DE4326338C2 - Schweißroboter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schweißroboter, insbesondere zum automatischen Verschweißen von spiralförmig gebogenen Rohren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Triebswerksdüsen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Industrieroboter bekannt (DE-OS 41 01 422), die durch ein Lern­ programm gesteuert werden und dann einem fest vorprogrammierten Werkzeugweg nachfahren, wobei an ebenfalls fest vorgegebenen Weg­ positionen eine vorbestimmte Werkzeugoperation ausgelöst wird. Ferner sind selbstsuchende Schweißroboter mit einer laseroptischen Sensoran­ ordnung bekannt, durch die der Schweißkopf adaptiv dem räumlichen Fügespaltverlauf nachgeführt und am Nahtanfang oder -ende die Schweiß­ kopfsteuerung zum Zwecke von Überlapp- oder Mehrfachschweißungen selbsttätig geändert wird. Derartige Schweißroboter, die mit einer reinen Positionssteuerung und starren Wiederholung eines einmal vorgegebenen Schweißprozeßablaufs arbeiten, ohne unvermeidbare Störungen im Schweißverlauf ausgleichen zu können, ergeben jedoch beim Verschweißen von Bauteilen mit ungleichförmiger Fügespaltgeometrie, insbesondere spiralförmig gebündelten, dünnwandigen Rohren z. B. für regenerativ ge­ kühlte Triebwerksdüsen, eine starke unregelmäßige Schweißnahtbildung mit, bezogen auf die wirksame Nahtlänge, häufigen Fehlschweißungen, die ihre Ursache in einer zu geringen oder übermäßigen örtlichen Schmelzbad­ ausdehnung im Bereich der Bauteilkanten haben.

Bei den aus der Zeitschrift "Schweißen und Schneiden", 1992, Heft 11, S. 599-603 und 609-614, bekannten automatischen Schweißrobotern der eingangs genannten Art hingegen wird zusätzlich zur kinematischen Schweißkopfsteuerung aus Gründen einer verbesserten Schweißqualität auch der Schweißprozeß selbst in der Weise beeinflußt, daß nicht nur der Fügespaltverlauf, sondern auch die Fügespalt- bzw. Schweißnahtgeometrie während des Schweißvorgangs kontinuierlich abgetastet wird, um die maß­ geblichen Schweißparameterwerte, etwa die Schweißbahngeschwindigkeit oder den Schweißstrom, an die örtlichen Schweißbedingungen anzupassen und dadurch die Nahtkenndaten, wie Schweißnahtbreite, Nahtüberhöhung oder Einbrandtiefe, unabhängig von den einwirkenden Störgrößen auf vorgegebenen Sollwerten zu halten. Hierbei erfolgt die Umsetzung der Sensor-Signale in entsprechende Schweißparameter-Werte rechnergestützt mit Hilfe von Regel- oder Steuereinheiten auf der Grundlage von Regel­ algorithmen, nichtlinearen Beobachtermodellen oder mehrdimensionalen, nach Maßgabe der Sensorsignale veränderten Datenkennfeldern, was wegen der Komplexität des Schweißprozesses mit einem so großen Bau- und Rechenaufwand verbunden ist, daß die Schweißprozeßsteuerung in der Praxis unter Inkaufnahme einer verringerten Schweißqualität auf eine oder wenige Schweißparameter, etwa den Schweißstrom und/oder die Draht­ zufuhrgeschwindigkeit, beschränkt und die Vorschubgeschwindigkeit aus Gründen einer Echtzeit-Signalauswertung zumeist deutlich unter dem schweißtechnisch an sich möglichen Höchstwert gehalten werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schweißroboter der eingangs genann­ ten Art so auszubilden, daß selbst unter schwierigen Schweißbedingungen und vor allem für stark unregelmäßige Fügespaltgeometrien eine hohe Schweißqualität mit geringem Geräte- und Rechenaufwand und bei voller Ausnutzung der schweißtechnisch maximal möglichen Schweißbahnge­ schwindigkeit zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Schweißroboter gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Schweißroboter ist die Bauteilabtastung auf einige wenige, die Fügespaltgeometrie einschließlich der Fü­ gespaltbreite kennzeichnende Meßsignale beschränkt, die unter Verzicht auf komplizierte, zeitaufwendige Rechenoperationen auf dem Wege über einen rechentechnisch einfachen Datenaufruf in ent­ sprechende Schweißprozeß-Steuerbefehle umgesetzt werden, wodurch sich eine selbsttätige, feinfühlige Echtzeit-Anpassung aller maß­ geblichen Schweißparameter während des laufenden Schweißprozesses und dadurch eine hohe Schweißqualität sicherstellen läßt, ohne daß die Schweißbahngeschwindigkeit, bedingt durch eine zeitlich verzögerte Signalauswertung, auf einem für die Qualitätssicherung an sich unnötig niedrigen Wert gehalten werden muß.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß Anspruch 2 zusätzlich zur Spaltbreite auch die Kantenform des Fügespalts abgetastet und in die Schweißparameterregulierung in der Weise einbezogen, daß beim Abtasten einer Konturänderung der Bauteilkanten der automatische Schweißprozeß im Hinblick auf eine erhöhte Qualitätssicherung entweder unterbrochen oder durch Auf­ ruf eines entsprechend geänderten Schweißparameter-Datensatzes etwa mit einem anderen Elektrodenabstand und/oder einer anderen Schweißstromstärke fortgesetzt wird. Ebenfalls aus Gründen einer verbesserten Qualitätssicherung wird zweckmäßigerweise gemäß An­ spruch 3 ein Höhenversatz der Bauteilkanten durch eine entspre­ chende Umorientierung der Schweißelektrode ausgeglichen und da­ durch eine unsymmetrische Lichtbogenverteilung bezüglich der Bau­ teilkanten vermieden.

