DE102012104115A1

DE102012104115A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von rotationssymetrischen Werkstücken

Info

Publication number: DE102012104115A1
Application number: DE201210104115
Authority: DE
Inventors: Roger Knetsch
Original assignee: Herbert Arnold & Co KG GmbH
Current assignee: Herbert Arnold & Co KG GmbH
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken (2a, 2b) entlang ihrer Längsachse (S), insbesondere zum Fügen von Glasrohren, gekennzeichnet durch folgende Schritte: • Positionieren der stirnseitig zu fügenden Werkstückenden in einer Messeinrichtung 7, • Messen der Geometrie und/oder Ausrichtung der Werkstückenden, • Ermitteln einer axialen Fügeposition und/oder einer Drehstellung der Werkstücke (2a, 2b) zueinander in Abhängigkeit der gemessenen Geometrien und/oder Ausrichtungen zum Erreichen einer im Wesentlichen koaxialen Ausrichtung und/oder eines vorgegebenen axialen Abstandes der Werkstückenden zueinander, • Positionieren der zu fügenden Werkstücke (2a, 2b) in der ermittelten radialen und/oder axialen Fügeposition, • Fügen der Werkstücke (2a, 2b). Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken (2a, 2b), insbesondere zu Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer Halteeinrichtung (3) zumindest zum Aufnehmen und Positionieren der Werkstücke, einer Messeinrichtung (7) zum Messen der Geometrie und/oder Ausrichtung der Werkstückenden sowie einer Einrichtung zum Auswerten der Messung und zum Ermitteln einer axialen Fügeposition und/oder einer Drehstellung der Werkstücke (2a, 2b) zueinander in Abhängigkeit der gemessenen Geometrien und/oder Ausrichtungen zum Erreichen einer im Wesentlichen koaxialen Ausrichtung und/oder eines vorgegebenen axialen Abstandes der Werkstückenden zueinander.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere von Glasrohren, wobei die Vorrichtung eine Halteeinrichtung zumindest zum Aufnehmen und Positionieren der Werkstücke aufweist.
Das im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Verfahren und die entsprechende Vorrichtungen eignen sich zum Fügen sämtlicher Werkstückegeometrien mit einem rotationssymmetrischen Querschnittsprofil, also beispielsweise einem runden, quadratischen, symmetrisch n-eckigen o. dgl. Querschnitt. Ferner eignet sich das Verfahren bzw. die Vorrichtung zum, insbesondere stirnseitigen, Fügen von Hohl- als auch von Vollprofilen, also beispielsweise zum Fügen von Rohren oder Rundstäben. Als Fügetechnologien kommen sämtliche, vorzugsweise für das jeweilige Werkstückmaterial geeignete Methoden, wie Kleben, Löten, Verschweißen o.dgl., in Betracht.
Fügeverfahren und -vorrichtungen der eingangs genannten Art kommen u.a. bei der Herstellung und Fertigung von Solarröhrenkollektoren aus Glas zum Einsatz. Dabei werden die zu fügenden Glaskomponenten typischerweise an den Fügestellen gleichmäßig erhitzt, zusammengefahren und anschließend verschmolzen. Um eine Deformation der angeschmolzenen Fügestellen zu vermeiden, werden die zu verschweißenden Komponenten mitunter in Gleichlaufmaschinen eingespannt und während des Schmelzvorganges synchron um eine gemeinsame Drehachse rotiert. Die durch die Rotation entstehenden Fliehkräfte verhindern dabei ein Zusammenfallen des weichen Glases in den Innenbereich der Glasbauteile. Die zum Erzeugen der Schmelznaht erforderliche Energie wird in der Regel über Gasbrenner eingebracht, die je nach Nennweite der Glaskomponenten ein Gemisch aus Brenngas und Sauerstoff und/oder Luft verbrennen. Anstelle von Gasbrennern werden mitunter auch Plasmabrenner eingesetzt, insbesondere beim Fügen von Quarz-Komponenten.
Aus dem Stand der Technik ist es neben der Brennertechnologie auch bekannt, Laser, insbesondere CO₂-Laser, zum Verschmelzen von Werkstücken, insbesondere von Glaskomponenten zu verwenden. Dazu wird z.B. ein Laserstrahl stationär auf einen Punkt im Fügebereich der Werkstückenden ausgerichtet, während das zu verarbeitende Werkstück entsprechend um eine Drehachse rotiert, um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag zu erreichen.
So ist aus DE 10 2008 022 259 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Glaskomponenten bekannten, bei der das zu verarbeitende Glasteil mit Hilfe einer Haltevorrichtung in Rotation versetzt und mit einem Laser bearbeitet wird. Um den Wärmeeintrag im Glas noch gleichförmig zu gestalten, weist die Vorrichtung eine Strahlungsleitvorrichtung auf, mit der der Laserstrahl entgegen der Rotationsrichtung des Glasteils entweder von innen oder außen um die Glaskomponenten geführt wird.
Häufig sind jedoch die zu fügenden Werkstücke, also beispielsweise Glaskomponenten wie Glasröhren, bedingt durch ihren Herstellungsprozess mit größeren Toleranzen behaftet. So kann treten mitunter bei Glasröhren Abweichungen in axialer und radialer Richtung auf, beispielsweise herstellungsprozessbedingte Unebenheiten und Schrägverläufe der Fügestellen in axialer Richtung. Desweiteren können Abweichungen in radialer Richtung u.a. dadurch entstehend, wenn die zu fügenden Werkstücke beim Einsetzen in die Fügevorrichtung mitunter verkantet in die Halteeinrichtung eingespannt werden. Eine Kontrolle der Einspannposition oder der Fügestellen auf etwaige Abweichungen oder übermäßige Toleranzen erfolgt in der Regel nicht. Vielmehr werden die Komponenten direkt nach dem Einspannen ohne Kontrolle zusammengefügt. Insbesondere bei automatisierten Prozessen kann es dann zu Fehlproduktionen kommen, wenn die Rohre nicht hinreichend zueinander ausgerichtet sind oder weil Abweichung von der idealen Werkstückgeometrie den Fügeprozess nachteilig beeinflussen. Mitunter ist es sogar möglich, dass der Fügeprozess vollkommen fehlschlägt, was meist den kostenintensiven Totalverlust der zu fügenden Werkstücke nach sich zieht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere von Glasröhren, anzugeben, mit der Fehlproduktionen, die durch die Toleranzen bzw. Maßabweichung der zu fügenden Komponenten bedingten sind, minimiert werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken nach Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung ist das Verfahren zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken entlang ihrer Längsachse, insbesondere zum Fügen von Glasrohren durch folgende Schritte gekennzeichnet:

• Positionieren der zu fügenden Werkstückenden in einer Messeinrichtung,
• Messen der Geometrie und/oder Ausrichtung der Werkstückenden,
• Ermitteln einer axialen Fügeposition und/oder einer Drehstellung der Werkstücke zueinander in Abhängigkeit der gemessenen Geometrien und/oder Ausrichtungen zum Erreichen einer im Wesentlichen koaxialen Ausrichtung und/oder eines vorgegebenen axialen Abstandes der Werkstückenden zueinander,
• Positionieren der zu fügenden Werkstücke in der ermittelten radialen und/oder axialen Fügeposition,
• Fügen der Werkstücke.

