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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und einer Vorrichtung zum Verbinden
von mindestens zwei Werkstücken.
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Im
Rohbau von Fahrzeugkarosserien wurde zum Fügen von Werkstücken aus
Metallblech herkömmlicherweise
zumeist das Widerstands-Punktschweißen verwendet. In neuerer Zeit
wird verstärkt das
robotergestützte
Laserschweißen
eingesetzt, bei dem ein Laserschweißkopf mit Hilfe eines Roboters gegenüber den
zu verschweißenden
Werkstücken bewegt
und ausgerichtet wird. Das Laserschweißen hat gegenüber herkömmlich verwendeten
Schweißverfahren
den Vorteil einer höheren
Flexibilität,
da durch gezieltes Aktivieren des Lasers sowohl punkt- als auch
linienförmige
Verbindungsbereiche erzeugt werden können; weiterhin können mit
Hilfe des Laserschweißens
sehr hohe Fügegeschwindigkeiten erreicht
werden, wenn der Laserschweißkopf
mit einer Scanmimik versehen ist, die den Laserstrahl – unabhängig von
der vergleichsweisen trägen
Bewegung des Roboters – in
einem bestimmten Arbeitsbereich frei positioniert.
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Allerdings
stellt das Laserschweißen
hohe Anforderungen an die Spanntechnik, da die zu verbindenden Metallbleche
hochgenau zueinander positioniert und beabstandet sein müssen, um
ein qualitativ hochwertiges Fügeergebnis
sicherzustellen. Die eingesetzten stationären Spannvorrichtung umfassen
daher oftmals eine Vielzahl von Spannelementen, was die Zugänglichkeit des
Verbindungsbereichs für
den Laserschweißkopf
erheblich einschränkt
und erschwert. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, kann – wie beispielsweise
in der (unveröffentlichten 10
2004 002 590.8) vorgeschlagen wird – ein „mitlaufendes" Spannsystem eingesetzt
werden: Dieses umfasst ein Spannwerkzeug, das gemeinsam mit dem
Laserschweißkopf
am Roboterarm des Schweißroboters
befestigt ist und gegenüber
diesem Roboterarm bewegt werden kann. Dadurch sind Relativbewegungen
des Spannwerkzeugs gegenüber dem
Laserstrahl und gegenüber
dem Roboterarm möglich,
wobei diese Relativbewegungen gleichzeitig mit dem Laserschweißen erfolgen
können.
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Allerdings
ist der Bewegungsraum des Spannwerkzeugs gegenüber dem Laserschweißkopf sehr
begrenzt, so dass – insbesondere
bei komplizierten Schweißaufgaben
mit hohen Anforderungen an die Spanntechnik – nach wie vor räumliche
Beeinträchtigungen
des Verbindungsbereichs durch das Spannwerkzeug und/oder zeitliche
Verzögerungen aufgrund
langsameren Positionierung des Spannwerkzeugs auftreten können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
das – auch
und gerade im Falle komplexer Fügeprobleme – eine höhere Variabilität und bessere
Zugänglichkeit
der Verbindungsbereiche gestattet und das ein schnelles, prozesssicheres
Verbinden zweier Werkstücke,
insbesondere durch Laserschweißen,
ermöglicht.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1, 10 und 12 gelöst.
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Danach
wird ein Fügewerkzeug
(z.B. ein Schweißkopf
einer Laserschweißvorrichtung)
mit Hilfe eines ersten Roboters be wegt, während die zu verbindenden Werkstücke mit
Hilfe eines zweiten Roboters gegenüber diesem Fügewerkzeug
bewegt und/oder gespannt werden. Die Bewegungsabläufe der
beiden Roboter sind dabei in einer solchen Weise gekoppelt, dass
einer der beiden Roboter als der „Master" fungiert, während der andere Roboter als „Slave" an die Bewegungssteuerung
des „Masters" angebunden ist.
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Indem
das Positionieren bzw. Spannen der Werkstücke einerseits und das Positionieren
des Fügewerkzeugs
andererseits mit Hilfe getrennter Roboter durchgeführt wird,
können
die Relativbewegungen der zugehörigen
Spann- bzw. Fügewerkzeuge dem
Anwendungsfall entsprechend optimiert werden. Die Kopplung der beiden
Roboter stellt dabei sicher, dass die Bewegungen der Werkzeuge koordiniert
ablaufen. Dadurch können
Transport- bzw. Spannzeiten, während
derer die Werkstücke
mit Hilfe des robotergeführten
Spannwerkzeugs innerhalb der Fügestation
bewegt bzw. in Zusammenbaulage gespannt werden, für die Durchführung von
Fügeoperationen
genutzt werden; dies führt
zu einer erheblichen Reduktion der nichtproduktiven Transport- bzw. Spannzeiten.