Aus Gründen einer baulich einfachen und robusten Ausbildung bei zugleich hoher Meßgenauigkeit der Sensoranordnung wird der Füge­ spalt gemäß Anspruch 4 vorzugsweise auf optischem Wege, und zwar nach Anspruch 5 zweckmäßigerweise durch einen quer zum Fügespalt gerichteten Laserlichtstreifen abgetastet, wobei zur Signalaus­ wertung ein die Querschnittsdaten des Fügespalts ermittelnder Meßwertgeber vorgesehen ist.

Die vor Beginn des automatischen Schweißprozesses experimentell an Probewerkstücken vorermittelten Schweißparameter-Datensätze enthalten gemäß Anspruch 6 jeweils Einstellbefehle nicht nur für den Schweißstrom und die Schweißbahngeschwindig­ keit, sondern vorzugsweise auch für den Elektrodenabstand und eine fügespaltabhängig aktivierte Zusatzwerkstoffzufuhr für eine Schutzgas-Lichtbogenschweißung. Dabei empfiehlt es sich gemäß Anspruch 7, durch die Sensoranordnung zusätzlich den Refle­ xionsgrad im Bereich der Fügespaltkanten abzutasten und in die Schweißparameter-Datensätze jeweils einen nach Maßgabe des er­ mittelten Reflexionsgrades aufgerufenen Schutzgas-Einstellbefehl einzubeziehen.

