DE19600309C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Werkstück-Lageerkennung beim Heftschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Werkstück-Lageerkennung beim Heftschweißen eines Werkstücks an ein Basiselement mittels eines Handling-Geräts, z. B. eines Industrie-Roboters, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Aus der nachveröffentlichten DE 44 29 000 A1, deren Inhalt zum Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung gehört, ist bekannt, ein Werkstück mittels eines Heftgreifers, der an einem Handling-Gerät, z. B. einem Industrie-Roboter, befestigt ist, zu ergreifen und in Richtung eines Basiselements, z. B. einer Kraftfahrzeugkarosserie, zu bewegen und dort an der dafür vorgesehen Stelle aufzusetzen. Befindet sich das Werkstück an der gewünschten Position am Basiselement, wird es dort mittels lokaler Verschweißung angeheftet.

Zum problemlosen Ergreifen müssen die Werkstücke lageorientiert im Arbeitsbereich des Handling-Geräts vereinzelt bereitgestellt werden. Sie können dann mit dem Heftgreifer des Handling-Geräts ergriffen und an den durch die konstruktiv vorgesehenen Koordinaten vorgegebenen Ort am Basiselement positioniert werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß zwar das Werkstück problemlos ergriffen werden kann, jedoch das Basiselement nicht immer exakt positioniert ist. Bei verschobenem Basiselement tritt das Problem auf, daß der gewünschte Ort, an dem das Werkstück angeheftet werden soll, ebenfalls von den konstruktiv vorgesehenen Koordinaten abweicht. Das Werkstück kann dann nicht mehr optimal am Basiselement positioniert und angeheftet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem bzw. der Werkstücke auch an einem Basiselement dann exakt positioniert und angeheftet werden kann, wenn das Basiselement eine von der gewünschten Lage abweichende Position einnimmt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zum Heftschweißen eines Werkstücks an einem Basiselement mittels eines Handling-Geräts dadurch gelöst, daß das Werkstück mittels eines Heftgreifers des Handling-Geräts ergriffen, zum Basiselement transportiert und an der gewünschten Stelle aufgesetzt wird, daß beim Aufsetzen des Werkstücks ein Linearantrieb des Heftgreifers betätigt wird, daß der Hub des Linearantriebs über ein Weg-Meß-System als Ist-Wert ermittelt wird, daß die Differenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert des Linearantriebs als Koordinatenverschiebungsvektor berechnet wird und daß dieser Koordinatenverschiebungsvektor den Arbeitskoordinaten des Heftgreifers überlagert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also vor, das Werkstück, welches mit dem Heftgreifer ergriffen worden ist, über den Heftgreifer auf das Basiselement aufzusetzen und zwar unabhängig davon, welche Position das Basiselement einnimmt. Positionskorrekturen werden dadurch vorgenommen, daß der Heftgreifer einen Linearantrieb aufweist, der beim Aufsetzen des Werkstücks auf das Basiselement betätigt wird. Dabei ist z. B. in einer Ausführungsform vor dem Aufsetzen des Werkstücks auf das Basiselement der Linearantrieb vollständig ausgefahren und wird bei der Zustellung des Handling-Geräts in Richtung auf das Basiselement nach dem Aufsetzen des Werkstücks durch die weitere Zustellung des Handling-Geräts um diesen Betrag eingefahren. In diesem Falle ist der Linearantrieb passiv. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Linearantrieb zunächst vollständig eingefahren und das Werkstück wird über das Handling-Gerät in den Bereich der Position am Basiselement transportiert, wobei die Zustellung des Werkstücks dann durch Ausfahren des Linearantriebs erfolgt. Die Vorpositionierung des Werkstücks durch das Handling-Gerät ist so gewählt, daß für das Aufsetzen des Werkstücks der Linearantrieb nicht vollständig ausgefahren werden muß. In diesem Fall ist der Linearantrieb aktiv.

In beiden Fällen ist nach dem Aufsetzen des Werkstücks der Linearantrieb teilweise ein- bzw. ausgefahren. Die Position des Linearantriebs wird dann über ein Weg-Meß-System ermittelt und der Ist-Wert wird über einen Sensor aufgenommen und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Entspricht der Ist-Wert dem Soll-Wert, dann befindet sich das Basiselement in der gewünschten Position. Weicht jedoch der Ist-Wert vom Soll-Wert ab, befindet sich das Basiselement in einer verschobenen Lage und die Differenz wird als Koordinatenverschiebungsvektor ermittelt. Dieser Koordinatenverschiebungsvektor kann nun den Arbeitskoordinaten des Heftgreifers überlagert werden, so daß die weiteren, am Basiselement zu befestigenden Werkstücke mit diesen neuen Koordinaten zugestellt werden.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren hat den wesentlichen Vorteil, daß nun eine Vielzahl von Werkstücken auch dann auf ein Basiselement aufgesetzt und angeheftet werden kann, wenn sich das Basiselement nicht in der vorgeschriebenen Position befindet. Es sei angemerkt, daß z. B. bei Kraftfahrzeugkarosserien Abweichungen bis zu ±5 mm möglich sind.