In erfindungsgemäßer Weise wurde hierbei erkannt, dass möglicherweise auftretende, größere Toleranzen bzw. Maßabweichung der zu fügenden Werkstücke beim Fügeprozess berücksichtigt werden können, indem unter Ausnutzung der Rotationssymmetrie der Werkstücke eine Fügeposition bzw. Drehstellung der Werkstückenden zueinander ermittelt wird, mit der eine möglichst koaxiale Ausrichtung der Werkstücke und/oder eine Positionierung der Werkstücke in einem vorgegebenen axialen Abstand, vorzugsweise innerhalb vorgegebener Toleranzbereiche, erreicht werden kann. Im Wesentlichen beruht die Erfindung darauf, die zu fügenden Werkstücke in einer für den Fügeprozess und das zu erreichende Fügeresultat optimalen Position zueinander auszurichten, so dass nachteilige Effekte der möglicherweise auftretender Toleranzen und Abweichungen minimiert werden.
Hierzu ist es gemäß der Erfindung erforderlich, die zu fügenden Werkstückenden in einer Messeinrichtung zu positionieren und die Geometrie und/oder Ausrichtung der Werkstückenden zu messen. Auf Grundlage bzw. in Abhängigkeit der gemessenen Geometrien und/oder Ausrichtungen erfolgt sodann die Ermittlung der optimal axialen Fügeposition und/oder optimalen Drehstellung der Werkstücke zueinander. Sobald die beste Ausrichtestrategie bzw. -anordnung der zu fügenden Werkstücke ermittelt wurde, werden die Werkstücke entsprechend in der ermittelten Fügeposition bzw. Drehstellung positioniert und anschließend zusammengefügt.
Vorliegend beziehen sich die Begriffe radial und axial auf die Rotationsachse einer Halte- bzw. Einspanneinrichtung gemäß dem Oberbegriffs des Anspruchs 11, die zum Aufnehmen, Positionieren und/oder Rotieren der Werkstücke – wie eingangs beschreiben – verwendet wird. In der Regel fällt diese Achse spätestens nach der Ausrichtung mit der Rotationssymmetrieachse, insbesondere Zylindersymmetrieachse, wenigstens eines, vorzugsweise beider, der insbesondere zwei, Werkstücke zusammen.
Die Ermittlung der optimalen axialen Fügeposition und/oder Drehstellung erfolgt vorzugsweise nach einem frei wählbaren Optimierungsalgorithmus bzw. -verfahren, wobei unter dem Optimum das Minimieren oder Maximieren einer entsprechend gewählten Zielfunktion zu verstehen ist. So kann beispielweise die Fügeposition dahingehend optimiert werden, dass der Fügespalt zwischen den beiden Werkstücken in der Fügeposition einem vorgegebenen Wert möglichst nahe kommt, insbesondere möglichst klein ist. Denkbar ist es auch, die optimale Fügeposition hinsichtlich eines möglichst glatten Rundlaufs der zu fügenden Werkstücke, d.h. einer im Wesentlichen koaxialen Ausrichtung der rotationssymmetrischen Werkstücke zueinander, zu ermitteln. Selbstverständlich kann auch eine kombinierte Optimierung der Fügeposition bzw. Drehstellung hinsichtlich der Ausrichtung der Werkstücklängsachsen zueinander und des axiale Abstand erfolgen.
So kann beispielsweise eine bestmögliche Drehstellung bzw. Rotationsposition der Werkstücke zueinander dadurch erreicht werden, dass die zu fügenden Werkstückenden relativ zu einander um ihre Längsachse in eine bestimmte Drehstellung gedreht werden, in der sich eine im Rahmen von Maßabweichungen bzw. Toleranzen eine etwaig auftretende, axiale Erhebung auf der Stirnseite des einen Werkstückes in eine etwaig korrespondierende, toleranzbedingte Vertiefung in der Stirnseite des anderen Werkstückes im Wesentlichen einfügt und sich die jeweiligen Unebenheiten bzw. axialen Abweichungen der beiden Werktücke in dieser optimalen Drehstellung gerade ausgleichen. Eine vorteilhafte Ausführungsform des Optimierungsverfahrens zum Ermitteln der Fügeposition bzw. Drehstellung wird weiter unten beschrieben.
