DE10235855A1

DE10235855A1 - Verfahren zum Herstellen einer Karosserie

Info

Publication number: DE10235855A1
Application number: DE10235855A
Authority: DE
Inventors: Roland Oesterlein; Sönke KOCK
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-03-11
Also published as: WO2004014594A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Karosserie (20) für ein Fahrzeug. Der Zusammenbau solcher Karosserien (20) erfolgt aus vorgeformten Bauteilen, die hierfür mit Flanschen (21, 22, 24, 26) versehen sind. Diese werden mit Hilfe von Vorrichtungen zum Laserschweißen (2, 3, 4 und 5) über Steppschweißnähte (30) dauerhaft miteinander verbunden. Jede Steppschweißnaht (30) wird durch kurze, lineare Nahtelemente (31) gebildet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Zeitaufwand für die Ausbildung einer solchen Karosserie (20) dadurch reduziert, dass die Anzahl der auszubildenden Steppschweißnähte (30) und/oder deren Nahtelemente (31) unter Berücksichtigung der Symmetrie der Karosserie (20) gleichmäßig auf alle eingesetzten Vorrichtungen zum Laserschweißen (2, 3, 4, 5) aufgeteilt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Karosserie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren kommt bei der Fertigung von Karosserien von Straßenfahrzeugen, insbesondere von Personen- und Lastkraftwagen zur Anwendung. Diese werden aus vorgeformten Bauteilen gefertigt, für deren Herstellung eine aufschmelzbare Materiallegierung oder Kunststoff verwendet wird.
Die Bauteile werden beispielsweise mit Hilfe von Laserschweißvorrichtungen dauerhaft zusammengefügt, mit denen Stepp- oder Linienschweißnähte ausgebildet werden können. Eine Steppschweißnaht besteht aus einer Reihe kurzer, linearer Nahtelemente, die in einem vorgebaren Abstand aneinandergereiht werden. Steppschweißnähte können durch den Strahl einer abwechselnd an- und abgeschalteten Laserquelle erzeugt werden. Der Strahl der Laserquelle wird auf die Oberfläche der zu verbindenden Bauteile fokussiert. Hierzu ist eine geeignete optische Einrichtung zum Führen des Strahls erforderlich. Diese Einrichtung kann beispielsweise aus Spiegeln, Glasfasern, optischen Linsen oder Linsengruppen bestehen, und wird in einem Schweißkopf untergebracht, der von einem Roboter geführt wird. Dieser bewegt den Schweißkopf in kontinuierlicher oder unterbrochener Bewegung entlang der Strecke, entlang derer die Bauteile zu verbinden sind. Durch den Strahl der Laserquelle wird das Material der zu verbindenden Bauteile lokal verschweißt. Um dauerhaft feste Steppschweißnähte zu erhalten, ist es erforderlich, dass die zu verbindenden Bauelemente mit einem definierten Druck gegeneinander gepresst werden, so dass im Schweißbereich kein oder nur ein kleiner Spalt zwischen den Bauteilen besteht. Hierfür sind Andruckrollen oder als Klemmen ar beitende Rollenpaare vorgesehen, zwischen den die zu verbindenden Bauteile während der Ausbildung einer Steppschweißnaht lokal geklemmt werden. Die Rollenanordnung wird so am Roboterendeffektor montiert, dass das Aufeinanderpressen der Werkstücke jeweils nahe an der Schweißung stattfindet. Um Kosten zu sparen, werden gelegentlich zwei mit jeweils einer Laserschweißvorrichtung ausgerüstete Roboter mit einer gemeinsamen Laserquelle betrieben. Der Strahl der Laserquelle wird dabei über eine optische Strahlweiche alternierend an den einen bzw. den anderen Roboter geleitet. Wegen der hohen Leistungsdichte des verwendeten Laserstrahls ist die erzielbare Schweißgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Schweißverfahren groß, wobei die Bauteile nur eine geringe Wärmebelastung erfahren. In Abhängigkeit von der verwendeten Laserquelle, den Materialien aus denen die zu verbindenden Bauteile hergestellt sind, und deren Dicke, können Schweißgeschwindigkeiten zwischen 10mm/s und 200mm/s erreicht werden. Während des Schweißvorgangs wird der Roboterendeffektor weiterbewegt, was bevorzugt mit nahezu konstanter Geschwindigkeit erfolgt. Häufige Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge werden beim Schweißen weitgehend vermieden, wodurch die gesamte Zeit, die zum Verbinden der Bauteile erforderlich ist, verkürzt wird.
