DE19703332A1 - Justiereinrichtung für Schweißbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Justiereinrichtung für Schweißbrenner mit Zuführung einer Drahtelektrode und Schutzgas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mit dem US-Patent 5,251,156 wird eine Meßapparatur beschrieben, mit der Oberflächen von Körpern berührungsfrei dreidimensional vermessen werden kön­ nen. Erreicht wird dies durch die Verbindung einer handelsüblichen Koordinaten-Meß­ maschine (CMM = coordinate-measuring-machine) mit einer optischen dreidi­ mensionalen Bilderfassung durch eine CCD-Kamera (CCD = charged coupled de­ vice) als Bildaufnehmer, welch er aus verschiedenen vorgegebenen Lagen heraus Bildstrukturen von Körpern mit einer Online-Anzeige auf einem Monitor sichtbar macht, und mit vorgegebenen Soll-Anzeigen vergleicht.

Die hier vorgeschlagene Justiereinrichtung für Schweißbrenner baut auf dem dort dargestellten optisch-elektronischen Meßverfahren auf, um eine Raumposition eines Schweißbrenners einer Schweißanlage zu dem zu verschweißenden Werk­ stück zu sichern. Diese Weiterentwicklung bzw. Spezialisierung hat den Vorteil, daß es möglich ist, nicht nur den Fertigungsprozeß beim Einsatz einer Justierein­ richtung für Großserienprodukte zu überwachen, sondern auch auf Umrüstungen von Werkstücken und Vorrichtungen durch eine Neujustierung der Raumposition der CCD-Kamera, sowie durch eine Nachführung des Schweißbrenners in seine neue Raumposition zu reagieren. Außerdem kann die Justiereinrichtung während des Arbeitsprozesses neu justiert und Prozeßstörungen erkannt werden, so daß größere Ausfallzeiten der Justiereinrichtung vermieden werden.

Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, die Raumposition des Schweiß­ brenners durch mehrere CCD-Kameras zu überwachen, um mit mehreren Online-An­ zeigen auf mindestens einem Monitor gleich die Raumposition des Schweiß­ brenners zu erkennen und gegebenenfalls nachzuführen.

Bei der vorgeschlagenen Erfindung handelt es sich um eine Justiereinrichtung für einen stillstehenden Schweißbrenner und ein Werkstück, welches sich mit der geplanten Schweißbahn an diesem Schweißbrenner vorbeibewegt. Insbesondere für rotationssymmetrische Werkstücke ist diese Anlage am besten geeignet. Nichtsdestoweniger ist die Justiereinrichtung als Permanent-Überwachungsein­ richtung für Schweißbrenner an Schweißanlagen anbringbar, bei welchen das Werkstück stillsteht, und bei welchen sich der Schweißbrenner entlang einer vor­ gegebenen Kontur dieses Werkstückes entlangbewegt. Solche Justiereinrichtun­ gen mit Roboterführungen des Schweißbrenners sind hauptsächlich für die Ver­ schweißung von großvolumigen Werkstücken interessant. Die Permanent-Über­ wachungseinrichtung ist natürlich nicht auf das Schweißverfahren festge­ legt. Vielmehr läßt sich auch eine Rollnaht- oder Punktschweißmaschine mit der Permanent-Überwachungseinrichtung versehen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Justiereinrichtung für Schweißbren­ ner mit einer Permanent-Überwachungseinrichtung auszustatten, welche es ge­ stattet, die Raumposition des Schweißbrenners zu erkennen und erforderlichen­ falls zu korrigieren.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen beschrieben.

Anhand einer Skizze ist eine Justiereinrichtung beschrieben, bei welcher die Raumposition sowohl des Schweißbrenners wie auch der CCD-Kamera in allen möglichen Freiheitsgraden, bezogen auf das zu verschweißende Werkstück, ein­ gestellt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird eine Justiereinrichtung mit einem Schweißbrenner 6 auf einem Fundament 1 beschrieben, mit welcher ein rotationssymmetrisches Werkstück 4 verschweißbar ist, auf dem eine ebenfalls rotationssymmetrische Schweißnaht 23 durch den Abbrand einer Drahtelektrode 8 erzeugt werden kann. Die Drahtelektrode 8 liegt auf einem Drahtspeicher 9 und wird motorisch dem Schweißbrenner 6 zugeführt, wobei sie aus einer Brennerspitze 7 wieder austritt und unter Schutzgas in einem elektrischen Lichtbogen erschmolzen und als Schmelze auf das Werkstück 4 aufgetragen wird. Das Schutzgas wird in einer Schutzgasleitung 10 dem Schweißbrenner 6 zugeführt und verhindert den Zutritt von Sauerstoff an dem gerade in Schmelze befindlichen Teil der Schweißnaht 23.