Gemäß der Erfindung ist zum Ermitteln der axialen Fügeposition und/oder der Drehstellung eine Auswerteinrichtung vorgesehen, die mit der Messeinrichtung zum Auswerten der gemessenen Werkstückgeometrien und/oder Ausrichtungen wirkverbunden ist. Als Auswerteinrichtung kann insbesondere ein üblicher Industrie-PC verwendet werden. Somit kann in vorteilhafter Weise auf günstige, da massenhaft hergestellte Standard-Hardwarekomponenten zurückgegriffen werden, auf denen das zum Einsatz kommende Optimierungsverfahren implementiert ist.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verfahren zumindest vor dem Verfahrensschritt des eigentlichen Fügens gestoppt wird, wenn die Ausrichtung der Werkstücklängsachsen zueinander und/oder der axiale Abstand der Werkstückenden in der ermittelten axialen Fügeposition und/oder der ermittelten Drehstellung außerhalb eines jeweils vorgegebenen Toleranzbereiches liegt. So kann es beispielweise sein, dass die Abweichungen bzw. Toleranzen derart groß sind, dass sich die Werkstücke in keiner für das Fügen geeigneten Position zueinander anordnen bzw. ausrichten lassen. Dies ist beispielweise dann der Fall, wenn ein Glasrohr als Werkstück derart verkantet in die Halteeinrichtung aufgenommen ist, dass der Radialschlag, d.h. die Verkippung in radialer Richtung größer ist als die Wandstärke des Rohrs. Vorzugswiese wird dem Anwender des Verfahrens bzw. dem Benutzer eine entsprechende Fügevorrichtung das Nicht-Erreichen können der optimalen Fügeposition signalisiert, so dass dieser gegebenenfalls das Werkstück erneut einlegen kann, um das Fügeverfahren von vorne zu starten. Somit werden insbesondere kostspielige Fehlproduktionen vermieden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Werkstückenden iterativ in einer vorgegebenen Anzahl von Schritten, vorzugsweise durch Profilprojektion, aus unterschiedlichen radialen Richtungen vermessen werden, wobei die zu vermessenden Werkstücke einerseits und/oder die Messeinrichtung andererseits pro Iterationsschritt relativ zueinander jeweils um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise um äquidistante Winkel, um die Werkstücklängsachse gedreht werden. Profilprojektionen erlauben in besonders vorteilhafter Weise eine sehr präzise Vermessung von Werkstückgeometrien. Ferner erlaubt die iterative Vermessung des Werkstücks aus verschiedenen radialen Richtungen bereits eine im Hinblick auf die Ermittlung der optimalen Drehstellung nützliche Parametrisierung verschiedener Rotationskonfiguration bzw. Drehstellung der zu fügenden Werkstücke zueinander, aus denen die optimale Drehstellung gewählt werden kann.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Messeinrichtung vorzugsweise eine Profilprojektionseinrichtung mit einer Beleuchtungseinheit zum Beleuchten der Werkstückenden und einer Detektionseinheit, vorzugsweise einer CCD-Kamera, auf. Derartige Messeinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Produktinformation „Keyence – 2D Inline-Messsysteme" der Keyene Corpoation, 1-3-14, Higashi-Nakajima, Higashi-Yodogawa-ku, Osaka, 533–8555, Japan, aus 2011, auf welche hier Bezug genommen wird. Diese Messeinrichtungen beruhen darauf, ein zweidimensionales Schattenbild auf einen Detektor zu projizieren und in dem detektierten Bild der projizierten Werkstücksilhouette Längen, Winkel, Flächen, Radien, Abstände u. dgl., vorzugsweise automatisch, zu messen. In vorteilhafter Weise können derartige Messeinrichtungen innerhalb von automatisierten Fertigungslinien eingesetzt werden. Durch Projektion der Werkstücke aus unterschiedlichen radialen Richtungen ist es weiterhin in vorteilhafter Weise möglich, die Geometrie und/oder Ausrichtung der Werkstücke in drei Dimensionen aus den jeweiligen zweidimensionalen Bildern bzw. Messdaten zu ermitteln.
Gemäß der Erfindung werden vor dem eigentlichen Messen der Geometrie der Werkstückenden und/oder deren Ausrichtung die zu fügenden Werkstückenden der Messeinrichtung positioniert: Vorzugsweise geschieht dies mit Hilfe der Halteinrichtung, in die die Werkstücke zum Positionieren aufgenommen werden. Im Hinblick auf ein automatisiertes Fügeverfahren ist es nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Positionierung der Werkstücke in einem vorgegebenen Messfeld der Messeinrichtung automatisch erfolgt, insbesondere durch Rückkopplung der Halteeinrichtung mit der Messeinrichtung, d.h. die Messeinrichtung erkennt selbständig, dass sich die Werkstückenden im Messfeld befinden und optimiert sodann selbständig die Werkstücke in eine für die Messung der Werkstoffgeometrie optimalen Position zum Detektor. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Messeinrichtung eine bestimmte Kontur, beispielweise einem bestimmten, vorher definierten Kantenverlauf des Werkstückes selbstständig erkennt und das Werkstück entsprechend in eine bestimmte Position zum Sensor anordnet.
Bei der iterativen Vermessung der Werkstückenden ist die Messeinrichtung vorzugsweise stationär angeordnet, während die Werkstücke von Iterationsschritt zu Iterationsschritt um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise um äquidistante Winkel, um die Werkstücklängsachse gedreht werden. Vorzugsweise erfolgt die Drehung der Werkstücke ebenso mit Hilfe der Halteeinrichtung. In vorteilhafter Weise kann dann bei der Ermittlung der optimalen Drehstellung der Werkstücke zueinander auf die bei die bei der iterativen Drehmessung eingestellten Winkelpositionen zurückgegriffen werden.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Werkstücke zunächst automatisch in die für die Messeinrichtung optimale Erkennungsposition gebracht und in einer ersten Winkel- bzw. Rotationsposition vermessen. Sodann werden die Werkstücke um einen festgelegten Winkel in eine zweite Winkelposition gedreht, in der wiederum eine Messung, nunmehr aus einer anderen radialen Richtung, vorgenommen. Dies erfolgt so lange bis eine vorher festgelegte Anzahl von Rotationen und entsprechenden Messungen durchgeführt wurde.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird pro Iterationsschritt jeweils wenigstens der radiale und/oder axiale Abstand wenigstens einer vorgegebenen Kantenposition der jeweiligen Werkstückenden zu einem Referenzpunkt ermittelt. Eine derartige Messung erlaubt in vorteilhafter Weise eine sehr effiziente Parametrisierung der Werkstoffkontur mit möglichst wenigen Datenpunkten, die dennoch ausreicht, um daraus das Optimum der axialen Fügeposition und/oder Drehstellung zu ermitteln. So kann es beispielweise vorgesehen sein, dass bei einem rohrartigen Werkstück jeweils die zum gegenüberliegenden Werkstück weisende, untere Kantenposition in den Projektionsbildern ermittelt wird. Daraus ergeben sich für jedes Werkstück pro Winkelposition bzw. Projektionsrichtung drei Koordinaten für den entsprechenden Kantenpunkte in Relation zu einem Referenzpunkt, nämlich die Winkelposition, d.h. die Azimutalwinkelkoordinate, sowie die radiale und die axiale Position. In vorteilhafter Weise wird hierbei also die Rotationssymmetrie des Werkstücks ausgenutzt, um die stirnseitigen Kanten der Werkstücke zu parametrisieren. Aus dieser Parametrisierung bzw. aus den entsprechenden Koordinaten der Werkstückkanten kann dann die optimale Fügeposition und/oder Drehstellung der Werkstücke zueinander ermittelt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt dies nach dem nachfolgend beschriebenen Algorithmus: In einem ersten Schritt wird für jedes der zu fügenden Werkstücke separat der Mittelwert der radialen und axialen Abstände über alle Winkelpositionen bestimmt, d.h. eine Mittelung über den Azimutalwinkel durchgeführt. Sodann wird für jeden radialen Abstand und jeden axialen Abstand die Abweichung zum azimutal gemittelten Axial- bzw. Radialabstand bestimmt. Damit erhält man für die stirnseitige Abschlusskante jedes der zu fügenden Werkstücke die radiale und axiale Abweichung in Abhängigkeit der Winkelpositionen, die im Folgenden als Radialschlag und Axialschlag bezeichnet werden.
