 90, 91 de herramienta de máquina para cada
sección 104, 106 con una trayectorias de movimiento de vinculación entre ellos, como se muestra en la figura 7. Las trayectorias completas 90, 91 de herramienta, producidas de este modo para modelos 60 de CAD complejos son generalmente más sencillas, y más fáciles de producir, que producir una trayectoria sencilla 90 para la totalidad del modelo de CAD complejo. Cuando se repiten características del componente dentro del modelo complejo, por ejemplo un número de salientes idénticos alrededor de la sección cilíndrica principal 104, puede ser almacenada la trayectoria de herramienta 90, 91 para producir una sección o característica. Puede ser fijada entonces una traslación a la posición siguiente y la trayectoria para la característica similar repetida, repetida en la nueva posición trasladada, para proporcionar la información de trayectoria de herramienta requerida para la característica adicional repetida. Esto reducirá el tiempo y la complejidad de programación de la supresión de construcción utilizando una trayectoria de herramienta previamente calculada para una característica particular. Además, pueden ser almacenadas y utilizadas características que sean comunes a cierto número de componentes o artículos diferentes según se requiera para producir aquellas características en diferentes componentes. Por ejemplo, la trayectoria 90, 91 para producir un saliente puede ser almacenada y simplemente trasladada a la posición requerida para producir salientes similares en una gama de componentes diferentes.

Las trayectorias de herramienta individuales 90, 91, y la orientación del cortador nocional (y por tanto del soplete de soldadura), para cada sección 104, 106 se pueden también hacer óptimas par la forma particular de esa sección 104, 106. Por ejemplo, en el caso anterior, el cortador nocional es accionado alrededor de los salientes 106, y la trayectoria de herramienta producida 91, esencialmente perpendicular a la orientación utilizada para la sección principal 104. Puesto que un sistema 42 de mecanización de CAM se utiliza para producir trayectorias de herramienta 90, 91 para las diferentes secciones 104, 106, las trayectorias de herramienta separadas 90, 91 tenderán a intersecarse/solaparse. Esto es debido a que en operaciones de mecanización, se usa generalmente una zona previamente mecanizada como punto de partida para cualquier mecanización subsiguiente que se requiera. En el proceso de deposición de soldadura, es necesario que el cordón de soldadura sea depositado sobre una superficie sólida. Esta es o bien la mesa de trabajo 12 o una sección previamente depositada. En consecuencia, si la trayectoria 90, 91 de herramienta de soldadura para un modelo 60 de CAD complejo se produce en secciones 104, 106, estas secciones 104, 106 se intersecan/solapan. Como se puede ver, este requisito se cumple utilizando un sistema 42 de mecanización de CAM, como se ha descrito anteriormente. Esto no sucede necesariamente con algunos de los otros métodos de la técnica anterior, en los que ciertas partes del cordón de soldadura depositado tienen que ser soportadas separadamente por diversos medios de soporte, como se ha descrito, por ejemplo, en los documentos USA 5.233.150 y EP 0.529.816.

El cortador nocional dentro del sistema 42 de CAM se usa, en este método, para representar el soplete de soldadura 16. Por lo tanto, se elige un cortador que arrancaría una cantidad de material similar que la depositada por el soplete de soldadura 16. Por ejemplo, se utiliza una fresa de extremo de bola de 6 mm para representar un soplete de soldadura 16 que depositaría un cordón de soldadura de 6 mm de anchura. El cortador nocional también se fija o ajusta, dentro del sistema 42 de CAM, para que sea normal a la superficie del componente o de la mesa de trabajo 12 en contacto con la punta de la herramienta. Esto se requiere debido a que, durante la deposición de soldadura, es necesario que el soplete de soldadura 16 sea esencialmente normal al cordón de soldadura depositado.