Zur Sichtkontrolle der Schweißnaht während des laufenden Schweiß­ prozesses ist gemäß Anspruch 8 zweckmäßigerweise eine am Schweiß­ kopf befestigte Videokamera vorgesehen.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist schließ­ lich nach Anspruch 9 im Stromversorgungskreis eine auf einen obe­ ren und einen unteren Schweißspannungs-Grenzwert ansprechende Überwachungseinrichtung angeordnet, durch die auf baulich einfa­ che Weise eine häufige Schweißfehlerquelle, die ihre Ursache in einem übermäßigen Elektrodenabbrand oder an der Elektrodenspit­ ze anhaftenden Materialspritzern und demzufolge unzulässigen Schweißspannungswerten hat, wirksam ausgeschaltet wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles 2 in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung

Fig. 1 ein Robotersystem zum automatischen Verschweißen einer Triebwerksdüse in Spiralbauweise;

Fig. 2 eine perspektivische Teildarstellung des kombi­ nierten Schweiß- und Abtastkopfes;

Fig. 3a bis 3d einige unterschiedliche Fügespaltquerschnitte mit jeweils entsprechend eingestellter Schweiß­ elektrode;

Fig. 4 eine aus experimentiell vorermittelten, stufen­ weise in Abhängigkeit von der Fügespaltbreite gestaffelten Schweißparameter-Datensätzen beste­ hende Kennlinie des Robotersystems; und

Fig. 5 einen typischen Fügespaltverlauf mit ungleich­ förmiger Fügespaltgeometrie und sich dementspre­ chend ändernder Schweißparameter-Einstellung.

Das in den Figuren gezeigte Robotersystem dient zum automatischen Verschweißen von spiralförmig gebogenen Rohren 2, die zur Her­ stellung einer regenerativ gekühlten, rotationssymmetrischen Triebwerksdüse dicht gebündelt auf einem um die Längsachse L mo­ torisch drehpositionierbaren Montagekern 4 mittels einer Draht­ bandage 6 fixiert sind und im Wege des Lichtbogenschweißens mit­ einander zu einer starren Düsenstruktur verbunden werden. Zu die­ sem Zweck wird die Drahtbandage 6 schrittweise durch eine moto­ risch angetriebene Drahtabzugstrommel 8 mit einstellbarem Halte­ moment und selbstverstellender Umlenkeinheit 10 abgewickelt und nach jedem Abwickelschritt werden sämtliche Rohre über die je­ weils freigelegte Rohrlänge an ihren einander benachbarten Kan­ ten miteinander verschweißt, derart, daß sich in Rohrlängsrich­ tung aufeinanderfolgende Schweißnahtabschnitte überlappen, bis schließlich das gesamte Rohrbündel mit sich durchgehend von den vorderen zu den hinteren Rohrenden erstreckenden Schweißnähten versehen ist.

Der die automatische Schweißsteuerung übernehmende Schweißroboter enthält einen bezüglich des Rohrbündels mehrachsig rotativ und translatorisch steuerbaren Stellantrieb 12 mit einem die Schweiß­ elektrode 14 tragenden Schweißkopf 16 und einem am Schweißkopf 16 befestigten, optischen Abtastkopf 18, der gemäß Fig. 2 aus einer einen quer zur Schweißvorschubrichtung R gerichteten Laserlicht­ streifen 20 erzeugenden Laserlichtquelle 22 und einer auf den Laserlichtstreifen 20 gerichteten LED-Kamera 24 besteht, deren Bildsignale einer insgesamt mit 26 bezeichneten Signalauswerte­ einheit zugeführt werden, die über den Stellantrieb 12 die Be­ wegungsführung des kombinierten Schweiß- und Abtastkopfes 16, 18 einschließlich des Elektrodenabstands, der Elektrodenneigung und der Schweißvorschubgeschwindigkeit sowie über eine Einstellstufe 28 den Schweißstrom und eine Zuführeinrichtung 30 zur selektiven Zugabe von Zusatzwerkstoff steuert. Durch die Auswerteeinheit 25 werden ferner die Antriebsmotoren M für den Montagekern 4 und die Abzugstrommel 8 miteinander und mit der Steuerung des Schweißkop­ fes 16 koordiniert.