Weiterhin können
die Bewegungen der gekoppelten Roboter unter Berücksichtigung des jeweiligen
Anwendungsfalls in einer solchen Weise aufeinander abgestimmt werden,
dass eine bestmögliche
Zugänglichkeit
der Verbindungsbereiche für
das Fügewerkzeug
erreicht wird und auch Werkstücke komplizierter
Geometrie prozesssicher miteinander verbunden werden können.
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Aufgrund
der „Master"-„Slave"-Kopplung der beiden Roboter kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung
im Fabrikumfeld als Teil einer Fertigungsanlage betrieben werden,
die von der speicherprogrammierten Steuerung (SPS) der Fertigungsanlage
als autonome Einheit erkannt wird. Wenn die SPS einen Fügeprozess
der Vorrichtung anstößt, werden
die zur Durchfüh rung
des Fügeprozesses
notwendigen Bewegungsabläufe
der beiden Roboter und ihrer Werkzeuge vollkommen autonom durchlaufen,
wobei die Programmsteuerung des „Master"-Roboters die Steuerung der Vorrichtung übernimmt.
Dadurch kann ein Abgleich zwischen SPS und den einzelnen Robotern
entfallen, wodurch eine Modularisierung und eine erhöhte Flexibilität der Fertigungsanlage
als Ganzes erreicht wird.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere zum Fügen von Bauteilen mit Hilfe
eines Schweißverfahrens,
vorzugsweise mit Hilfe des Laserschweißens. Eine bevorzugte Anwendung
betrifft das Fügen
von Bauteilen aus Metallblech, insbesondere von Strukturbauteilen
im Fahrzeugbau, mit Hilfe des Laserschweißens. Eine weitere Anwendung
betrifft das Fügen
von Metallblechteilen für
den Fahrzeug-Aggregatebau mit Hilfe des Lichtbogenschweißens und/oder
mit Hilfe von Hybridschweißverfahren.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist das Fügewerkzeug
an einem ersten Roboter montiert. Die zu verbindenden Werkstücke werden
in einem Spannwerkzeug gehalten, welches mit Hilfe eines zweiten
Roboters bewegt wird. Das Spannwerkzeug umfasst eine geeignete Anzahl
von Spannelementen, welche an ausgewählten Bereichen der zu verbindenden
Werkstücke
angreifen und diese in Zusammenbaulage relativ zueinander fixieren.
In Abhängigkeit
von der Komplexität
der Werkstücke
bzw. der Fügeaufgabe
kann hierfür
eine große
Zahl von Spannelementen notwendig sein, welche die Zugänglichkeit
der Verbindungsbereiche für
das Fügewerkzeug
erheblich beschränken.
Der zweite Roboter bewegt die in dem Spannwerkzeug fixierten Werkstücke gegenüber dem
Fügewerkzeug
zu, das seinerseits mit Hilfe des ersten Roboters bewegt wird. Durch
die „Master"„Slave"-Kopplung der beiden Robotersteuerungen
können
dabei das Spannwerkzeug und das Fügewerkzeug autonom kooperieren
und durch geeignete Relativbewegungen erreichen, dass die ge spannten
Werkstücke
dem Fügewerkzeug
in einer solchen Weise dargeboten werden, dass eine optimale Zugänglichkeit
der Verbindungsbereiche für das
Fügewerkzeug
gewährleistet
ist. Weiterhin können
die Bewegungen des Fügewerkzeugs
und des Spannwerkzeugs zeitlich überlappen,
so dass Fügeoperationen
während
der Bewegung der Werkstücke durchgeführt und
somit die (ansonsten nicht produktiven) Transport- und Positionierzeiten
produktiv genutzt werden können.