Las partes de la trayectoria 90 en las que el sistema 42 de CAM determina que tiene lugar la mecanización son, por tanto, de acuerdo con este método, las zonas en las que se requiere deposición de soldadura. En consecuencia, las funciones del sistema 42 de CAM que se refieren a la mecanización, pueden, y son, utilizadas, corregidas e interpretadas por las siguientes etapas del sistema de control como órdenes de soldadura, cuando sea apropiado. Por ejemplo, CVNC permite utilizar una desviación o desplazamiento para el diámetro del cortador nocional y, si se requiere, su longitud. Esto significa que el cortador puede ser programado para retener la geometría mediante una magnitud introducida. Esto es útil dentro de, por ejemplo, soldadura por arco, en la que se requiere que el soplete de soldadura 16 esté a cierta distancia del componente o mesa de trabajo 12, de tal manera que se cierra el arco entre la punta del soplete 16 y la mesa de trabajo 12 o componente. Dentro del controlador de robot existen también órdenes de oscilación que hacen oscilar la herramienta entre una trayectoria de herramienta requerida 90. Esta orden puede ser también ventajosamente utilizada cuando se usa el sistema para depositar soldadura cuando se pueda utilizar tal oscilación para depositar una
sección mayor de material alrededor de la trayectoria de herramienta 90. Tal oscilación para depositar en efecto un cordón más ancho de material puede ser reconocida dentro del paquete 42 de CAM en la forma de una herramienta más ancha que elimina una cantidad mayor de material del modelo dentro de una pasada única.

Conceptualmente, el uso de un sistema 42 de mecanización de CAM para producir una trayectoria de herramienta 90 para utilizar en soldadura de deposición es muy diferente de los métodos de la técnica anterior de producir tales trayectorias de herramienta para utilizar en soldadura de deposición. En los métodos de la técnica anterior, descritos en el documento US 5.233.150, entre otros, el modelo 60 de CAD es rebanado en cierto número de capas. Esto se hace por intersección de un plano con un modelo macizo 60 de CAD del componente para crear geometría adicional para cada capa. Una estrategia de llenado separada es entonces calculada para el depósito de material de soldadura que constituye cada capa. Una tal rutina de rebanado es muy engorrosa y asimismo no es fácilmente adaptable para componentes diferentes. Para modelos 60 de CAD complejos, el método de rebanar puede producir también perfiles complejos y a veces incoherentes, y por tanto trayectorias de herramienta. Tales perfiles y trayectorias de herramienta no son deseables y pueden (como se ha descrito anteriormente) requerir estructuras de soporte temporal. Además, tales sistemas de rebanado producen generalmente sólo coordenadas de posición de herramienta x, y, z, para la trayectoria de deposición. No producen, o permiten, la fácil generación de, información variable de vector 74 de herramienta, lo que, como será explicado posteriormente, se requiere para asegurar la orientación correcta del soplete de soldadura 16 durante la soldadura. El uso de un sistema de mecanización 42 de CAM se enfrenta a estos dos problemas y a la realización de que un tal sistema de mecanización 42 de CAM pueda ser utilizado para soldadura de deposición en un aspecto importante de la invención. La comprensión de que un sistema de mecanización 42 de CAM puede ser útil en soldadura de deposición está basada, en parte, en un reconocimiento y apreciación de que la mecanización, y la eliminación de material, es la inversa, o negativa, de la deposición de material por soldadura y que el soplete de soldadura 16 puede ser representado por un cortador apropiado.

La salida procedente del sistema 42 de CAM de CVNC es un archivo 62 de los datos de trayectoria de herramienta que comprenden una serie de coordenadas x, y, z y valores i, j, k que definen el vector de herramienta 74. La salida 62 especifica la trayectoria 90 que requiere ejecutar la herramienta. Sin embargo, no describe ni especifica cómo ha de ejecutar el robot 2 la trayectoria requerida 90. La salida 62 no está tampoco en una forma que sea entendida por el paquete 46 de Programación de Robot y/o controlador de Robot 4. Adicionalmente, tales sistemas 42 de CAM se usan generalmente para proporcionar información 62 de trayectoria de herramienta para robots de fresado o mecanización. En tales robots de fresado o mecanización sólo precisa ser especificado un máximo de cinco grados libertad, puesto que el cortador gira en uno de los grados de libertad. Para un robot de soldadura, sin embargo, precisa ser especificado el sexto grado de libertad, final, de movimiento. Además, tales robots de fresado o mecanización tienen menos ejes de movimiento, generalmente menos que los nueve ejes del robot de soldadura 2 en esta realización, y normalmente sólo un máximo de cinco ejes. Por ejemplo, el paquete de CVNC está diseñado para usar con máquinas de fresado de 2½ a 5 ejes. Consecuentemente, necesitan ser especificadas limitaciones adicionales sobre cómo ha de ejecutar el robot 2 la trayectoria de herramienta requerida 90 para ayudar en la definición del sexto grado de libertad restante (en este caso rotación/movimiento de los ejes de robot A a G. También es necesario proporcionar órdenes concretas y funcionalmente requeridas para depositar material de soldadura para construir un componente.