Zur visuellen Schweißkontrolle ist an dem kombinierten Schweiß- und Abtastkopf 16, 18 eine auf die Oberfläche des Rohrbündels im Bereich der Elektrode 14 gerichtete Videokamera 32 befestigt, der ein Bildschirm 34 nachgeschaltet ist, auf dem sich der Schweiß­ vorgang beobachten läßt.

Im einzelnen enthält die Auswerteeinheit 26 einen Meßwertgeber 36, der aus den Ausgangssignalen des Abtastkopfes 18 eine vom Laserlichtstreifen 20 erfaßte Schweißnaht oder einen Fügespalt zwischen den Rohren 2 erkennt und voneinander unterscheidet und die entsprechenden Fügespalt-Lagekoordinaten einer ersten, den Stellantrieb 12 und die Antriebemotoren M steuernden Steuerstufe 38 eingibt.

Zusätzlich ermittelt der Meßwertgeber 36 aus den Abtastsignalen des Abtastkopfes 18 die maßgeblichen Querschnittsdaten eines de­ tektierten Fügespalts, insbesondere die Spaltbreite, die Kanten­ form und einen eventuellen Höhenversatz der den Fügespalt begren­ zenden Rohre 2, und gibt diese Meßdaten an eine mit der ersten Steuerstufe 38 verkoppelte, zweite Steuerstufe 40. Diese enthält einen Datenspeicher 42, in dem unterschiedliche, jeweils für ver­ schiedenartige Fügespaltgeometrien experimentell vorermittelte Schweißparameter-Datensätze abgelegt sind, von denen der für die jeweils ermittelte, örtliche Fügespaltgeometrie zutreffende Da­ tensatz von der Steuerstufe 40 zur Steuerung der Einstellstufe 28 und - auf dem Wege über die Steuerstufe 38 und den Stellantrieb 12 - zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit der Schweißelek­ trode 14 und gegebenenfalls zur Korrektur der Elektrodenposition, etwa des Elektrodenabstands und/oder der Elektrodenneigung bezüg­ lich des Fügespalts aufgerufen wird.

In Fig. 3 sind unterschiedliche Spaltgeometrien zusammen mit den zugehörigen Elektroden-Einstellungen dargestellt. Gemäß Fig. 3a besitzen die den Fügespalt 44 mit der Spaltbreite s seitlich begrenzenden Rohre 2 eine scharfkantige Außenkontur, und die Schweißelektrode 14 wird beim Verschweißen längs des Fügespalts 44 mit dem Elektrodenabstand d mittig und symmetrisch zum Füge­ spaltquerschnitt geführt. Gemäß Fig. 3b sind die Rohre 2 mit abgerundeten Kanten versehen und der Fügespalt 44 besitzt eine etwas vergrößerte Spaltbreite s. Die Schweißelektrode 14 wird auf einen dementsprechend geänderten Elektrodenabstand d eingestellt, bleibt beim Schweißvorgang aber weiterhin mittig und symmetrisch zum Fügespalt 44 ausgerichtet. Eine weitere, hinsichtlich der Signalauswertung wiederum andersartige Querschnittskonfiguration des Fügespalts 44 ergibt sich gemäß Fig. 3c bei einer polygona­ len Rohraußenkontur und einem dementsprechend V-förmig nach oben erweiterten Fügespalt 44. Ferner wird auch ein Höhenversatz h zwischen den fügespaltbegrenzenden Rohren 2 (Fig. 3d) in der Weise berücksichtigt, daß die Elektrode 14 quer zur Fügespalt- Längsrichtung zum tiefer gelegenen Rohr 2 gekippt wird, so daß sie senkrecht und mittig auf die Verbindungslinie zwischen den den Fügespalt 44 begrenzenden Rohrkanten 46 A, B ausgerichtet ist.