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Die
Spannelemente des robotergeführten Spannwerkzeugs
können
gemeinsam oder getrennt aktivierbar sein. Vorteilhafterweise werden
die zu verbindenden Werkstücke
in reproduzierbarer Weise in das Spannwerkzeug eingelegt, woraufhin
die Spannelemente gleichzeitig betätigt werden, um die Werkstücke in diese
Relativlage (d.h. der gewünschten
Zusammenbaulage) zueinander zu klemmen; der für das Spannen der Werkstücke erforderliche
Steuerungsaufwand ist dann minimal. Um eine reproduzierbare Ausrichtung
der Werkstücke
in dem Spannwerkzeug zu erreichen, ist das Spannwerkzeug vorzugsweise
mit Anschlägen,
konturangepassten Aufnahmeelementen etc. versehen, die die Werkstücke in eindeutiger
Weise aufnehmen; alternativ bzw. zusätzlich kann die genaue Lage
der Werkstücke
im Spannwerkzeug mit Hilfe zusätzlicher
Messmittel (z.B. optischer, induktiver oder taktiler Sensoren) ermittelt
werden, die am Spannwerkzeug befestigt oder raumfest angeordnet
sein können.
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Für ein hochgenaues
Fixieren der Werkstücke
im Verbindungsbereich – wie
es beispielsweise beim Laserschweißen notwendig ist – ist eine
große Anzahl
von Spannelementen notwendig, was bei großen Werkstücken zu einem hohen Gewicht
des Spannwerkzeugs führen
kann. Um die Gewichtsbelastung des zweiten Roboters in einem vertretbaren Rahmen
zu halten, können
mehrere Roboter zum Einsatz kommen, die gemeinsam das Spannwerkzeug
tragen. Es kann vorteilhaft sein, das Spannwerkzeug aufzutei len
in mehrere Unter-Spannwerkzeuge, die die zu verbindenden Werkstücke in unterschiedlichen
Bereichen fixieren und die mit Hilfe getrennter Roboter bewegt werden.
Diese Unter-Spannwerkzeuge
können
fest miteinander verbunden sein und können ein einziges starres Spannwerkzeug
bilden (das dann von mehreren Robotern getragen wird). Die Roboter,
die die Unter-Spannwerkzeuge tragen, und der Roboter, der das Fügewerkzeug
bewegt, kooperieren dabei im Sinne einer „Master"„Slave"-Kopplung, bei der
ein Roboter als „Master" die Bewegungsabläufe der
anderen („Slave"-) Roboter koordiniert.
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In
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung werden die zu fügenden Werkstücke während des Fügens raumfest
gelagert. Der erste Roboter trägt – ebenso
wie in der ersten Ausgestaltung der Erfindung – das Fügewerkzeug; der zweite Roboter
trägt ein
Spannwerkzeug, mit dem die zu verbindenden Werkstücke lokal
(insbesondere in dem momentan vom Fügewerkzeug bearbeiteten Verbindungsbereich)
gespannt werden. Das robotergeführte
Spannwerkzeug fixiert die beiden Werkstücke in einem räumlich eng
begrenzten Bereich in einer solchen Weise relativ zueinander, dass
ein optimales Fügeergebnis
in diesem Bereich erreicht wird. Sollen beispielsweise zwei beschichtete
Metallbleche durch Laserschweißen
verbunden werden, so werden diese Metallbleche lokal in einer solchen
Weise gespannt, dass in den Verbindungsbereichen zwischen ihnen
ein Fügespalt
vorgegebener Größe vorliegt, durch
den die beim Schweißen
austretenden Dämpfe und
Gase entweichen können.
Durch die Kopplung der beiden Roboter wird – ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel – eine Kooperation
des Fügewerkzeugs
mit dem Spannwerkzeug erreicht, wodurch eine optimale Koordination
und ggf. eine zeitliche Überlagerung
der Bewegungsabläufe
der Werkzeuge gewährleistet
wird.
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In
einer dritten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Fügen der
Werkstücke
in zwei Stufen. Zunächst
werden die zu verbindenden Werkstücke in Zusammenbaulage geheftet.