En consecuencia, la salida de información 62 de trayectoria de herramienta desde el sistema 42 de CAM es transferida a un post-procesador 44 de soldadura. Como es sabido en la técnica, tales post-procesadores 44 convierten la salida 62 de sistemas 42 de CAM en una forma que pueda ser comprendida por un paquete de programación 46 de robot, y/o un controlador de robot 4. El post-procesador 44 actúa sobre la información 62 de trayectoria de herramienta, y varias palabras clave incluidas dentro de la información de trayectoria de herramienta, utilizando varios algoritmos y reglas para producir una salida 64. Estos algoritmos y reglas están embebidos dentro de un sistema de ordenador convencional. No es necesario describir la función de los algoritmos principales utilizados dentro del post-procesador 44. Se apreciará que se pueden añadir algoritmos adicionales dentro del post-procesador 44 para establecer parámetros de control adicionales para el control del robot 2 y la soldadura por deposición. Además, se pueden añadir palabras clave adicionales dentro de la salida de información 62 de trayectoria de herramienta. Algoritmos adicionales dentro del post-procesador 44 operan sobre estas palabras clave.

Dentro del post-procesador 44, las órdenes relacionadas con la mecanización de robot y que son comunes o genéricas para controlar la máquina-herramienta y el robot de soldadura dentro de la información 62 de trayectoria de herramienta, producidas por el sistema 42 de CAM, son interpretadas y utilizadas para controlar el robot de soldadura. Por ejemplo, las órdenes para iniciar/detener la mecanización dentro de la salida de información 62 de trayectoria de herramienta desde el paquete 42 de CAM, se convierten en órdenes para iniciar y detener el robot de soldadura 2.

Durante la soldadura de deposición, es importante y ventajoso mantener vertical el soplete de soldadura 16. Para conseguir esto, el post-procesador 44 de soldadura especifica que, durante la soldadura, el vector de soldadura 74 (que está definido por las coordenadas i, j, k) tiene que ser vertical. El procesador 44 ajusta entonces automáticamente la inclinación G de la mesa 12 alrededor del eje 27, y la rotación H de la mesa alrededor del eje 28 para conseguir este criterio y la orientación requerida del vector de herramienta 74 con relación a la mesa 12 y el componente situado sobre ella. Esto se muestra en las figuras 4a y 4b. La figura 4a muestra la orientación de la mesa 12, un componente 70 sobre ella (en este caso un componente en forma de cono) y el vector de herramienta 74 determinado por el sistema 42 de CAM. La orientación de la mesa es después ajustada dentro del post-procesador 44 de Soldadura, como e muestra en la figura 4b, de manera que se mantenga vertical el vector de herramienta 74, mientras proporciona todavía la orientación requerida con relación al componente 70 y la mesa 12.

Los algoritmos dentro del post-procesador 44 de Soldadura utilizan también un plano de soldadura teórico 80 para limitar el movimiento del soplete de soldadura 16. Esto reduce la complejidad del sistema global de control de robot y proporciona una limitación adicional al movimiento del robot de soldadura 2 mediante la eliminación de cierta libertad de movimiento del robot 2. Eliminando y restringiendo el movimiento del robot 2 para que esté dentro de una región menor definida por el plano de soldadura 80, se mejora la exactitud, debido a que es menor el movimiento, y se mejora el carácter repetible, ya que el robot opera en la misma región. El robot 2 puede ser también mejor calibrado y se pueden absorber y corregir cualesquiera errores en el movimiento, igualmente debido a que el movimiento del robot 2 durante el funcionamiento está restringido a una región definida, controlada. Además, el uso del plano de soldadura 80 asegura que la pieza de trabajo sea movida generalmente hacia el soplete de soldadura/ herramienta 16, en lugar de mover el robot 2 a posiciones en la pieza de trabajo.