Ein weiterer Vorteil wird dadurch erzielt, daß der Koordinatenverschiebungsvektor dem Antrieb einer Fertigschweißeinrichtung zugeführt und den Positionskoordinaten der Fertigschweißeinrichtung überlagert wird. Auf diese Weise kann das angeheftete Werkstück unmittelbar nach dem Heftvorgang entweder in der gleichen Station oder in einer nachfolgenden Station fertiggeschweißt werden, wobei durch die Korrektur der Positionskoordinaten der Fertigschweißeinrichtung durch den Koordinatenverschiebungsvektor eine exakte Schweißung möglich ist, d. h. also auch bei außerhalb der gewünschten Position sich befindenden Bauteilen. Nahtverfolgungssysteme können also - zumindest teilweise - entfallen.

Eine Ausführungsform sieht vor, daß der Linearantrieb hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigt wird.

Entsprechend ist der die Auslegung des Linearantriebs erfassende Sensor ausgebildet. Die Positionierung des Handling-Geräts ist vorteilhaft so gewählt, daß beim Aufsetzen des Werkstücks auf das Basiselement der Linearantrieb zwischen 10% und 90%, bevorzugt, zwischen 40% und 60% und insbesondere 50% seines Stellweges eingefahren wird. Bei exakt positioniertem Basiselement wird der Linearantrieb zu 50% eingefahren, so daß nach beiden Richtungen die maximal zulässige Abweichung von z. B. ±5 mm nutzbar ist. Das heißt, der Linearantrieb muß in jedem Fall einen größeren Verstellweg aufweisen als die maximalen Toleranzen des Gesamtsystems (Basis- und Anschweißteil) in der Summe bilden können.

Bevorzugt wird der Koordinatenverschiebungsvektor zwischengespeichert, so daß er für weitere, am gleichen Basiselement zu befestigende Werkstücke oder für eine integrierte oder separat aufgestellte Fertigschweißeinrichtung abrufbar ist. Außerdem ist der Koordinatenvektor bevorzugt dem jeweiligen Anschweißteil und somit dessen Lage zugeordnet.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch mit einer Vorrichtung zum Durchführen des vorstehenden Verfahrens gelöst, wobei die Vorrichtung ein Handling-Gerät, z. B. in Form eines Industrie-Roboters, einen Heftgreifer zum Ergreifen und Heftschweißen eines Werkstücks am Basiselement, wobei der Heftgreifer mit einem Linearantrieb und einem Weg-Meß-System versehen ist, und einer Auswerteeinheit, die die durch das Weg-Meß-System erfaßte Ist-Position des Heftgreifers ermittelt, und eine Datenverarbeitungsanlage oder ein Datenverarbeitungsprogramm in einer bereits verfügbaren Steuerung zum Berechnen eines Koordinatenverschiebungsvektors durch Vergleich der Ist-Position mit der Soll-Position des Heftgreifers nach dem Aufsetzen des Werkstücks auf das Basiselement aufweist.

Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das oben beschriebene Verfahren durchgeführt werden. Mittels der Auswerteeinheit wird der aktuelle Ort des auf das Basiselement aufgesetzten Werkstücks ermittelt und über die Datenverarbeitungsanlage wird die Abweichung dieser Ist-Position von der Soll-Position berechnet und ein Koordinatenverschiebungsvektor gebildet. Dieser Koordinatenverschiebungsvektor wird dann den Positionskoordinaten des Heftgreifers überlagert, so daß die weiteren am Basiselement zu befestigenden Werkstücke problemlos angeheftet werden können.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß das Handling-Gerät außerdem mit einer Fertigschweißeinrichtung bestückt ist bzw. durch einen Werkzeugwechsel bestückt werden kann. An diese Fertigschweißeinrichtung wird somit ebenfalls der Koordinatenverschiebungsvektor übermittelt, so daß das angeheftete Werkstück exakt angeschweißt werden kann.