Anschließend
wird der auf diese Weise geschaffene Zusammenbau der beiden Werkstücke mit
Hilfe eines robotergeführten Spannwerkzeugs
gegenüber
einem robotergeführten Fügewerkzeug
bewegt bzw. positioniert, und die beiden Werkstücke werden mit Hilfe des Fügewerkzeugs
verbunden. Die beiden Roboter, die das Spannwerkzeug und das Fügewerkzeug
tragen, kooperieren dabei im Sinne einer „Master"-„Slave"-Kopplung. Vorzugsweise
werden in dieser Ausgestaltung die Bleche zunächst durch Punktschweißen geheftet
und anschließend
durch Laserschweißen
verbunden. Während
des Heftens werden die Werkstücke
zweckmäßigerweise
in einer (stationären)
Anlage fixiert und mit Hilfe einer robotergeführten Punktschweißzange an
ausgewählten
Stellen gepunktet. Der geheftete Zusammenbau wird dann lasergeschweißt, indem
er von dem robotergeführten Spannwerkzeug
aufgenommen und gegenüber
dem robotergeführten
Laserschweißkopf
bewegt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere auch zum Hybridschweißen zweier Werkstücke. Dabei
werden die Werkstücke
mit Hilfe eines robotergeführten
Spannwerkzeugs gespannt bzw. fixiert (und ggf. bewegt), während die
beiden zum Hybridschweißen
verwendeten Schweißköpfe – beispielsweise
ein Laserschweißkopf
und ein Lichtbogenschweißkopf – mit Hilfe
zweier getrennter Roboter gegenüber
den Werkstücken
bewegt werden. Alle drei Roboter kooperieren dabei im Sinne einer „Master"-„Slave"-Kopplung.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen
dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten
Ausführungsform;
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2 eine Detailansicht eines Verbindungsbereichs
beim Verbinden zweier Werkstücke
mit Hilfe des Laserschweißens:
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2a:
Beginn des Laserverschweißens
in einem ersten Verbindungsbereich;
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2b:
Ende des Laserschweißens
im ersten Verbindungsbereich;
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2c:
Beginn des Laserschweißens
in einem weiteren Verbindungsbereich;
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3 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform;
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4 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten
Ausführungsform;
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5 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren
kooperierenden Füge-
und Spannwerkzeugen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum
Fügen zweier
Werkstücke 2,3 aus
Metallblech, wobei die Vorrichtung 1 Teil einer Fertigungsanlage 4 ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Roboter 5 mit
einer Roboterhand 6, an der ein Laserschweißkopf 7 mit
einer (in 1 nicht dargestellten) Scanmimik
befestigt ist. Zu diesem Roboter 5 gehört ein erstes Steuersystem 8,
welches eine Programmsteuerung zur Bewegungssteuerung des ersten
Roboters 5 und zum Aktivieren des Laserschweißkopfs 7 und
der Scanmimik enthält. – Weiterhin
umfasst die Vorrichtung 1 einen zweiten Roboter 9 mit
einer Roboterhand 10, an der ein Spannwerkzeug 11 befestigt
ist. Zu diesem zweiten Roboter 9 gehört ein zweites Steuersystem 12,
welches eine Programmsteuerung zur Bewegungssteuerung des zweiten
Roboters 9 und zum Betätigen
des Spannwerkzeugs 11 enthält. – Mit dem Begriff „Roboter" soll hierbei ein
mehrachsiger (in der Regel sechsachsiger) Industrieroboter bezeichnet
werden. Unter einer „Programmsteuerung" soll ein Steuerprogramm
verstanden werden, das – je
nach Anwendungsfall – sowohl
Steuer- als auch Regelaufgaben des Roboters und/oder des mit Hilfe
des Roboters bewegten Werkzeugs übernehmen
kann.
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In
dem Spannwerkzeug 11 sind die zu verbindenden Werkstücke 2,3 mit
Hilfe von Spannelementen 13 in der gewünschten Zusammenbaulage fixiert.
Um eine reproduzierbare Lage der Werkstücke 2,3 im
Spannwerkzeug 11 zu gewährleisten,
sind Anschläge 14 bzw.
Aufnahmeelemente 15 vorgesehen, die die Werkstücke 2,3 in
eineindeutiger Weise zueinander und gegenüber dem Spannwerkzeug 11 ausrichten.
Dies ist notwendig, um die genaue Lage der Werkstücke 2,3 in
einem Koordinatensystem 16 des zweiten Roboters 9 bestimmen
zu können.