Como se muestra en la figura 5, el plano de soldadura teórico 80 es perpendicular al eje 27 de la mesa de basculación y pasa a través del centro O de la mesa. Utilizando este plano 80, el post-procesador de Soldadura 44 especifica automáticamente que la mesa 12 sea hecha girar alrededor del eje 28 hasta que la posición x, y, z requerida de la trayectoria de herramienta 90 se asienta en el plano de soldadura 80, cayendo también el vector de herramienta 44 dentro del plano de soldadura 80 y siendo todavía vertical. Por lo tanto, el soplete de soldadura 16 está constreñido durante la deposición de soldadura a este plano teórico 80, moviéndose el robot 2 alrededor de sus diversos ejes 21 a 29 de manera que se produzca la trayectoria requerida 90 y la orientación relativa del soplete de soldadura 16, según es especificado por el vector de herramienta 74. Por ejemplo, para ejecutar las trayectorias de herramienta 90 esencialmente circulares, se muestra en las figuras 6 y 7 que el soplete de soldadura 16 se dirige para ser posicionado, en una posición esencialmente fija, dentro del plano de soldadura 80, mientras es hecha girar H la mesa alrededor del eje 28. De una manera similar, se pueden producir otras trayectorias simétricas con respecto a un eje, y de ese modo los componentes.

Se pueden conseguir también trayectorias no simétricas con respecto al eje, pero de circuito, haciendo girar H la mesa alrededor del eje 28 y moviendo el soplete de soldadura 16 lateralmente según sea requerido dentro del plano de soldadura 80. Este método de rotación de la mesa con respecto al soplete 16 para reproducir tales trayectorias 90 es considerablemente más simple y más fácil de conseguir que la programación del brazo 10 del robot para ejecutar un movimiento circular o circulatorio.

El soplete de soldadura 16 del robot 2 puede ser hecho girar alrededor del eje 26, lo que es, en efecto, es una rotación alrededor del vector de herramienta 74. Dicha rotación alrededor del vector de herramienta 74 no está especificada dentro de sistemas 42 de mecanización o fresado de CAM, ya que los cortadores utilizados en mecanización y fresado giran alrededor de este eje 26 durante la mecanización. Una rotación angular alrededor de este eje 26 puede, por tanto, no estar especificada en tal sistema de mecanización 42. Esto es el sexto grado de libertad no especificado generalmente para operaciones de mecanización. Con sopletes de soldadura de MIG, la posición angular del soplete 16 alrededor del eje de herramienta 30 carece de importancia, ya que el electrodo de soldadura, que es también el alambre de soldadura consumible, es central con respecto al soplete 16 (y al eje de herramienta 30). Sin embargo, con ciertos sopletes de soldadura 16, es importante la orientación angular del soplete 16 alrededor del eje 74, 30 de la herramienta/el soplete. En particular, con sopletes de soldadura de TIG hay un electrodo central y el alambre de soldadura es alimentado desde un lado del soplete 16. Con tales sopletes de soldadura 16 de TIG el depósito de soldadura se mejora si la alimentación de alambre de soldadura está alineada con la dirección de recorrido del soplete 16. Esto sucede también con ciertas técnicas de soldadura por láser, en las que el material de soldadura y el haz o haces de láser son alimentados desde lados diferentes del soplete 16. Un algoritmo dentro del post-procesador de Soldadura 44 ajusta, por tanto, automáticamente una orientación especificada de la herramienta y hace girar la herramienta alrededor del vector de herramienta 74, y el eje 26, según se requiera. Se define así el sexto grado de libertad de movimiento requerido para el robot de soldadura 2. Usando este algoritmo, la herramienta se alinea con la dirección relativa de recorrido de la herramienta 16 en ese punto. Alternativamente, puede ser establecida una orientación fija con respecto a la dirección de recorrido del punto utilizando el algoritmo, o se puede establecer una orientación absoluta del soplete con relación al robot.