Fig. 4 zeigt eine Kennlinie der Steuerstufe 40 in Abhängigkeit von der örtlichen Fügespaltbreite s für eine bestimmte Rohrkan­ tenform und ohne Berücksichtigung eines die Schweißparameterein­ stellung beeinflussenden Höhenversatzes h. Die Kennlinie besteht, gestaffelt nach aufeinanderfolgenden Größenbereichen der Füge­ spaltbreite s, aus unterschiedlichen Schweißparameter-Datensät­ zen, die jeweils einen bestimmten Stellwert für die Schweißvor­ schubgeschwindigkeit v_s, die Elektrodendistanz d, die Zusatz­ werkstoff-Zuführung sowie die Grundstromstärke, die Impulshöhe, die Frequenz und das Puls-Pausen-Verhältnis des Lichtbogens Schweißstroms enthalten. Wie ersichtlich, nimmt die Vorschubge­ schwindigkeit v_s mit steigender Fügespaltbreite s zunächst ab, wobei sich der Schweißstrom zwischen dem Datensatz 01 und 08 schrittweise verringert und die Schweißnaht ohne Zusatzwerkstoff hergestellt wird, während bei weiterer Zunahme der Fügespaltbrei­ te s entsprechend dem Datensatz 09 mit wiederum erhöhtem Schweiß­ strom und höherer Vorschubgeschwindigkeit v_s, jedoch weiterhin ohne Schweißzusatz geschweißt und anschließend im Schweißmodus 21 und 22 Zusatzwerkstoff zugegeben und die Vorschubgeschwindigkeit v_s und der Schweißstrom schrittweise erniedrigt werden. Weitere Schweißparametersätze (nicht gezeigt) im Datenspeicher 42 bezie­ hen sich u. a. auf den Überlappmodus, bei dem das Ende der Vornaht erst im Stand und dann mit langsamer Vorschubgeschwindigkeit auf­ geschmolzen wird.

Um die Schutzgaszufuhr an mögliche Oberflächenverschmutzungen der Bauteilkanten 46 anzupassen, wird der Reflexionsgrad der kanten­ nahen Oberflächenbereiche von dem Abtastkopf 18 und dem Meßwert­ geber 36 miterfaßt und den Schweißparameter-Datensätzen ein wei­ terer Schweißparameter angefügt, der einen sich entsprechend dem ermittelten Reflexionswert ändernden Stellbefehl für die Schutz­ gaszufuhr enthält, derart, daß die Schutzgaszufuhr je nach aufge­ rufenem Reflexionsgrad-Schweißparameter um - oder der Schweiß­ prozeß bei zu starker Oberflächenverschmutzung abgeschaltet wird.

Von dem durch die Steuerstufe 40 nach Maßgabe der Ausgangssignale des Meßwertgebers 36 jeweils aufgerufenen Schweißparameter-Daten­ satz werden die kinematischen Stellbefehle, also die Vorschubge­ schwindigkeit v_s, der Elektrodenabstand d und eine eventuelle Po­ sitionskorrektur der Schweißelektrode 14 (Fig. 3d) an den Achs­ rechner 38 übergeben, wo sie bei der Verfolgung des Fügespalts 44 in entsprechende Stellsignale für die Schweißelektrode 14 umge­ setzt werden, während die Einstellbefehle für den Schweißstrom, den Schweißzusatz und die Schutzgaszufuhr von der Steuerstufe 40 unmittelbar in die Einstellstufe 28 eingegeben werden und eine entsprechende Einstellung der Zufuhreinrichtung 30 und der Schweißstromimpulse bewirken. Der Einstelleinheit 28 ist eine im Zuge der Schweißstromzuführung zum Schweißkopf 16 liegende Über­ wachungseinrichtung 48 zugeordnet, die anspricht, wenn die Schweißspannung einen für die jeweils eingestellte Stromstärke vorgegebenen, oberen oder unteren Grenzwert über- bzw. unter­ schreitet, wie dies etwa bei einem übermäßigen Elektrodenabbrand oder beim Anhaften von Materialspritzern an der Elektrodenspitze der Fall ist, woraufhin der Schweißprozeß durch die Überwachungs­ einrichtung 48 zum Zwecke eines Elektrodenwechsels unterbrochen wird.