Anstatt (bzw. zusätzlich
zu) den Anschlägen 14 und
Aufnahmeelementen 15 kann ein raumfester Sensor 17 (im
Ausführungsbeispiel
der 1 ein optischer Sensor 17a) vorgesehen
sein, mit dessen Hilfe die Lage der Werkstücke 2,3 im
Koordinatensystem 16 des zweiten Roboters 9 ermittelt
wird, indem der Roboter 9 das Spannwerkzeug 11 mit
den darauf fixierten Werkstücken 2,3 in
vorbestimmte Ausrichtungen gegenüber
dem Sensor 17a bringt und aus den Messwerten des Sensors 17a die
Lage der Werkstücke 2,3 gegenüber einer
Referenzposition auf dem Spannwerkzeug 11 berechnet wird.
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Die
Programmsteuerungen der beiden Roboter
5,
9 sind
in einer solchen Weise gekoppelt, dass die Bewegungsabläufe der
Roboter
5,
9 und der von ihnen getragenen Werkzeuge
7,
11 koordiniert
erfolgen. Einer der Roboter – beispielsweise
der erste Roboter
5 – dient
dabei als „Master"-Roboter, dessen Bewegungen
der andere, sogenannte „Slave"-Roboter – in diesem
Falle der zweite Roboter
9 – folgt. Während der „Master"-Roboter
5 den Laserschweißkopf
7 in
eine vorgegebene Raumlage bringt und aktiviert, richtet er die Bewegungen
des „Slawe"-Roboters
9 nach
seiner Sollbahn aus, so dass der „Slawe"-Roboter
9 das Spannwerkzeug
11 und
die darin gehaltenen Werkstücke
2,
3 in
eine entsprechende Lage und Ausrichtung bewegt, in der ein Verbindungsbereich
18 auf
den Werkstücken
2,
3 im
Fokus eines Lserstrahls
19 des Laserschweißkopfs
7 liegt. Dabei
bleibt der räumliche
Bezug des durch den „Master"-Roboter
5 geführten Laserschweißkopfs
7 zu
den vom „Slawe"-Roboter
9 bewegten
Werkstücken
2,
3 zu
jeder Zeit erhalten. Ein Steuerungsprinzip, mit dessen Hilfe eine
solche „Master"-„Slawe"-Kopplung erreicht werden kann, ist
beispielsweise in der
EP
752 633 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit in die vorliegende
Anmeldung übernommen wird.
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Aufgrund
der „Master"-„Slawe"-Kooperation der Roboter 5,9 stellt
die Vorrichtung 1 stellt eine autonome Einheit dar, die
im Fabrikumfeld 4 an eine speicherprogrammierte Fertigungssteuerung
(SPS 20) angebunden sein kann; die SPS 20 aktiviert
dann Prozesse im „Master"-Roboter 5,
welcher seinerseits dann vorgegebene Programmschritte durchführt und dabei
den an ihn gekoppelten „Slawe"-Roboter 9 mitführt und
befehligt.
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Die
Roboter 5,9 brauchen hierzu nicht permanent aneinander
gekoppelt sein. Insbesondere können
die Roboter 5,9 lediglich für bestimmte Arbeitsschritte
miteinander kooperieren; andere Arbeitsschritte können die
Roboter 5,9 völlig
unabhängig
voneinander durchführen,
wobei dann die Aktionen jedes Roboters 5,9 getrennt
von der SPS 20 der Fertigungsanlage 4 angestoßen werden.
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Im
folgenden werden die Einzelschritte beschrieben, die beim Fügen der
beiden Werkstücke 2,3 der 1 durchlaufen
wer den. Zunächst
werden die beiden zu verbindenden Werkstücke 2,3 in
einer (in 1 nicht gezeigten) Bestückungsstation
in das Spannwerkzeug 11 eingelegt; die Anschläge 14 bzw. Aufnahmeelemente 15 gewährleisten
dabei, dass die Werkstücke 2,3 reproduzierbar
in Zusammenbaulage im Spannwerkzeug 11 aufgenommen werden.
Anschließend
werden die Werkstücke 2,3 durch
simultanes Spannen der Spannelemente 13 in dieser Zusammenbaulage
fixiert. Das Aufnehmen und Fixieren der Werkstücke 2,3 im
Spannwerkzeug 11 des zweiten Roboters 9 kann unabhängig von
den Bewegungen des ersten Roboters 5 erfolgen, so dass
der erste Roboter 5 während
dieser Schritte beispielsweise eine andere Schweißaufgabe
ausführen
kann; in diesem Modus wirkt die SPS 20 der Fertigungsanlage 4 separat
auf beide Roboter 5,9 ein.