La salida del archivo 66 de programación del Robot, procedente del post-procesador de Soldadura 44, es entonces incorporada al paquete 46 de Programación de Robot. Un ejemplo de un tal paquete 46 es GRASP, suministrado por BYG Systems Ltd (Nottingham, UK). El paquete de programación de Robot 46 utiliza una definición electrónica completa de la instalación del robot 2 para verificar el programa de control. La verificación se utiliza para confirmar la trayectoria de soldadura 90 y la velocidad de movimiento, aceleración y alce el robot completo 2. Además, ello asegura que el robot 2 no colisione con diversas partes de la instalación y/o el componente. El paquete 46 verifica también que no existan puntos de singularidad y "basculación" de los ejes 21-29 del robot. Cualesquiera posiciones no definidas o constreñidas de los ejes del robot 2 están también especificadas dentro del paquete 46 y las posiciones del robot alrededor de los ejes 21-29 realmente calculadas.

Dentro del paquete 46 de programación de robot se identifican cualesquiera pasos lineales 98 dentro de la trayectoria requerida 90, como se muestra en la figura 6. En la ejecución de tales pasos lineales 98 durante la deposición de soldadura, el soplete de soldadura 16 es usualmente desconectado de manera que no ocurra una acumulación del material depositado en ese punto. Se ha encontrado que esto produce una discontinuidad en el componente depositado. Esto conduce a la porosidad del componente depositado y afecta a la resistencia del componente depositado. Además, la discontinuidad es visible en el componente acabado y afecta al acabado superficial del componente, requiriendo mecanización subsiguiente para producir un componente final de la forma y acabado correctos. Para evitar estos problemas, se ha reconocido que la deposición de soldadura ha de ser idealmente continua o tan próxima a continua como sea posible. En consecuencia, son substituidos cualesquiera pasos lineales 98 identificados en la trayectoria 90 de deposición de soldadura propuesta, en el paquete 98 de programación de robot, por una trayectoria 100 que cambia en una cierta distancia sin parada alguna. Normalmente, y en particular, para trayectorias esencialmente circulares 90, como se muestra en la figura 6, la trayectoria de soldadura 90 asciende en rampa hasta el siguiente nivel 92 en un sector angular 102 del arco de la trayectoria de herramienta 90, normalmente de 40º. Se apreciará que tal ascenso en rampa no está precisamente limitado a trayectorias circulares 90, sino que se puede utilizar para cualesquiera otras trayectorias conformadas, con un ascenso en rampa gradual similar en una distancia que substituye a un paso lineal 98. De este modo, el componente que se ha de depositar, o al menos secciones esenciales de ese componente, son construidas a partir de un depósito de cordón de soldadura continuo.

La salida 66 del paquete 46 de Programación de Robot es usada entonces por un controlador de Robot 4 para producir una secuencia de instrucciones 68 para impulsar realmente los actuadotes en los ejes 21-29 del robot de manera que el robot 2 ejecute los movimientos requeridos. El controlador de Robot 4 es específico para el robot particular 2. Por ejemplo, se utiliza un controlador de Robot 4 Reis, que emite instrucciones en lenguaje de robot Reis para accionar el Robot Reis 2 anteriormente descrito.

En funcionamiento, el robot de soldadura 2 mueve el soplete de soldadura 16 con relación a la mesa 12 a través de la trayectoria determinada 90. Esta trayectoria 90, como se ha descrito anteriormente, puede comprender cierto número de secciones. La trayectoria 90 es también de cualquier forma requerida y no está limitada a ser circular, como se muestra en las figuras. Cuando se activa, el soplete de soldadura 16 deposita un cordón de material de soldadura sobre la mesa 12, sobre depósitos de soldadura previos, o sobre otro componente, siguiendo la trayectoria 90 del soplete 16. Gradualmente se acumulan los depósitos de soldadura y se produce un componente metálico macizo que corresponde a la geometría del modelo 60 de CAD.

El método anteriormente descrito tiene la ventaja adicional de que, excepto para el procesador de Soldadura 44, utiliza sistemas de ordenador convencionales 40, 42, 46, 4, 2, que están comúnmente disponibles. Se ha de apreciar, sin embargo, que estos sistemas se usan de acuerdo con este método de un modo diferente, no convencional. No obstante, la experiencia que se ha obtenido de otras aplicaciones de tales sistemas puede ser beneficiosa y el sistema de control es más económico que desarrollar un sistema de control dedicado, completamente nuevo.