In einem nächsten Schritt erfolgt für jedes der Werkstücke die Berechnung einer gewichteten Gesamtabweichung, indem jeweils für jede Winkelposition die gewichtete Summe aus dem Axialschlag und dem Radialschlag berechnet wird. Dabei kann die Gewichtung des Axial- bzw. Radialschlags frei gewählt werden, insbesondere in Abhängigkeit der gemessenen Werkstückgeometrien. Die Vornahme der Gewichtung kann entweder manuell erfolgen oder automatisiert durch die Auswerteeinrichtung, die die Gewichtung anhand vorgegebener, sich an den Werkstückgeometrien orientierender Kriterien vornimmt.
Im nächsten Schritt erfolgt die eigentliche Ermittlung der optimalen Drehstellung durch zyklische Permutation der Winkelpositionen des einen, hier als Slave bezeichneten, Werkstücks gegenüber den Winkelpositionen des zweiten, hier als Master bezeichneten, Werkstücks. Bildlich gesprochen entspricht diese zyklische Permutation einer schrittweisen Rotation des Slaves gegenüber dem Master um die Werkstücklängsachse entsprechend den bei der iterativen Vermessung gewählten Winkelschritten. Dabei folgt die für das Fügen optimale Drehstellung der Werkstücke zueinander aus derjenigen Permutationskonfiguration, bei der eine entsprechend gewählte Zielfunktion einen Extremalwert, vorzugsweise einen Minimalwert, annimmt. Die Wahl der Zielfunktion und des konkret anzuwendenden Optimierungsverfahrens erfolgt nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung benutzerdefiniert, um somit größtmögliche Flexibilität zu erreichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird hierzu beispielsweise für jede Permutation die Differenz zwischen der Gesamtabweichung einer bestimmten Winkelposition des Masters und der Gesamtabweichung der entsprechend gegenüberliegenden, durch die Permutation gegebenen Winkelposition des Slaves gebildet. Als Zielfunktion kann dann beispielsweise entweder die Summe über alle Gesamtabweichungsdifferenzen oder das Maximum aller Gesamtabweichungsdifferenzen einer Permutation dienen. Das Optimum ergibt sich dann für diejenige Permutationskonfiguration, für die die Summendifferenz einen Minimalwert annimmt bzw. für die das Maximum der Differenzen einen Minimalwert einnimmt. Nach diesem beispielhaften Optimierungsverfahren wird also die optimale Fügeausrichtung der Werkstücke hinsichtlich einer bestmöglichen Drehstellung zueinander ermittelt.
Entsprechend kann auch eine optimale Fügeposition hinsichtlich des axialen Abstands ermittelt werden, so dass beispielsweise der Fügespalt möglichst klein wird. Denkbar ist aber auch eine kombinierte Optimierung beider Parameter, d.h. der axialen Position und der Drehstellung, wobei in vorteilhafter Weise jeweils eine Priorisierung bzw. Gewichtung der axialen Position bzw. der Drehstellung vorgenommen werden kann.
So kann nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem nächsten Schritt die axiale Fügeposition auf Basis der bereits ermittelten optimalen Drehstellung bestimmt werden. Diese kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass der Master in der ermittelten optimalen Drehstellung in Richtung des Slaves um den kleinsten, zwischen Slave und Master gemessenen Abstand verschoben wird.
Das hier beschriebene Optimierungsverfahren zur Ermittlung einer optimalen axialen Fügeposition und Drehstellung stellt einen beispielhaften, besonders einfach anzuwendenden Analysealgorithmus dar, der insbesondere auf einem als Auswerteeinrichtung dienenden, handelsüblichen Industrie-PC implementiert werden kann.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Auswerteeinrichtung eine Steuereinrichtung zugeordnet, die zumindest zum Positionieren der Werkstückenden in der Fügeposition bzw. Drehstellung mit der Halteeinrichtung in Wirkverbindung steht. Durch die Verkettung von Messeinrichtung, Auswerteeinrichtung und Steuereinrichtung kann insbesondere ein automatisierter und geregelter Fügeprozess realisiert werden, bei dem die einzelnen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte automatisch hintereinander ausgeführt werden. Als Steuereinrichtung kann in vorteilhafter Weise eine CPU (Central Processing Unit) basierte, speicherprogrammierbare Steuerung verwendet werden, wie sie bei vielen standardisierten Industrieprozessen zur Steuerung und Regelung von Maschinen und Anlagen dienen. Somit kann auf standardisierte und damit kostengünstige Massenprodukte zurückgegriffen werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Werkstücke durch Erhitzen und Zusammenführen der Werkstückenden gefügt, wobei die Energie zum Erhitzen vorzugsweise radial von einer Heizeinrichtung zugeführt wird. Neben dem thermischen Fügen sind aber auch andere Fügetechnologien, wie beispielsweise Kleben oder Löten denkbar.
Das thermische Fügen durch externes Einbringen von Heizenergie stellt jedoch insbesondere beim Fügen von später thermisch beanspruchten Glaskomponenten, wie beispielsweise Solarkollektorröhren, die bevorzugte Fügetechnologie dar, da durch Schmelzen erzeugte Fügenähte den bei der späteren, zweckmäßigen Verwendung dieser Komponenten mitunter auftretenden hohen thermischen Beanspruchungen besonders gut standhalten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die zu fügenden Werkstücke beim Erhitzen und Zusammenführen synchron um die Werkstücklängsachse gedreht. Dadurch wird ein besonders gleichmäßiger Wärmeeintrag erreicht. Zum Drehen der Werkstücke um die Werkstücklängsachse kann besonders bevorzugt die zum Aufnehmen und Positionieren der Werkstücke vorgesehene Halteeinrichtung genutzt werden. Hierzu ist die Halteeinrichtung vorzugsweise als Gleichlaufmaschine ausgebildet, in die die zu fügenden Werkstoffe eingespannt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Halteeinrichtung nicht nur zum für das Erhitzen erforderliche synchrone Drehen ausgebildet, sondern auch dazu, die Werkstücke relativ zueinander um die Werkstücklängsachse zu drehen. Dies ist insbesondere zur Einstellung der ermittelten Drehstellung von Vorteil ebenso wie bei der iterativen Vermessung der Werkstückgeometrie, wenn die Werkstücke um jeweils vorgegebene Winkelschritte um die Werkstücklängsachse relativ zur Messeinrichtung gedreht werden.