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Spätestens
mit Abschluss des Spannens der Werkstücke 2,3 im
Spannwerkzeug 11 wird die Programmsteuerung des zweiten
Roboters 9 (als „Slave") an die Programmsteuerung
des ersten Roboters 5 (als „Master") angekoppelt. Ab diesem Zeitpunkt greift
die SPS 20 nicht mehr direkt auf den „Slave"-Roboter 9 zu, sondern alle
Bewegungen des „Slave"-Roboters 9 und
des darauf fixierten Spannrahmens 11 werden durch den „Master"-Roboter 5 koordiniert. Die
beiden Roboter 5,9 kooperieren dabei derart, dass
der „Slave"-Roboter 9 die
von ihm getragenen Werkstücke 2,3 in
bestimmte vorgegebene Raumlagen bewegt, die so gewählt sind,
dass ein vorgegebener Verbindungsbereich 18 auf den Werkstücken 2,3 für den mit
Hilfe des „Master"-Roboters 5 bewegten Laserschweißkopf 7 gut
zugänglich
wird; dann wird der Laserschweißkopf 7 aktiviert
und mit Hilfe des Laserstrahls 19 eine Verschweißung im
Verbindungsbereich 18 durchgeführt. Anschließend wird der
Laserstrahl 19 auf einen weiteren Verbindungsbereich 18a der
Werkstücke 2,3 gerichtet.
Dies kann erreicht werden, indem
- – der Laserstrahl 19 mit
Hilfe der im Laserschweißkopf 7 enthaltenen
Scanmimik auf den weiteren Verbindungsbereich 18a gelenkt
wird und/oder
- – der
Laserschweißkopf 7 mit
Hilfe des „Master"-Roboters 5 gegenüber dem
Spannwerkzeug 11 bewegt wird, bis er gegenüber dem
weiteren Verbindungsbereich 18a zu liegen kommt und/oder
- – das
Spannwerkzeug 11 mit Hilfe des „Slave"-Roboters 9 gegenüber dem
Laserschweißkopf 7 bewegt
wird, bis der weitere Verbindungsbereich 18a gegenüber dem
es gegenüber
Laserschweißkopf 7 zu
liegen kommt.
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Vorzugsweise
werden mehrere dieser Bewegungen simultan durchgeführt, um
durch Überlagerung
der (vergleichsweise schnellen) Bewegung der Scanmimik des Laserschweißkopfes 7 mit
den (vergleichsweise langsamen) Transportbewegungen der Roboter 5,9 die
(ansonsten nichtproduktiven) Transportzeiten produktiv zu nutzen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, diesen Transportbewegungen den
eigentlichen Schweißprozess
zu überlagern.
Dies ist schematisch in 2a bis 2c dargestellt:
Hier wird das Spannwerkzeug 11 mit den darauf fixierten Werkstücken 2,3 mit
Hilfe des (in 2 nicht dargestellten) „Slave"-Roboters 9 kontinuierlich
gegenüber dem
Laserschweißkopf 7 verschoben
(Pfeil 21). Gleichzeitig wird der Laserstrahl 19 in
einen ersten Verbindungsbereich 18 gelenkt und dort aktiviert (2a).
Die Scanmimik des Laserschweißkopfes 7 führt den
Laserstrahl 19 in einer solchen Weise gegenüber den
bewegten Werkstücken 2,3,
dass im Verbindungsbereich 18 eine erste Laserschweißnaht 22 erstellt
wird (2b). Dann wird der Laserstrahl 19 deaktiviert
und mit Hilfe der Scanmimik auf einen weiteren Verbindungsbereich 18a gelenkt,
wo der Laserstrahl 19 für
eine weitere Schweißung 22a aktiviert
wird.