Utilizando el método anterior, se pueden añadir órdenes y palabras de clave, para diversas operaciones y algoritmos utilizados dentro del sistema, a un archivo de datos inicial. Estas palabras de clave y órdenes sólo tienen un efecto sobre algunos de los algoritmos dentro del método. Las palabras de clave y órdenes son ignoradas y no modificadas por los otros algoritmos y etapas o pasos dentro del sistema para el que no son relevantes. Los diversos algoritmos operan bajo este archivo de datos inicial para producir ins-
trucciones/archivo de datos de control detallados finales para controlar realmente el robot 2 y la soldadura de deposición del componente. De este modo, el archivo de datos inicial que incorpora las palabras de clave y órdenes requeridas, así como la definición tridimensional (modelo) del componente es una descripción completa, pero simplificada, para producir el componente con los subsiguientes algoritmos y paquetes del sistema que añaden la información detallada, de control, requerida, para el robot 2.

Claims (22)

1. Un método de construir un artículo (70) mediante soldadura de deposición, que comprende, en combinación, las operaciones o pasos de:

construir en una memoria de ordenador (6), o medios de almacenamiento de datos equivalente, un primer archivo de datos (60) que es una definición de un modelo de volumen tridimensional de un artículo (70);

ejecutar un programa (42) de ordenador, dentro de un ordenador (6), que lee el primer archivo de datos (60) y realiza un algoritmo (42) que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo (70) definido por el primer archivo de datos (60), siendo suprimida la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo (70) dirigiendo una representación del ordenador (6) de una herramienta dentro del algoritmo (42) para eliminar una sucesión de partes de volumen incremental a partir del modelo de volumen tridimensional del artículo (70) y produce un segundo archivo de datos (62) que comprende una serie de coordenadas espaciales relativas secuenciales que describen una trayectoria de herramienta (90, 91) a través del modelo de volumen tridimensional del artículo (70);

hacer funcionar un robot (2) de múltiples ejes que comprende una mesa de trabajo (12), medios de
accionamiento de la mesa de trabajo, un brazo de robot (10), una cabeza de soldadura (16) dispuesta en dicho brazo de robot (10), y medios de control (4) que están dispuestos para controlar el movimiento del robot de soldadura (2) y por tanto de la cabeza de soldadura (16) con relación a la mesa de trabajo (12), utilizando los medios de control (4) dicho segundo archivo de datos (62) para posicionar la cabeza de soldadura (16) con relación a la mesa de trabajo (12) de tal manera que el movimiento relativo sigue la trayectoria de herramienta (90, 91) definida por el segundo archivo de datos (62), siendo controlado también el funcionamiento de la cabeza de soldadura (16) para depositar un cordón de soldadura al seguir al menos parte de la trayectoria de herramienta (90, 91) para construir una representación sólida del modelo de volumen tridimensional del artículo (70), caracterizado porque:

el segundo archivo de datos (62) comprende una serie de coordenadas x, y, z (72) que representan la posición relativa de la herramienta a lo largo de la trayectoria de herramienta (90, 91) y, para cada coordenada x, y, z (72), un juego correspondiente de coordenadas i, j, k, las cuales, junto con las respectivas coordenadas x, y, z (72), definen un vector de herramienta (74) que representa la orientación espacial relativa de la herramienta en una posición particular de herramienta a lo largo de la trayectoria de herramienta (90, 91), y un plano fijo (80) está definido dentro del ordenador (6) o los medios de control (4) y el robot (2) es controlado para posicionar la herramienta dentro de este plano (80), de tal manera que las coordenadas relativas x, y, z (72) y las coordenadas relativas i, j, k están dentro de este plano (80).

2. Un método según la reivindicación 1, en el que la mesa de trabajo (12) es hecha girar para llevar el artículo (70) dentro de dicho plano (80).

3. Un método según la reivindicación 1 o la 2, en el que la cabeza de soldadura (16) está dispuesta, en uso, para que sea esencialmente vertical durante el funcionamiento de la cabeza de soldadura (16) par depositar un cordón de soldadura, y la mesa de trabajo es inclinada para proporcionar una orientación relativa requerida de la herramienta.