Karosserien der eingangs genannten Art wurden in der Vergangenheit auch mit Hilfe des Widerstandspunktschweißens gefertigt. Hierbei wird durch einen elektrischen Strom eine lokale Erhitzung der zu verbindenden Bauteile bewirkt, die während des Vorgangs mit einer Schweißzange zusammengepresst werden. Die Bauteile werden dabei örtlich angeschmolzen. Zur automatisierten Positionierung der Schweißzange wird diese üblicherweise an einem programmierbaren Roboter montiert. Beim Widerstandspunktschweißen muss zwischen den einzelnen Schweißvorgängen sowohl eine Positionierbewegung des Roboters zum nächsten Schweißpunkt, als auch eine Klemmbewegung der Zange erfolgen. Während des Schweißvorgangs muss der Roboter still stehen. Zusammen mit der Zeit, die für den Punktschweißvorgang erforderlich ist, ergeben sich Zykluszeiten von beispielsweise 1,5s bis 3s pro Schweißpunkt. Zur Erzeugung von 300 bis 600 Schweißpunkten, wie sie häufig im Bereich von Tür- und Fensteröffnungen einer Karosserie erzeugt werden müssen, ist hierfür eine Gesamtzeit in der Größenordnung von 450s bis 1800s pro Karosserie erforderlich. Für eine häufig angestrebte Zykluszeit von maximal 60 Sekunden pro Karosserie sind darum meist 10 bis 30 Roboter mit Schweißzangen und Stromquellen erforderlich. Die Roboter werden mit Schweißzangen und Stromquellen erforderlich. Die Roboter werden üblicherweise auf drei bis zehn Schweißzellen aufgeteilt, wofür ein erheblicher Platzbedarf in der Produktionsumgebung erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Anzahl der Roboter, der Platzbedarf und der Zeitaufwand sowie die Kosten für die Ausbildung von Karosserien der eingangs genannten Art weiter minimiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen einer Karosserie,
2 die Seitenansicht einer Karosserie,
3 der Arbeitsablauf von zwei an eine gemeinsame Laserquelle anschließbare Schweißroboter.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit vier Robotern 2, 3, 4, 5, zwei Laserquellen 6 und 7 und einer Steuereinheit 8. Die vier Roboter 2, 3, 4 und 5 sind für den Zusammenbau einer Karosserie 20 vorgesehen. Bei dem hier dargestellt Ausführungsbeispiel handelt es sich um die Karosserie 20 eines Personenkraftwagens. Jeweils zwei Roboter 2, 3 bzw. 4, 5 sind zu einem Roboterpaar 2P und 4P zusammengefasst. 2 zeigt eine Seitenansicht diese Karosserie 20. Die vier Roboter 2, 3, 4 und 5 werden bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dazu verwendet, Bauteile der Karosserie 20 miteinander zu verbinden, welche die Öffnungen der Karosserie 20 begrenzen. Die Bauteile der Karos serie 20 sind hierfür mit glatten Überlappflanschen 21, 22, 24, 26 versehen. Die Verbindung der Bauteile erfolgt über die Überlappflansche 21, 22, 24 und 26. Diese werden mit Hilfe von Steppschweißnähten 30 verbunden, wie in 2 gezeigt. Jede Steppschweißnaht 30 besteht aus der Aneinanderreihung kurzer, linearer Nahtelemente 31, die hierbei eine Länge von 10mm bis 30mm aufweisen. Zwischen jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgenden Nahtelementen 31 ist ein Freiraum 50 vorgesehen, wie den 2 und 3 zu entnehmen ist.
Jedem der vier Roboter 2, 3, 4, 5 ist jeweils einer Vorrichtung zum Laserschweißen (hier nicht dargestellt) zugeordnet. Die Anzahl der auszubildenden Schweißnähte 30 und/oder die Anzahl der auszubildenden Nahtelemente 31 wird, so weit das möglich ist, gleichmäßig auf die vier Roboter 2, 3, 4 und 5 aufgeteilt. Dieses wird dadurch erreicht, daß jedem der Roboter 2, 3, 4, 5 ein in etwa gleich langer Abschnitt der zu verschweißenden Flansche 21, 22, 24, 26 als Schweißaufgabe zugeordnet wird. Daraus folgen gleiche Bewegungszeiten für alle Roboter 2, 3, 4 und 5 bei der Ausbildung der Schweißnähte 30. Wie 1 zu entnehmen ist, sind die beiden Roboter 2 und 3 bzw. 4 und 5 im Abstand einander gegenüberliegend so angeordnet, dass zwischen ihnen die Karosserie 20 angeordnet werden kann. Jeweils zwei der Roboter 2 und 4 bzw. 3 und 5 sind beidseitig der Karosserie 20 angeordnet. Wie 1 ferner zeigt, werden die Vorrichtungen zum