Außerdem kann die Halteeinrichtung nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zum Positionieren der Werkstücke in axialer Richtung verwendet werden. Hierzu weist die Halteeinrichtung in vorteilhafter nicht nur Drehantriebseinrichtungen, sondern auch Linearantriebseinrichtungen auf, mit denen die Werkstück unabhängig voneinander in axialer Richtung verschoben bzw. um ihre Längsachse rotiert werden können. Für die synchrone Drehung sind die Rotationsantriebe vorzugsweise über eine Synchronisationseinrichtung verbunden. Insgesamt können durch eine derart ausgebildete Halteeinrichtung in vorteilhafter Weise alle für das Fügeverfahren erforderlichen translatorischen und rotorischen Bewegungen der Werkstücke realisiert werden.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass das Erhitzen und das anschließende Zusammenführen der Werkstückenden in jeweils eigenen optimalen Drehstellungen erfolgt. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn sich die zum eigentlichen Fügen, d.h. zum Zusammenführen der angeschmolzenen Werkstückenden, optimale Drehstellung hinsichtlich dem Erhitzen nicht als optimal erweist, also für das bloße Erhitzen eine bessere Drehstellung der Werkstücke zueinander existiert. Hierzu kann es also nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass die Werkstücke nach dem Erhitzen beim anschließenden Zusammenführen nicht nur in axialer Richtung bewegt werden, sondern auch gegeneiander gedreht werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Heizeinrichtung einen Laser, insbesondere einen CO₂-Laser, und/oder einen Gasbrenner und/oder einen Plasmabrenner auf. Das Laserfügen stellt jedoch die bevorzugte Technologie dar, da sich Laser durch eine gegenüber der Brennertechnologie deutlich verbesserte Energieeffizienz, wie auch durch einen besonders präzisen und lokal steuerbaren Energieeintrag auszeichnen. Dadurch werden insbesondere Spannungen im Material, insbesondere bei Glas, reduziert bzw. beherrschbar. Außerdem finden beim Laserfügen nahezu keine chemischen Materialbeeinflussungen in der Fügezone statt. Weiterhin zeichnen sich Laser in vorteilhafter Weise durch eine kurze Prozesszeit, insbesondere beim Fügen von Werkstücken mit kleinem Durchmesser und kleinen Wandstärken aus.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Heizeinrichtung zum Steuern der Leistung und/oder der Position und/oder der räumlichen Verteilung der eingebrachten Energie am Ort der Werkstückenden, d.h. in der Fügezone, ausgebildet ist. Insbesondere ist die Heizeinrichtung zum Steuern der Leistung und/oder radialen bzw. axialen Modeposition und/oder der Modengröße und/oder der Modenform des eingebrachten Laserlichts am Ort der zu fügenden Werkstückenden ausgebildet. Besonders bevorzugt erfolgt das Erhitzen in Abhängigkeit der gemessenen Werkstückgeometrien und/oder der eingestellten Fügeposition und/oder Drehstellung und/oder der gemessenen Temperatur im Fügebereich. Insgesamt wird dadurch in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Heiz- bzw. Schmelzprozess lokal gesteuert bzw. geregelt werden kann, um definiert Einfluss auf das Fügen und die Qualität der Fügenaht zu nehmen. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Laserstrahl in axialer Richtung über den Fügespalt in einer Art Zitterbewegung geführt wird, um so definiert die Wärmeeinflusszone zu regeln. Auf diese Weise können insbesondre auch Unregelmäßigkeiten im Verlauf des umlaufen Fügespalts beim Erhitzen berücksichtig werden.
Denkbar ist auch, die Laserintensität und/oder die Fokussierung des vorzugsweise radial auf die Werkstücke eingestrahlten Laserlichts je nach Geometrie der zu fügenden Werkstücke anzupassen. Auf diese Weise kann die Fügevorrichtung für unterschiedliche Werkstücke, insbesondere mit unterschiedlichen Wandstärken und Nenngrößen verwendet werden, wobei vorzugsweise jeweils der optimale Wärmeeintrag eingestellt werden kann.
Weiterhin ist denkbar, dass die Modenform des zum Erhitzen verwendeten Laserstrahls variierbar ist. Somit kann insbesondere die räumliche Verteilung der eingebrachten Energie am Ort der Werkstückenden beeinflusst werden. Denkbar sind neben Gauß’schen Moden auch Transversalmoden höherer Ordnung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur der Werkstücke, insbesondere im Bereich der Fügestelle, vorgesehen, die vorzugsweise mit der Steuereinrichtung in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise kann neben einer Steuerung auch eine Regelung der Fügestellenerhitzung realisiert werden. Hierzu ist die Steuereinrichtung in vorteilhafter Weise zum Ansteuern der Heizeinrichtung nicht nur in Abhängigkeit der gemessenen Werkstückgeometrie und/oder der eingestellten Fügeposition, sondern auch in Abhängigkeit der Temperatur der Werkstücke ausgebildet.
Durch gezielte Beeinflussung des Energieeintrags kann somit also gezielt die Qualität des Fügeprozesses in Abhängigkeit der konkret zu fügenden Werkstücke beeinflusst werden, wodurch sich ebenfalls Fehlproduktionen verringern lassen.
Um dem Benutzer der Fügevorrichtung das Einstellen der gewünschten Parameter zur Temperaturregelung, Werkstückpositionierung und Ermittlung der optimalen Fügeposition bzw. Drehstellung zu ermöglichen, ist es nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung und/oder die Steuereinrichtung jeweils Schnittstellen zum benutzerdefinierten Beeinflussen der Fügepositionsermittlung und/oder der Halteinrichtung und/oder der Werkstückpositionierung aufweisen.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken in isometrischer Ansicht,
2 die Vorrichtung gemäß 1 in Vorderansicht, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Messeinrichtung 7 nicht dargestellt ist, und
3 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß 1.
Die 1 bis 3 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken 2a, 2b entlang ihrer Längsachse S. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Werkstücken 2a, 2b um Glasrohre, die in einer Halteeinrichtung 3 eingespannt sind.
Die beiden zu fügenden Glasrohre 2a, 2b sind dabei in jeweils separaten Einspanneinrichtungen 4a, 4b aufgenommen, die auf einer gemeinsamen Trägerbank 10 aufgesetzt sind. Jede der beiden Einspannvorrichtungen 4a, 4b der Halteeinrichtung kann zwecks Anpassung an die Länge der zu fügenden Werkstücke entlang der Trägerbank 10 verschoben werden. Ferner weist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel jede der Einspanneinrichtung 4a, 4b eine eigene Antriebseinrichtung 11a, 11b zum Einspannen auf, mit deren Hilfe die Werkstücke in vorteilhafter Weise maschinell unterstützt eingespannt werden können, also insbesondere die Einspannbacken betätigt werden können.