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3 zeigt
eine schematische, nicht maßstabsgetreue
Ansicht einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1': Hier sind
die zu verbindenden Werkstücke 2',3', zwei Formbauteile
aus Blech, in Zusammenbaulage in einer raumfesten Aufnahmevorrichtung 23 abgelegt. Der
erste Roboter 5' trägt an seiner
Hand 6' den
Laserschweißkopf 7' und ist mit
dem Steuersystem 8' verbunden,
welches die Programmsteuerung zur Bewegungssteuerung dieses ersten
Roboters 5' und zum
Aktivieren des Laserschweißkopfs 7' enthält. Der
zweite Roboter 9' trägt an seiner
Roboterhand 10' ein
Spannwerkzeug 11',
mit Hilfe dessen ein ausgewählter
Verbindungsbereich 18' auf
den Werkstücken 2',3' gespannt werden
kann; weiterhin ist der zweite Roboter 9' mit dem Steuersystem 12' verbunden,
welches die Programmsteuerung zur Bewegungssteuerung dieses zweiten
Roboters 9' und
zum Betätigen
des Spannwerkzeugs 11' enthält. Die
beiden Roboter 5',9' sind in einer
solchen Weise aneinander gekoppelt, dass sie – wie oben beschrieben – in einem „Master"-„Slave"-Modus betrieben werden können.
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Das
Spannwerkzeug
11' ist
mit einem Druckelement
24 veersehen, mit dessen Hilfe im
Verbindungsbereich
18' zwischen
den zu verschweißenden Blechen
2',
3' ein Fügespalt
26 einer
vorbestimmten Höhe
27 eingestellt
werden kann. Das Druckelement
24 ist im vorliegenden Beispiel
eine drehbar gelagerte Anpressrolle
25, die entlang der
Verbindungsbereiche
18' gerollt
werden kann und die in einer solchen Weise ausgestaltet ist, dass
sie die klaffenden Bleche
2',
3' im Verbindungsbereich
18' aufeinanderdrückt, um
so eine vorgegebene Spalthöhe
26 zu
erreichen. Die Funktionsweise eines solchen Druckelements
24 ist
beispielsweise in der
DE
102 18 179 A1 beschrieben. Alternativ können Druckelemente
24 vorgesehen
sein, die als Anpressfinger oder als (zueinander bewegliche) Spannfinger
ausgestaltet sind und mit Hilfe des Roboters
9' entlang der
Verbindungsbereiche
18' bewegt
werden.
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Eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung ist in 4 dargestellt. Hier werden die
zu verbindenden Werkstücke 2'',3'' zunächst in
einer Heftstation 28 geheftet, bevor sie mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1'' verbunden werden. In der Heftstation 28 werden
die Werkstücke 2'',3'' in
eine raumfeste Aufnahmevorrichtung 23'' eingelegt,
in der die Werkstücke 2'',3'' in
Zusammenbaulage positioniert und fixiert werden. Anschließend werden
die Werkstücke 2'',3'' mit
Hilfe einer Heftvorrichtung 29, beispielweise einer robotergeführten Punktschweißzange 30,
in ausgewählten
Bereichen geheftet. Durch diese Heftung wird ein Zusammenbau 31 der
Werkstücke 2'',3'' erzeugt,
in dem die Werkstücke 2'',3'' in der
gewünschten
Zusammenbaulage zueinander fixiert sind. Dieser Zusammenbau 31 wird
dem robotergeführten
Spannwerkzeug 11'' der Vorrichtung 1'' zugeführt bzw. vom robotergeführten Spannwerkzeug 11'' aufgenommen. Das anschließende Verbinden
des im Spannwerkzeug 11'' gehaltenen
Zusammenbaus 31 durch den robotergeführten Laserschweißkopf 7'' erfolgt analog zur oben beschriebenen
ersten Ausführungsform
(1) durch die die Werkzeuge 7'',11'' tragenden,
kooperierenden Roboter 5'',9'' mit dem Unterschied, dass das
Spannwerkzeug 11'' nun – aufgrund
des vorgeschalteten Heftens der Werkstücke 2'',3'' -wesentlich leichter und einfacher
gestaltet werden kann als das Spannwerkzeug 11 der 1.
Insbesondere müssen
die Spannelemente 13'' des Spannwerkzeugs 11'' lediglich den gehefteten Zusammenbau 31 stabil
an der Roboterhand 10'' des zweiten
Roboters 9'' halten, nicht
jedoch die beiden Werkstücke
in einer vorgegebenen Relativlage spannen und fixieren. Das Spannwerkzeug 11'' ist somit wesentlich einfacher
aufgebaut (und in bezug auf sein Gewicht wesentlich leichter) als
das Spannwerkzeug 11 der Ausführungsform der 1.