In Fig. 5 ist ein typischer Verlauf eines Fügespalts 44 zwischen benachbarten Rohren 2 dargestellt. Durch das beschriebene Robo­ tersystem wird die Schweißelektrode 14 nicht nur selbsttätig dem Fügespalt 44 nachgeführt, sondern es werden auch alle maßgebli­ chen Schweißparameter während des Schweißprozesses fortlaufend entsprechend der ermittelten örtlichen Fügespaltgeometrie in Echtzeit automatisch nachgeregelt, wie dies durch die den einzel­ nen Fügespaltquerschnitten beigefügten Schweißparameter-Datensät­ ze angedeutet ist.

Claims (9)

1. Schweißroboter, insbesondere zum automatischen Verschweißen von spiralförmig gebogenen Rohren zur Herstellung von rotationssymme­ trischen Triebwerksdüsen, mit einer den Verlauf und die Quer­ schnittsgeometrie, insbesondere die Spaltbreite des Fügespalts zwischen den zu verschweißenden Bauteilen abtastenden Sensoran­ ordnung einschließlich einer stellsignalerzeugenden Auswerteein­ heit, sowie mit einer stellsignalgesteuerten, die Schweißparame­ ter (Schweißgeschwindigkeit und Schweißleistung) veränderlich einstellenden und den Schweißkopf mehrachsig verstellbar dem Fü­ gespaltverlauf nachführenden Stellvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (26) einen Datenspeicher (42) mit einer Viel­ zahl von jeweils für unterschiedliche Fügespalt-Querschnittsgeo­ metrien vorerstellten Schweißparameterwerten (Datensätze 01 . . . 22) und eine die jeweils die Stellvorrichtung (12, 28) steuernden Schweißparameterwerte während des Schweißprozesses nach Maßgabe der örtlichen, von der Sensoranordnung (18, 26, 36) ermittelten Fügespalt-Querschnittsgeometrie aus dem Datenspeicher (42) aus­ wählende Steuerstufe (40) enthält.

2. Schweißroboter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Fügespaltbreite (s) auch die Kantenform des Fügespalts (44) abgetastet und in die Schweißparameter-Da­ tensätze (01 . . . 22) einbezogen ist.

3. Schweißroboter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein kontinuierliches Abtasten der Höhenlage der Fügespaltkanten (46) und Positionskorrektur der Schweißkopf-Elektrodenspitze zum Ausgleich eines Kanten-Höhenversatzes (h) vorgesehen ist.

4. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (18, 26, 36) einen optischen Abtastkopf (18) und einen nachgeschalteten, aus den Abtastsignalen die Querschnittsdaten des Fügespalts (44) ermittelnden Meßwert­ geber (36) enthält.

5. Schweißroboter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (18) ein Laserlichtkopf ist.

6. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißparameter (Datensätze 01 . . . 22) jeweils Einstell­ werte für den Schweißstrom, die Schweißvorschubgeschwindig­ keit (v_s), den Elektrodenabstand (d) und eine fügespaltab­ hängig aktivierte Zusatzwerkstoffzufuhr (30) für ein Schutz­ gas-Lichtbogenverschweißen der Bauteile (2) umfassen.

7. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsgrad im Bereich der Fügespaltkanten (46) von der Sensoranordnung (18, 26, 36) abgetastet und in den Schweißparametern (Datensätze 01 . . . 22) jeweils ein nach Maßgabe des ermittelten Reflexionsgrades aufgerufener Schutzgas-Einstellparameter enthalten ist.

8. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur visuellen Schweißkontrolle eine am Schweißkopf (16) mitgeführte Videokamera (32) vorgesehen ist.

9. Schweißroboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf einen oberen und einen unteren Schweißspannungs-Grenzwert ansprechende Überwachungseinrichtung (48).