Laserschweißen, die den beiden im Heckbereich der Karosserie 20 positionierten Robotern 2 und 3 zugeordnet sind, alternierend von der gemeinsamen Laserquelle 6 aus versorgt. Mit der Laserquelle 7 werden die beiden Vorrichtungen zum Laserschweißen alternierend verbunden, die den Robotern 4 und 5 im Frontbereich der Karosserie 20 zugeordnet sind. Zum Ausbilden eines jeden Nahtelements 31 wird der Strahl einer jeden Laserquelle 6, 7 über einen Schweißkopf, der mit einer hierfür geeigneten Optik ausgerüstet ist (hier nicht dargestellt), und der am freien Ende eines jeden Roboterarms 2A, 3A, 4A, 5A installiert ist, immer nur für eine bestimmt Zeit auf einen definierten Bereich auf der die Oberfläche eines Flansches 21, 22, 24, 26 gerichtet. Es handelt sich hierbei genau um die Zeit, die zur Ausbildung eines Nahtelements 31 erforderlich ist. Um die Strahlen der Laserquellen 6, 7 für eine definierte Zeit einer definierten Vorrichtung zum Laserschweißen zuordnen zu können, sind die Laserquellen 6, 7 hiefür mit optischen Strahlweichen (hier nicht dargestellt) ausrüstet. Das Betätigen der Strahlweichen und die Bahnsteuerung der Roboter 2, 3, 4 und 5 erfolgt von der Steuereinheit 8 aus. Die Steuereinheit 8 kann beispielsweise als Prozessor ausgebildet sein. In der Steuereinheit 8 sind alle hierfür erforderlichen Steuerprogramme gespeichert. Sie können bei Bedarf auch erweitert werden. Das gilt auch für die Anzahl von vier Robotern 2, 3, 4, 5 in der Vorrichtung 1. Diese ist nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann sie auch paarweise erhöht werden. In diesem Fall ist auch die Zahl der Laserquellen so zu erhöhen, dass wiederum für zwei Roboter eine Laserquelle zur Verfügung steht. Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 ist so dimensioniert, dass die vier Roboter 2, 3, 4 und 5 sowie die Karosserie 20 gemeinsam in einer Schweißzelle (hier nicht dargestellt) angeordnet werden können. Die Laserquellen 6 und 7 und die Steuereinheit 8 werden vorzugsweise außerhalb der Schweißzelle angeordnet.
In 3 ist der Arbeitsablauf der beiden Roboter 2, 3 schematisch dargestellt. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird zunächst dem Roboter 3 der Strahl der Laserquelle 6 zugeführt. Er wird entlang von Bauteilen einer Karosserie (hier nicht dargestellt) bewegt, die miteinander zu verbinden sind. Die Geschwindigkeit des Roboters 3 beträgt bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel 30mm/s bis 200mm/s. Dabei wird ein erstes kurzes lineares Nahtelement 31 mit einer Länge zwischen 10mm und 30mm ausgebildet. Anschließend wird der Strahl der Laserquelle 6 dem Roboter 2 zuführt. Der Roboter 2 wird nun ebenfalls mit einer Geschwindigkeit zwischen 30mm/s und 200mm/s entlang von Bauteilen der Karosserie (hier nicht dargestellt) bewegt. Mit Hilfe des Roboters 2 wird ebenfalls ein Nahtelement 31 ausgebildet, das zwischen 10 und 30 mm lang ist. Zwischen jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgenden Nahtelementen 31 verbleibt ein Freiraum 50, der etwas länger ist als die Länge eines Nahtelements 31 ist. Die Länge der Freiräume 50 kann bei Bedarf auch größer gewählt werden. Um die Bauteile während der Ausbildung der Steppschweißnähte 30 mit einer definierten Kraft zusammenpressen zu können, was hierfür unbedingt erforderlich ist, ist am freien Ende eines jeden Roboterarms 2A, 3A, 4A und 5A eine Klemm- oder Anpressvorrichtung (hier nicht dargestellt) installiert. Diese weist beispielsweise zwei oder mehrere Rollen auf, zwischen denen die zu verbindenden Bauteile im Bereich der auszubildenden Nahtelemente 31 spaltfrei oder mit geringem Spalt gehalten werden. Während mit dem Roboter 2, 3 ein Nahtelement 31 ausgebildet wird, wird der Roboter 2, 3 an die Stelle verfahren, an der das nächste Nahtelement 31 beginnt. Das Positionieren des Roboters 2, 3 darf nicht länger dauern als die Ausbildung des Nahtelements 31. Das bedeutet, dass der Roboter 2, 3 mit einer Geschwindigkeit über den Freiraum 50 hinweg bewegt werden muss, die größer ist als die Schweißgeschwindigkeit.