Weiterhin weist die Halteeinrichtung 3 für jede der Einspannvorrichtungen 4a, 4b vorzugsweise jeweils separate Linearantriebseinrichtungen 14a, 14b auf, mit denen die eingespannten Werkstücke 2a, 2b jeweils separate in entlang der Längsachse S positioniert werden können. Ferner sind die Einspanneinrichtungen 4a, 4b dazu ausgebildet, die darin aufgenommenen Werkstücke 2a, 2b mit Hilfe von separaten Drehantriebseinrichtungen 12a, 12b um die Längsachse S zu drehen. Insbesondere können die Werkstücke 2a, 2b mit Hilfe der Halteeinrichtung relativ zueinander oder synchron miteinander um die Werkstücklängsachse S gedreht werden. Die Antriebseinrichtungen können beispielsweise Servoantriebe sein.
Des Weiteren ist zum thermischen Fügen der Werkstücke 2a, 2b eine Heizeinrichtung 5 zum Erhitzen der zu fügenden Werkstückenden vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Heizeinrichtung 5 im Wesentlichen aus einem Laser 6, beispielsweise einem CO₂-Laser, der einen Laserstrahl 6a senkrecht zur Werkstücklängsachse S von oben in den Bereich des Fügespaltes an den Werkstückenden einstrahlt. Dadurch werden die Werkstückenden in dem vom Laserlicht bestrahlten Bereich erhitzt und in Folge angeschmolzen.
Um einen möglichst gleichmäßigen Wärmeeintrag in die Werkstücke 2a, 2b zu erreichen, werden diese mit Hilfe der Halteeinrichtung 3 bzw. den Einspanneinrichtungen 4a, 4b während des Erhitzungsprozesses synchron miteinander um die Werkstücklängsachse S gedreht. Hierzu ist die Halteeinrichtung 3 vorzugsweise als Gleichlaufmaschine ausgebildet. Durch die synchrone Rotation der beiden Werkstücke 2a, 2b wird außerdem erreicht, dass die dabei entstehenden Fliehkräfte ein Zusammenfallen des geschmolzenen, weichen Glases nach innen während des Schmelzvorganges verhindern. Sobald die Werkstückenden stirnseitig ausreichend angeschmolzen sind, werden die Werkstücke 2a, 2b in axialer Richtung aufeinander zu bewegt, d.h. zusammengeführt und somit miteinander verschmolzen. Zur Vermeidung von Verschmelzspannungen im Material kann es weiterhin vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Werkstücke 2a, 2b, nachdem sie zunächst zusammengefügt wurden, d.h. sich das Material der beiden Werkstückenden miteinander verbunden hat, wieder um eine fest vorgegebene Distanz in axialer Richtung auseinander gefahren werden.
Vor dem eigentlichen thermischen Fügen der beiden Werkstücke 2a, 2b werden diese relativ zueinander ausgerichtet, um den für den Fügeprozess optimalen axialen Abstand der Werkstücke 2a, 2b zueinander und/oder eine im Wesentlichen koaxiale Ausrichtung der beiden Werkstücke 2a, 2b zueinander zu erreichen. Um die optimale axiale Fügeposition und/oder Drehstellung zu ermitteln, ist es erforderlich, zunächst die Geometrie und/oder Abmessung der Werkstückenden zu messen. Hierzu ist eine Messeinrichtung 7 vorgesehen, in deren Messfeld die Werkstücke 2a, 2b mit den stirnseitig zu fügenden Werkstückenden positioniert werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Messeinrichtung 7 ebenso auf der Trägerbank 10, insbesondere axial verschiebbar, angeordnet, so dass das Messfeld an die jeweilige Position der Fügestelle je nach Länge der zu fügenden Werkstücke 2a, 2b verfahren werden kann. Umgekehrt kann die Messeinrichtung 7 aber auch ortsfest angeordnet sein, während die Position der Einspannvorrichtungen 4a, 4b entlang der Längsachse S angepasst werden. Zum Messen werden dann die Werkstückenden mit Hilfe der Halteeinrichtung 3 in das Messfeld der Messeinrichtung 7 eingebracht. In vorteilhafter Weise erfolgt die Positionierung der Werkstückenden relativ zum Messfeld der Messeinrichtung 7 automatisch, beispielsweise indem die Messeinrichtung 7 automatisch erkennt, wenn die Werkstückenden in das Messfeld der Messeinrichtung 7 eingebracht werden. Weiterhin kann dann in vorteilhafter Weise noch, beispielsweise mit Hilfe der Linearantriebseinrichtung 14a, 14b, eine Nachpositionierung der Werkstückenden relativ zur Messeinrichtung 7 erfolgen, damit sich die Fügestelle bzw. die Werkstückenden in einer zuvor bestimmten, vorzugsweise für die Detektion bzw. das Vermessen optimalen Position relativ zur Messeinrichtung 7 befinden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Messeinrichtung 7 als Profilprojektionseinrichtung ausgebildet, die eine Beleuchtungseinheit 8 zum homogenen Beleuchten der Werkstückenden und eine Detektionseinheit 9, vorzugsweise eine CCD-Kamera, zur Detektion projizierten Werkstückkontur aufweist. Dabei sind also die zu vermessenden Werkstücke zwischen Detektionseinheit und Beleuchtungseinheit angeordnet. Bei der im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigten Projektionseinrichtung handelt es sich um ein kommerzielles System, wie es aus der Produktinformation „Keyence – 2D Inline-Messsysteme" der Keyene Corpoation, 1-3-14, Higashi-Nakajima, Higashi-Yodogawa-ku, Osaka, 533–8555, Japan, aus 2011, bekannt ist.
Die Vermessung der Werkstückenden folgt in bevorzugter Weise iterativ durch Profilprojektion aus unterschiedlichen radialen Richtungen. Hierzu werden die beiden zu vermessenden Werkstückenden pro Iterationsschritt jeweils um einen vorgegeben Winkel α, vorzugsweise um äquidistante Winkel, um die Werkstücklängsachse S gedreht und in jeder der eingestellten Winkelpositionen mit Hilfe der Messeinrichtung 7 abgebildet und vermessen. Für die Drehung der Werkstücke 2a, 2b um die Werkstücklängsachse S relativ zur Messeinrichtung 7 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel in vorteilhafter Weise die Halteeinrichtung 3 mit den Drehantriebseinrichtungen 12a, 12b verwendet. Zu diesem Zweck ist die Halteinrichtung 3 dazu ausgelegt, die eingespannten Werkstücke 2a, 2b präzise um jeweils vorgegebene Winkel in unterschiedliche Winkelpositionen zu drehen.