4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el robot (2) tiene más grados de libertad de movimiento que los definidos por el algoritmo (42) que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo (70), y el método incluye la operación adicional de

ejecutar un programa (44, 46) de ordenador de interfaz dentro de un ordenador (6), que lee el segundo archivo de datos (62) y realiza un algoritmo adicional que utiliza limitaciones adicionales especificadas por el usuario sobre el movimiento del robot (2) para alterar el segundo archivo de datos (62) antes de que sea utilizado por los medios (4) de control de robot.

5. Un método según la reivindicación 4, en el que las limitaciones adicionales especificadas por el usuario especifican una posición y una orientación rotacionales de la herramienta alrededor de un vector de herramienta (74).

6. Un método según la reivindicación 4 o la 5, en el que la posición y la orientación rotacionales de la herramienta alrededor del vector de herramienta (74) están alineados con la dirección de movimiento de la herramienta con relación al artículo (70), durante al menos parte de la operación del robot (2).

7. Un método según la reivindicación 4 o la 5, en el que la posición y la orientación rotacional de la herramienta alrededor del vector de herramienta (74) están, durante al menos parte de la operación del robot (2), fijas con relación al robot (2).

8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el algoritmo (42) que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional define hasta cinco grados de libertad de movimiento del robot (2).

9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el robot (2) tiene más ejes (21-29) de movimiento que están definidos por el algoritmo (42) que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo, y el método incluye la operación adicional de

ejecutar un programa de ordenador de interfaz (44, 46) dentro de un ordenador (16) que lee el segundo archivo de datos (62) y realiza un algoritmo adicional (44, 46) que utiliza limitaciones adicionales, especificadas por el usuario, al movimiento del robot (2) alrededor de sus ejes (21-29) para alterar el segundo archivo de datos (62) antes de que sea utilizado por los medios (4) de control de robot.

10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el robot tiene nueve ejes de movimiento.

11. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el modelo de volumen tridimensional del artículo (70) definido en el primer archivo de datos (60) es primeramente dividido en cierto número de secciones (104, 106) y cada sección es después registrada en primeros archivos de datos separados (62) que son después operados en secuencia por los pasos adicionales del método.

12. Un método según la reivindicación 12, en el que el modelo de volumen tridimensional del artículo (70) tiene cierto número de secciones similares, estando identificadas estas secciones similares dentro del método como traslación y repetición adecuadas de una primera de dichas secciones similares.

13. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cualesquiera formas simétricas con respecto al eje contenidas dentro del modelo de volumen tridimensional del artículo (70) se identifican dentro del algoritmo (42) que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional y se añaden instrucciones al segundo archivo de datos (62) de tal manera que los medios de control (4) están dirigidos a hacer girar la mesa de trabajo (12) del robot (2) para producir dichas formas.

14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el algoritmo (42) que suprime la construcción del modelo de volumen tridimensional del artículo (70) limita o constriñe la herramienta para que sea esencialmente normal a la trayectoria de herramienta (90, 91) definida a través del artículo.

15. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la supresión de construcción del modelo tridimensional se ejecuta utilizando un sistema de mecanización (42) ayudado por ordenador.

16. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la representación de herramienta del ordenador (6) es una representación de una fresa que suprime un volumen incremental comparable a medida que es depositado por la cabeza de soldadura (16).

17. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la cabeza de soldadura (16) deposita un cordón de soldadura metálico.

18. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se utiliza una cabeza de soldadura (16) de arco eléctrico.

19. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se utiliza una cabeza de soldadura (16) de Gas Inerte con Metal (MIG).

20. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que se utiliza una cabeza de soldadura (16) de Gas Inerte con Tungsteno (TIG).

21. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, en el que se utiliza una cabeza de soldadura (16) de láser.

22. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cuando una primera parte de la trayectoria de herramienta está dispuesta en la parte superior de una primera parte de la trayectoria de herramienta durante la deposición, la segunda parte de la trayectoria de herramienta es modificada para ascender en rampa gradualmente hasta la posición en la parte superior de la primera parte (91) a lo largo de una longitud apropiada de la trayectoria de herramienta (100) antes de que se requiera que la segunda parte (92) de la trayectoria de herramienta esté en la parte superior de la primera parte (90).