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Bisher
wurden Anwendungsbeispiele gezeigt, in denen zwei kooperierende
Industrieroboter zum Einsatz kommen: Ein erster Roboter 5,5',5'', mit Hilfe dessen das Fügewerkzeug 7,7',7'' bewegt wird und ein zweiter Roboter 5,5',5'' zum Spannen und/oder Bewegen der
zu fügenden
Werkstücke 2,3. Zusätzlich zu
diesen beiden Robotern kann die Vorrichtung 1,1',1'' noch weitere Roboter umfassen,
welche ebenfalls in die Roboterkooperation eingebunden sind. Insbesondere
kann zum Fügen
von größeren Werkstücken 2,3 vorteilhaft
sein, die Werkstücke 2,3 mit
Hilfe mehrerer gekoppelter Roboter 9a,9b räumlich zu
bewegen, um auf diese Weise eine Lastverteilung der Werkstückmassen
auf mehrere Roboter 9a,9b zu erreichen; dies ist
schematisch in 5 dargestellt, bei ein Spannwerkzeug 11 von
den beiden Robotern 9a,9b mit zugeordneten, aneinander gekoppelten
Programmsteuerungen (in Steuersystemen 12a,12b)
getragen wird. Das Spannwerkzeug 11 umfasst in diesem Fall
zwei getrennte Unter-Spannwerkzeuge 11a,11b, wobei
das Unter-Spannwerkzeug 11b des
Roboters 9b in der Ansicht der 5 vom Werkstück 3 verdeckt
ist. Die Programmsteuerungen der Spannroboter 9a,9b und des
Schweißroboters 5a kooperieren
beispielsweise in einer solchen Weise, dass der Schweißroboter 5a der „Master" ist, an den die
beiden Spannroboter 9a,9b als „Slaves" angekoppelt sind. – Weiterhin kann im Ausführungsbeispiel
der 3 das lokale Spannen der zu verbindenden Werkstücke 2',3' mit mehreren
Robotern 9',9a' erfolgen, die
je ein Spannwerkzeug 11',11a' tragen und
deren Programmsteuerungen mit der Programmsteuerung des Schweißroboters 5' im Sinne einer „Master"-„Slave"-Kopplung kooperieren; dann kann der
momentan vom Fügewerkzeug 7' bearbeitete
Werkstückbereich 18' mit Hilfe eines
ersten Spannwerkzeugs 11' fixiert werden,
während
ein weiteres Spannwerkzeug 11a' bereits in einem demnächst zu
bearbeitenden Verbindungsbereich 18a' auf den Werkstücken 2',3' plaziert wird. Da die Bewegung
der Scanmimik des Laserschweißkopfes 7' wesentlich
schneller ist als die Bewegung der robotergeführten Spannwerkzeuge 11',11a', kann auf diese
Weise das Laserschweißsystem
optimal ausgenutzt werden. – In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann die Erfindung genutzt werden zum Kleben von Werkstücken, wobei
die beiden zu verklebenden Werkstücke vor dem Verkleben mit Hilfe
von Spannwerkzeugen bewegt werden, die von getrennten, jedoch gekoppelten
Robotern getragen werden.
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Wie
in 5 gezeigt, ist es weiterhin möglich, mehrere gekoppelte Roboter 5a,5b mit
Fügewerkzeugen 7a,7b (z.B.
Punktschweißzangen 32a, 32b)
zu bestücken,
um z.B. unterschiedliche Bereiche der zu verbindenden Werkstücke 2,3 gleichzeitig bearbeiten
zu können
und dadurch die Verweilzeit der Werkstücke 2,3 in
der Verbindungsvorrichtung 1 zu minimieren. 5 zeigt
somit eine Vorrichtung mit zwei Fügerobotersn 5a,5b und
zwei Spannrobotern 9a,9b, die über eine „Master"-„Slave"-Kopplung miteinander kooperieren. Werden
die beiden Schweißroboter 5a,5b mit
unterschiedlichen Schweißsystemen
(z.B. ein Laserschweißkopf
und ein MIG-Schweißkopf)
bestückt,
so kann diese Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Hybridschweißverfahrens
eingesetzt werden, bei dem die unterschiedlichen Schweißsysteme
mit Hilfe getrennter, jedoch gekoppelter Roboter 5a,5b bewegt
werden.
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Die
Erfindung kann auf beliebige Fügeverfahren,
insbesondere zum Laserschweißen,
zum MIG- oder MAG-Schweißen,
zum Punktschweißen sowie
zum Kleben, zum Nieten und zum Durchsetzfügen von Werkstücken, zum
Einsatz kommen.