Aus den gemessenen Geometrien und Ausrichtungen der Werkstückenden zueinander kann dann beispielsweise nach dem zuvor beschriebenen Optimierungsverfahren eine optimale axiale Fügeposition und/oder Drehstellung der Werkstücke 2a, 2b zueinander ermittelt werden, mit dem Ziel, eine im Wesentlichen koaxiale Ausrichtung und/oder einen vorgegebenen axialen Abstand der Werkstücke 2a, 2b zueinander zu erreichen.
Hierbei ist es insbesondere möglich, dass bei der Ermittlung der optimalen axialen Fügeposition und/oder Drehstellung die zu erreichende koaxiale Ausrichtung und/oder der zu erreichende axiale Abstand der Werkstücke 2a, 2b zueinander gewichtet berücksichtigt werden. Die Gewichtung kann entweder manuell vom Benutzer gewählt werden oder ergibt sich nach zuvor festgelegten Bewertungskriterien aus den gemessenen Werkstückdaten, wie beispielsweise der Wandstärke und/oder dem Nenndurchmesser der Glasrohre 2a, 2b.
Zum Positionieren der Werkstückenden in der ermittelten Fügeposition ist eine hier nicht gezeigte Auswerteeinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise mit einer ebenso hier nicht gezeigten Steuereinrichtung verbunden ist. Die Steuereinrichtung selbst steht wiederum mit der Halteeinrichtung 3 in Wirkverbindung, um die Werkstückenden in der ermittelten Fügeposition zu positionieren. Ferner kann dann mithilfe der Steuereinrichtung und Halteeinrichtung 3 auch eine automatische Positionierung der Werkstückenden im Messfeld der Messeinrichtung 7 erfolgen, da die Messeinrichtung 7 in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Steuereinrichtung in Wirkverbindung steht.
So kann es in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Fügevorrichtung 1 weiterhin vorgesehen sein, dass nach Ermittlung der optimalen Drehstellung die beiden Werkstücke 2a, 2b mit Hilfe der Halteeinrichtung 3 in die entsprechende relative Winkelausrichtung zueinander gedreht werden. Zu dieser optimalen Winkelposition wird sodann der optimale axiale Abstand, d.h. die optimale axiale Fügeposition ermittelt, um beispielsweise einen zuvor definierten Fügespaltabstand zu erzielen.
Nachdem die Werkstückenden in der ermittelten axialen Fügeposition und/oder Drehstellung positioniert wurden, erfolgt das eigentliche thermische Fügen der Werkstücke 2a, 2b mit Hilfe des Lasers 6. Dieser wird hierzu zunächst auf die zu erwärmenden Werkstückenden in radialer und axialer Richtung ausgerichtet. Zum Positionieren des Lasers weist die Heizeinrichtung 5 eine hier nicht gezeigte Verstelleinrichtung auf, mit der der Laser entlang der Werkstücklängsachse S und senkrecht dazu in vertikaler Richtung positioniert werden kann. In Hinblick auf einen automatisierten Fügeprozess ist hierzu die Verstelleinrichtung in vorteilhafter Weise mit der Steuereinrichtung verbunden, damit der Laser 6 bzw. der Laserstrahl 6a auf die zuvor ermittelte optimale Fügeposition der Werkstückenden automatisch eingestellt werden kann.
In besonders vorteilhafter Weise ist es nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, dass die zu fügenden Werkstückenden in Abhängigkeit der gemessenen Werkstückgeometrien und/oder der eingestellten Fügeposition, insbesondere dem eingestellten Fügespalt, erhitzt werden. Um die genannten Parameter beim Schmelzprozess zu berücksichtigen, ist die Steuereinrichtung deshalb in vorteilhafter Weise zum Ansteuern der Heizeinrichtung 5 ausgebildet. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass beim Ansteuern mit Hilfe der Heizeinrichtung 5 die Leistung und/oder die Position und/oder die räumliche Verteilung der eingebrachten Energie am Ort der Werkstückenden gesteuert werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Heizeinrichtung 5 deshalb insbesondere zum Steuern der Leistung und/oder der radialen bzw. axialen Modenposition und/oder der Modengröße und/oder der Modenform des eingestrahlten Laserlichts am Ort der Werkstückenden ausgebildet.
Weiterhin ist eine Einrichtung 13 zum Messen der Temperatur der Werkstücke 2a, 2b, insbesondere der Werkstückenden, vorgesehen, die hier vorzugsweise ebenso mit der Steuereinrichtung in Wirkverbindung steht. Diese Temperaturmesseinrichtung kann beispielsweise, wie hier gezeigt, in Infrarot-Kamera sein, wodurch in vorteilhafter Weise ein berührungsloses Temperaturmessen der empfindlichen Glasbauteile ermöglicht wird. Durch die Temperaturmessung und Rückkopplung zur Steuereinrichtung lässt sich somit nicht nur eine Steuerung, sondern auch eine Regelung des Erwärmungs- bzw. Schmelzprozesses realisieren.