Es sind Übertragungsmittel vorgesehen, mit denen der Koordinatenverschiebungsvektor von der Datenverarbeitungsanlage oder von der Heftgreifer-Steuerung zum Antrieb bzw. zu einer Steuerung eines Antriebs der Fertigschweißeinrichtung übertragen wird. Auf diese Weise wird das Programm der Fertigschweißeinrichtung um den Koordinatenverschiebungsvektor korrigiert, wodurch die Fertigschweißeinrichtung an die Ist-Position des Werkstücks angepaßt wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben wird.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Handling-Geräts nach dem Ergreifen eines Werkstücks;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Handling-Geräts beim Anheften eines Werkstücks;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Handling-Geräts beim Fertigschweißen des angehefteten Werkstücks;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Heftvorganges; und

Fig. 5 ein Diagramm, den Weg des Werkstücks S, den Schweißstrom I und die Schweißspannung U zeigend.

In der Fig. 1 ist insgesamt mit 1 ein Handling-Gerät, insbesondere ein Industrie-Roboter, dargestellt, der einen Arm 2 aufweist, an dessen freiem Ende ein Heftgreifer 3 sowie ein MSG-Schweißbrenner 4 befestigt sind. Mit dem Heftgreifer 3 kann ein lageorientiert ausgerichtetes Werkstück 5 ergriffen und mittels des Arms 2 zu einem Basiselement 6 bewegt werden. Das Basiselement 6 wird über geeignete Aufnahmevorrichtungen gehalten, so daß es innerhalb enger Toleranzen nahezu immer die gleiche Position aufweist. Mit strichpunktierten Linien ist eine obere Toleranzgrenze 7 und eine untere Toleranzgrenze 8 einer Werkstückoberfläche 9 des Basiselements 6 angedeutet. Auf diese Werkstückoberfläche 9 muß das Werkstück 5 aufgesetzt und mittels des Heftgreifers 3 angeheftet werden. Die Zustellung X1 des Werkstücks 5 auf die Werkstückoberfläche 9 erfolgt dabei durch Verschwenkung des Arms 2.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Heftgreifer 3 einen Linearantrieb 10 auf, der vor dem Aufsetzen des Werkstücks 5 auf die Werkstückoberfläche 9 ausgefahren ist (siehe Fig. 4a). Sobald das Werkstück 5 auf der Werkstückoberfläche 9 aufsitzt (Fig. 4b), wird der Linearantrieb 10 eingeschoben, da das Handling-Gerät 1 den Heftgreifer 3 noch weiter in Richtung auf das Basiselement 6 bewegt. Dieses Einschieben des Linearantriebs 10 wird vom Weg-Meß-System registriert. Das Handling-Gerät 1 ist so programmiert, daß der Linearantrieb 10 bei konstruktiver Ideallage der Werkstückoberfläche 9 (Nennlage oder Sollposition) zu etwa 50% seines gesamten Stellweges, der etwa 50 mm beträgt, eingeschoben wird. Diese Lage ist in Fig. 4c dargestellt. Da in dieser Lage des Heftgreifers 3 die Position des Werkstücks 5 und somit des Linearantriebs 10 direkt von der Lage des Basiselements 6 abhängt, kann der Sensor einen Ist-Wert ermitteln, der von einem Soll-Wert X0 abweicht. Im Diagramm der Fig. 5 ist mit X2 die Differenz des Weges S dargestellt, die zwischen der Ist-Position der Werkstückoberfläche 9 und der Soll-Position vorherrscht. Aus dieser Differenz X2, die der Sensor ermittelt, wird ein Koordinatenverschiebungsvektor X2 gebildet, der den Positionskoordinaten des Heftgreifers 3 überlagert wird. Nach der Überlagerung kann das Werkstück 5 gegenüber dem Basiselement 6 so bedient werden, als ob das Basiselement 6 lagerichtig positioniert wäre. Der Koordinatenverschiebungsvektor X2 wird bezogen auf das Basiselement 6 zwischengespeichert.

Das Heftschweißen, welches nach dem Aufsetzen des Werkstücks 5 auf die Werkstückoberfläche 9 des Basiselementes 6 erfolgt, ist in den Fig. 4d und 4e dargestellt. Nach dem Aufsetzen des Werkstücks 5 fließt ein Vorstrom 11 (Fig. 5) über die Greiferbacken des Heftgreifers 3 und das Werkstück 5 zur Werkstückoberfläche 9. Der Linearantrieb 10 zieht nun das Werkstück 5 um den programmierten Schweißhub X3 von der Werkstückoberfläche 9 ab, wodurch ein ortsfester Lichtbogen entsteht. Durch Erhöhung des Vorstroms 11 auf den eigentlichen Hauptschweißstrom 12 bilden sich Schweißschmelzen am Werkstück 5 und am Basiselement 6. Der Werkstoff wird dabei im Lichtbogen ionisiert und neigt zur Tropfenbildung. Der programmierte Schweißstrom I bleibt dabei konstant, wobei die Spannung 13 abhängig vom Hub variiert. Nach Erreichen der gewünschten Schweißenergie beschleunigt der Linearantrieb 10 das Werkstück 5 in Richtung auf die Werkstückoberfläche 9. Zielpunkt der Wegstrecke s ist die programmierte Eintauchtiefe X4 in die Schmelze, abhängig vom entstandenen Abbrand. Damit ist der Heftschweißvorgang beendet.