Das Werkstück 4 ist mit einer Vorrichtung 5 auf einer Werkstückaufnahme 2 be­ festigt und wird durch einen Motor 3 in Rotation versetzt, deren Drehgeschwin­ digkeit der jeweils möglichen Schweißgeschwindigkeit am Schweißbrenner 6 entspricht. Der Schweißbrenner 6 läßt sich gegenüber dem Fundament 1 in jeder beliebigen Stellung fixieren, wozu es notwendig ist, daß zwischen Schweißbren­ ner 6 und Fundament 1 eine Aufnahmevorrichtung 13 angeordnet ist, die bei­ spielsweise ein erstes Gelenk 15, ein zweites Gelenk 16 und eine Höhenverstel­ lung 17 aufweist, um alle geforderten Freiheitsgrade für jede denkbare Raumpo­ sition des Schweißbrenners 6 zu ermöglichen. Eine einmal als optimal erkannte Raumposition des Schweißbrenners 6 drückt sich beispielsweise in einem defi­ nierten Abstand 26 des Schweißbrenners 6 zur Schweißnaht 23 aus, wobei fer­ ner beispielsweise ein erster Winkel 24 in einer ersten Ebene und ein zweiter Winkel 25 in einer zweiten Ebene jeweils zwischen der Mittelachse der Brenner­ spitze 7 verläuft und beispielsweise gegenüber der Horizontalen des Fundamen­ tes 1 die Raumposition des Schweißbrenners 6 eindeutig definiert.

Zur Gewährleistung einer einwandfreien Schweißung ist eine Permanent-Über­ wachungseinrichtung erforderlich, die präzise Angaben über die Raumpositi­ on des Schweißbrenners 6 ermöglicht, sofern man die vorbeschriebenen Parame­ ter, nämlich den Abstand 26, den ersten Winkel 24 und den zweiten Winkel 25 als für den einwandfreien Schweißprozeß für zwingend erkannt hat.

Analog zum vorgenannten Stand der Technik wir der Einsatz einer CCD-Kamera 11 vorgeschlagen, mit welcher der Abstand 26 und der zweite Win­ kel 25 erfaßbar sind. Der zur Bestimmung der Raumposition des Schweißbren­ ners 6 noch erforderliche erste Winkel 24 kann entweder mit der eben erwähnten CCD-Kamera 11 zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder aber mit Hilfe einer zwei­ ten CCD-Kamera 27 gleichzeitig erfaßt werden. Wird beispielsweise nur die eine CCD-Kamera 11 eingesetzt, so muß diese im Raum in allen Freiheitsgraden schwenkbar sein, weshalb diese Beweglichkeit durch eine Aufnahmevorrich­ tung 14 gewährleistet sein muß, die beispielsweise über eine Höhenverstel­ lung 18, eine Gelenk 19 und eine horizontale Verschiebeeinrichtung 20 verfügt. Andere Lösungen solcher Aufnahmen sind vorstellbar. Wird aber der zeitgleichen Meßdatenerfassung der Vorzug gegeben, so kann die CCD-Kamera 11 mit dem Schweißbrenner 6 über einen Verbindungsarm 28 starr verbunden sein, wodurch sich der zweite Winkel 25 und der Abstand 26 ermitteln lassen. Die zweite CCD-Kamera kann den ersten Winkel 24 aus einem anderen Betrachtungswinkel, bei­ spielsweise aus der Schweißnahtebene heraus bestimmten.

Die in der Skizze beschriebene Justiereinrichtung weist schließlich mindestens einen mit den CCD-Kameras 11 und 27 über ein Anschlußkabel 21 verbundenen Monitor 22 auf, dessen Online-Anzeige den jeweils von den CCD-Kameras 11 und 27 aufgenommenen Zustand der Parameter im Bild sichtbar macht. Es wird vorgeschlagen, die Parameter, nämlich den Abstand 26, den ersten Winkel 24 und den zweiten Winkel 25 als Soll-Parameter im CCD-Speicher abzulegen und jeweils optisch oder auf Zahlenbasis mit den zum Meßzeitpunkt herein kommen­ den Ist-Parametern zu vergleichen. In der Praxis sind dies Bildüberlagerungen auf dem Monitor 22, die durch Nachjustieren des Schweißbrenners 6 innerhalb einer Toleranz zur Deckung bringbar sind. Haben also in der Praxis Werkstücke ver­ schiedene Durchmesser, so wird der Schweißbrenner 6 von der Maschinenbedie­ nung von Hand nachgeführt. Die Nachführung kann aber auch elektromotorisch erfolgen, wobei sich ein weiterer Vorteil, nämlich eine wesentlich reaktions­ schnellere Justierung des Schweißbrenners 6 ergibt. Bei der Herstellung von Großserienteilen wird aus Gründen der Prozeßsicherheit vorgeschlagen, mehrmals während eines Schweißvorganges eine Parameterbestimmung und daraufhin die Nachführung des Schweißbrenners durchzuführen, wobei sich als Rationalisie­ rungseffekt eine Zeitersparnis ergibt.