Das Verbinden von Bauteilen der Karosserie 20 über ihre Flansche 21, 22, 24, 26 erfolgt unter der Verwendung der gesamten Vorrichtung 1 in gleicher Weise wie für die Roboter 2 und 3 erläutert, und in 3 dargestellt. Alle Flansche 21, 22, 24, 26 werden über Steppschweißnähte 30 miteinander verbunden, die eine Vielzahl von Nahtelementen 31 aufweisen. Die Roboter 2 und 3 werden in diesem Fall zum Verbinden von Flanschen 21 und 22 eingesetzt, während die Roboter 4 und 5 zum Verbinden von Flanschen 24 und 26 genutzt werden. Die Laserstrahlung für die Schweißvorrichtungen der Roboter 2 und 3 kommt von der Laserquelle 6, während die Schweißvorrichtungen der Roboter 4 und 5 ebenfalls alternierend von der Laserquelle 7 versorgt werden.
Bei den Ausführungsbeispielen, die in den 1, und 2 dargestellt sind, wird davon ausgegangen, dass jeder der Flansche 21, 22, 24, 26 eine Länge von 5380mm hat. Jedes Nahtelement 31 weist hierbei eine Länge von 15mm auf. Zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Nahtelementen 31 ist ein Freiraum 50 von 20mm vorgesehen, und jeder Roboter 2, 3, 4, 5 bewegt sich beim Ausbilden eines jeden Nahtelements 31 mit einer Geschwindigkeit von 100mm/sec weiter. Daraus folgt, dass zum Verbinder der Flansche 21, 22, 24, 26 etwa 153 Nahtelemente 31 auszubilden sind. Bei einer Geschwindigkeit der Roboter 2, 3, 4, 5 von 100mm/s beim Schweißen bedeutet das, dass alle Flansche 21, 22, 24 und 26 in weniger als 60 Sekunden dauerhaft verbunden sind.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst sie alle Variationen des Verfahrens, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Karosserie (20) für ein Fahrzeug, wobei der Zusammenbau der Karosserie (20) aus vorgeformten Bauteilen mit Flanschen (21, 22, 24, 26) erfolgt, die über Steppschweißnähte (30) dauerhaft verbunden werden, und jeder zum Schweißen verwendete Strahl einer Laserquelle (6, 7) alternierend jeweils zwei Vorrichtungen zum Laserschweißen (2, 3, 4 und 5) zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der auszubildenden Steppschweißnähte (30) und/oder deren Nahtelemente (31) unter Berücksichtigung der Symmetrie der Karosserie (20) gleichmäßig auf alle eingesetzten Vorrichtungen zum Laserschweißen (2, 3, 4, 5) aufgeteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der auszubildenden Steppschweißnähte (30) und/oder deren Nahtelemente (31) unter Berücksichtigung der Symmetrie der Karosserie (20) gleichmäßig auf wenigstens zwei Paare von Robotern (2P bzw. 4P) aufgeteilt wir, dass jedem Roboter (2, 3, 4, 5) eines Paares von Roboteren (2P, 4P) eine Vorrichtung zum Laserschweißen zugeordnet wird, und dass das erste Paar von Robotern (2P) im Heckbereich der Karosserie (20) und das zweite Paar von Robotern (4P) im Frontbereich der Karosserie (20) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Steppschweißnähte (30) und/oder deren Nahtelemente (31) so auf jedes Paar von Robotern (2P bzw 4P) aufgeteilt wird, dass sich die Roboter (2 und 3 bzw. 4 und 5) paarweise mit gleicher Geschwindigkeit bewegen und beide Paare von Robotern (2P bzw. 4P) die Ausbildung der Steppschweißnähte (30) gleichzeitig beginnen und beenden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Roboter (2, 4) eines jeden Paares (2P, 4P) auf der ersten Seite der Längsachse und der zweite Roboter (3, 5) dieses Paares (2P, 4P) auf der zweiten Seite der Längsachse der Karosserie (20) angeordnet wird, dass jedem Paar von Robotern (2P, P) die gleiche Anzahl von auszubildenden Steppschweißnähten (30) und/oder Nahtelementen (31) zugeordnet wird, und dass diese Anzahl wiederum gleichmäßig auf jeden Roboter (2, 3 bzw. 4, 5) eines jeden Paares (2P, 4P) aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dass zum Ausbilden der Steppschweißnähte (30) für zwei Paare (2P bzw. 4P) von Robotern (2, 3, 4 und 5) zwei Laserquellen (6, 7) verwendet werden, dass jede Vorrichtung zum Laserschweißen eines Roboters (2, 3, 4 und 5) während der Ausbildung der Steppschweißnähte (30) über eine Strahlweiche immer für einen definierten Zeitraum an wenigstens eine der beiden Laserquellen (6, 7) angeschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betätigen der Roboter (2, 3, 4 und 5), der Laserquellen (6 und 7) und der Strahlweichen der Laserquellen (6, 7) eine Steuereinheit (8) verwendet wird, in der alle erforderlichen Steuerprogramme gespeichert werden.