Um eine benutzerdefinierte Beeinflussung der Fügepositionsermittlung und/oder der Heizeinrichtung 5 und/oder der Werkstückpositionierung zu ermöglichen, weisen die hier nicht gezeigten Auswerteeinrichtungen und/oder die Steuereinrichtung jeweils Schnittstellen zur benutzerdefinierten Eingabe von Prozessparametern auf.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken
2a, 2b: Werkstücke, insbesondere Glasrohre
3: Halteeinrichtung
4a, 4b: Einspanneinrichtung
5: Heizeinrichtung
6: Laser
6a: Laserstrahl
7: Messeinrichtung
8: Beleuchtungseinheit
9: Detektionseinheit
10: Trägerbank der Halteeinrichtung
11a, 11b: Antriebseinrichtung zum Einspannen
12a, 12b: Drehantriebseinrichtung
13: Temperaturmessvorrichtung
14a, 14b: Linearantriebseinrichtung
S: Werkstücklängsachse
α: Drehwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008022259 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Keyence – 2D Inline-Messsysteme“ der Keyene Corpoation, 1-3-14, Higashi-Nakajima, Higashi-Yodogawa-ku, Osaka, 533–8555, Japan, aus 2011 [0018]
Produktinformation „Keyence – 2D Inline-Messsysteme“ der Keyene Corpoation, 1-3-14, Higashi-Nakajima, Higashi-Yodogawa-ku, Osaka, 533–8555, Japan, aus 2011 [0056]

Claims

Verfahren zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken (2a, 2b) entlang ihrer Längsachse (S), insbesondere zum Fügen von Glasrohren, gekennzeichnet durch folgende Schritte: • Positionieren der stirnseitig zu fügenden Werkstückenden in einer Messeinrichtung (7), • Messen der Geometrie und/oder Ausrichtung der Werkstückenden, • Ermitteln einer axialen Fügeposition und/oder einer Drehstellung der Werkstücke (2a, 2b) zueinander in Abhängigkeit der gemessenen Geometrien und/oder Ausrichtungen zum Erreichen einer im Wesentlichen koaxialen Ausrichtung und/oder eines vorgegebenen axialen Abstandes der Werkstückenden zueinander, • Positionieren der zu fügenden Werkstücke (2a, 2b) in der ermittelten axialen Fügeposition und/oder der ermittelten Drehstellung, • Fügen der Werkstücke (2a, 2b).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest vor dem Verfahrensschritt des eigentlichen Fügens gestoppt wird, wenn die Ausrichtung der Werkstücklängsachsen zueinander und/oder der axiale Abstand der Werkstückenden in der ermittelten axialen Fügeposition und/oder der ermittelten Drehstellung außerhalb eines jeweils vorgegebenen Toleranzbereiches liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückenden iterativ in einer vorgegebenen Anzahl von Schritten, vorzugsweise durch Profilprojektion, aus unterschiedlichen radialen Richtungen vermessen werden, wobei die zu vermessenden Werkstücke (2a, 2b) und/oder die Messeinrichtung (7) pro Iterationsschritt relativ zueinander jeweils um einen vorgegebenen Winkel (α), vorzugswiese um äquidistante Winkel, um die Werkstücklängsachse (S) gedreht werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro Iterationsschritt jeweils wenigstens der radiale und/oder axiale Abstand wenigstens einer vorgegebenen Kantenposition der jeweiligen Werkstückenden zu einem Referenzpunkt ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem eigentlichen Messen der Geometrie der Werkstückenden und/oder deren Ausrichtung die zu fügenden Werkstückenden in einem vorgegebenen Messfeld der Messeinrichtung (7), vorzugsweise durch Rückkopplung mit der Messeinrichtung (7), positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der axialen Fügeposition und/oder der Drehstellung die zu erreichende koaxiale Ausrichtung und/oder der zu erreichende axiale Abstand der Werkstückenden gewichtet berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (2a, 2b) durch Erhitzen und Zusammenführen der Werkstückenden gefügt werden, wobei den Werkstückenden die Energie zum Erhitzen vorzugsweise radial von einer Heizeinrichtung (5) zugeführt wird.
Verfahren nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Werkstücke (2a, 2b) beim Erhitzen und Zusammenführen synchron um die Werkstücklängsachse (S) gedreht werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückenden in Abhängigkeit der gemessenen Werkstückgeometrien und/oder der eingestellten Fügeposition und/oder der eingestellten Drehstellung erhitzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhitzen der Werkstückenden die Leistung und/oder der Ort und/oder die räumliche Verteilung der eingebrachten Energie am Ort der Werkstückenden in Abhängigkeit der gemessenen Werkstückgeometrien und/oder der eingestellten Fügeposition und/oder der eingestellten Drehstellung und/oder der Temperatur der Werkstückenden geregelt und/oder gesteuert wird.
Vorrichtung (1) zum Fügen von rotationssymmetrischen Werkstücken (2a, 2b) entlang ihrer Längsachse (S), insbesondere zum Fügen von Glasrohren, mit einer Halteeinrichtung (3) zumindest zum Aufnehmen und Positionieren der Werkstücke, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (7) zum Messen der Geometrie und/oder Ausrichtung der Werkstückenden sowie eine Einrichtung zum Auswerten der gemessenen Geometrien und/oder Ausrichtungen vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtung zum Erreichen einer im Wesentlichen koaxialen Ausrichtung und/oder eines vorgegebenen axialen Abstandes der Werkstückenden zueinander eine axiale Fügeposition und/oder eine Drehstellung der Werkstückenden zueinander in Abhängigkeit der gemessenen Geometrien und/oder Ausrichtungen ermittelt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinrichtung eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, die zumindest zum Positionieren der Werkstückenden in der ermittelten Fügeposition und/oder der ermittelten Drehstellung mit der Halteeinrichtung (3) in Wirkverbindung steht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (7) eine Profilprojektionseinrichtung mit einer Beleuchtungseinheit (8) zum Beleuchten der Werkstückenden und einer Detektionseinheit (9), vorzugsweise einer CCD-Kamera, aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (2a, 2b) mit Hilfe der Halteeinrichtung (3) relativ zueinander oder synchron miteinander um die Werkstücklängsachse (S) drehbar sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum thermischen Fügen der Werkstücke (2a, 2b) eine Heizeinrichtung (5) zum Erhitzen der Werkstückenden vorgesehen ist, die die zum Erhitzen benötigte Energie vorzugsweise radial zuführt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dass die Heizeinrichtung (5) einen Laser (6), insbesondere CO₂-Laser, und/oder einen Gasbrenner und/oder einen Plasmabrenner aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) zum Steuern der Leistung und/oder der Position und/oder der räumlichen Verteilung der eingebrachten Energie am Ort der Werkstückenden ausgebildet ist, insbesondere zum Steuern der Leistung und/oder der radialen bzw. axialen Modenposition und/oder der Modengröße und/oder der Modenform des eingebrachten Laserlichts (6a) am Ort der Werkstückenden.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, das eine Vorrichtung (13) zum Messen der Temperatur der Werkstücke (2a, 2b), insbesondere der Werkstückenden, vorgesehen ist, die vorzugsweise mit der Steuereinrichtung in Wirkverbindung steht.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zum Ansteuern der Heizeinrichtung (5) in Abhängigkeit der gemessenen Werkstückgeometrien und/oder der eingestellten Fügeposition und/oder der eingestellten Drehstellung und/oder der Temperatur der Werkstücke (2a, 2b) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Auswerteeinrichtung und/oder die Steuereinrichtung jeweils Schnittstellen zum benutzerdefinierten Beeinflussen der Fügepositionsermittlung und/oder der Heizeinrichtung (5) und/oder Werkstückpositionierung aufweisen.