Alternativ zu den vorgenannten Verstellungsmöglichkeiten der Justiereinrichtung sei noch ein Höhenversteller 12 unter der Werkstückaufnahme 2 erwähnt, der ersatzweise bei einfachen Umfangsschweißnähten zum Einsatz kommen kann. Es handelt sich hier um eine vereinfachte Lösung gegenüber dem in allen Freiheits­ graden schwenkbaren Schweißbrenner 6. Für diesen Fall wäre nur eine einzige CCD-Kamera 11 erforderlich, die mit dem Schweißbrenner 6 starr über den Ver­ bindungsarm 28 verbunden ist, wodurch die Parameter, nämlich der Abstand 26 und der zweite Winkel 25 erfaßt und überwacht werden, während auf die Ver­ stellbarkeit des ersten Winkels 24 verzichtet wird, sofern ein fest eingestellter erster Winkel 24 für den einwandfreien Ablauf der Schweißung ausreicht.

Claims (9)

1. Justiereinrichtung für mindestens einen elektrischen Schweißbrenner (6) mit einer Zuführung einer Drahtelektrode (8) zum Verschweißen von Werkstüc­ ken (4) unter Schutzgas,

• - wobei sich die abzufahrende Schweißbahn des Werkstückes (4) entweder an einer Brennerspitze (7) des Schweißbrenners (6) unter Beibehaltung spezifischer Parameter vorbeibewegt, oder
• - wobei sich der Schweißbrenner (6) mit einer Brennerspitze (7) an der vor gegebenen Schweißbahn des Werkstückes (4) unter Beibehaltung spezifi­ scher Parameter vorbeibewegt,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - mit mindestens einer CCD-Kamera (11, 27) (CCD = charged coupled device) die Parameter der Raumposition des Schweißbrenners (6) zum Werk­ stück (4) aufgenommen werden,
• - wobei die Parameter der Raumposition des Schweißbrenners (6) mittels ei­ ner Online-Anzeige auf einem Monitor (22) überwacht und gegebe­ nenfalls nachjustiert werden können,
• - wobei die CCD-Kameras (11, 27) so angeordnet sind, daß die Raumposition des Schweißbrenners (6) im Verhältnis zum Werkstück 84) erfaßt wird.

2. Justiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumposition des Schweißbrenners (6) durch einen Abstand (26) und durch beispielsweise einen ersten Winkel (24) und einen zweiten Win­ kel (25) gegenüber dem Werkstück (4) bestimmbar ist.

3. Justiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Raumposition des Schweißbrenners (6) definierenden Parameter, nämlich der Abstand (26), der erste Winkel (24) und/oder der zweite Win­ kel (25) als Soll-Anzeige auf dem Monitor (22) abbildbar sind, wobei ein di­ rekter optischer und/oder rechnerischer Vergleich mit einer Ist-Anzeige an­ stellbar ist.

4. Justiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Online-Anzeige der Ist-Raumposition des Schweißbrenners (6) durch seine Verstellung auf einer ersten Aufnahmevorrichtung (13) mit der vorher definierten und abgelegten Anzeige der Soll-Raumposition des Schweißbren­ ners (6) zur Deckung bringbar ist.

5. Justiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überprüfung der lst-Raumposition des Schweißbrenners (6) durch die CCD-Kameras (11, 26) in getakteten Abständen während des Ablaufes der Schweißung erfolgt, so daß Differenzen zwischen den Online-Anzeigen der Soll- und Ist-Raumpositionen des Schweißbrenners (6) periodisch sichtbar gemacht werden können, und bei Überschreiten einer vorgegebenen Toleranz Korrekturen der Anzeige der lst-Raumposition des Schweißbrenners (6) aus­ lösen.

6. Justiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Online-Anzeige der Ist-Raumposition des Schweißbrenners (6) der Anzeige der Soll-Raumposition des Schweißbrenners (6) elektromotorisch nachführbar ist.

7. Justiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Online-Anzeige der Ist-Raumposition des Schweißbrenners (6) der Anzeige der Soll-Raumposition des Schweißbrenners (6) automatisch nach­ führbar ist.

8. Justiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere Schweißungen auf einer einzigen Schweißeinrich­ tung durchführbar sind, wobei zu jeder Schweißung jeweils mindestens ein Monitor (22) mit mindestens einer CCD-Kamera (11 oder 27) unabhän­ gig voneinander arbeitend angeordnet sind.

9. Justiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (13) eine Verstelleinrichtung mit beispielsweise einem ersten Gelenk (15), einem zweiten Gelenk (16) und einer Höhenverstel­ lung (17) aufweist, die eine Verstellung der Raumposition des Schweißbren­ ners (6) in allen Freiheitsgraden erlaubt.