Durch Überlagerung des Koordinatenverschiebungsvektors X2 auf die programmierten Koordinaten des Heftgreifers 3 bedarf es keiner Änderung des Schweißhubs X3 und der Eintauchtiefe X4.

Der ermittelte Koordinatenverschiebungsvektor X2 wird an die Steuerung des MSG-Schweißbrenners 4 weitergegeben, so daß dessen Koordinaten entsprechend korrigiert werden können. Auf diese Weise kann der Schweißbrenner 4 mit den korrigierten Koordinaten das geheftete Werkstück 5 unmittelbar mit dem gleichen Handling-Gerät 1, wie in Fig. 3 dargestellt, oder mit einem anderen Handling-Gerät angeschweißt werden. Auf diese Weise wird die Möglichkeit geschaffen, die gehefteten Werkstücke 5 ohne Nahtverfolgungssysteme fertig zu schweißen, da die Form- und Lagetoleranzen bezogen auf das Basiselement 6 im Koordinatenverschiebungsvektor X2 vorliegen und die restlichen fünf Toleranz-Freiheitsgrade von der hohen Genauigkeit des Handling-Geräts 1 und den kleinen Werkstückformtoleranzen abhängig sind, so daß es sich anbietet, mit einem zusätzlich am Handling-Gerät 1 befestigten Schweißbrenner 4 die Werkstücke 5 direkt fertig zu schweißen. Dabei werden die Hauptpunkte des Bahnschweißprogramms um den Koordinatenverschiebungsvektor X2 transferiert. Aufwendige Nahtverfolgungssysteme entfallen und das aus diesem Grund oftmals nicht als praktikabel angesehene Roboter-Schutzgasbahnschweißen ist prozeßsicher und hochwirtschaftlich realisierbar.

Ist es, wie bereits erwähnt, aufgrund von Platzproblemen nicht möglich, den Schweißbrenner 4 am gleichen Handling-Gerät 1, das die Werkstücke 5 anheftet, anzuflanschen oder ist es aufgrund von bspw. Taktzeitproblemen nicht möglich, einen Werkzeugwechsel vorzunehmen, besteht die Möglichkeit, den auf das Basiselement 6 bezogenen Koordinatenverschiebungsvektor X2 an ein oder mehrere Handling-Geräte zu transferieren bzw. zu übertragen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Heftschweißen eines Werkstücks (5) an ein Basiselement (6) mittels eines Handling-Geräts (1), wobei

• - das Werkstück (5) mittels eines Heftgreifers (3) des Handling-Geräts (1) ergriffen, zum Basiselement (6) transportiert und an der gewünschten Stelle aufgesetzt wird,
• - beim Aufsetzen des Werkstücks (5) ein Linearantrieb (10) des Heftgreifers (3) betätigt wird, und
• - der Hub des Linearantriebs (10) über ein Weg-Meß-System als Ist-Wert ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Differenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert des Linearantriebs (10) als Koordinatenverschiebungsvektor (X2) berechnet wird, und
• - dieser Koordinatenverschiebungsvektor (X2) den Arbeitskoordinaten des Heftgreifers (3) überlagert wird.

2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Koordinatenverschiebungsvektor (X2) dem Antrieb einer Fertigschweißeinrichtung (4) zugeführt und den Positionskoordinaten der Fertigschweißeinrichtung (4) überlagert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (5) durch Zustellung des Handling-Geräts (1) auf das Basiselement (6) aufgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (5) durch Betätigung, insbesondere durch Zustellung des Linearantriebs (10) auf das Basiselement (6) aufgesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (10) hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufsetzen des Werkstücks (5) auf das Basiselement (6) der Linearantrieb (10) zwischen 10% und 90% bevorzugt zwischen 40% und 60%, insbesondere um 50% seines Stellweges eingefahren wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenverschiebungsvektor (X2) zwischengespeichert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenverschiebungsvektor (X2) dem Basiselement (6) zugeordnet wird.

9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Handling-Gerät (1), z. B. in Form eines Industrie-Roboters, mit einem Heftgreifer (3) zum Ergreifen und Heftschweißen eines Werkstücks (5) an einem Basiselement (6), wobei der Heftgreifer (3) mit einem Linearantrieb (10) und einem Weg-Meß-System versehen ist, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit, die die durch das Weg-Meß-System erfaßte Ist-Position des Heftgreifers (3) ermittelt, und eine Datenverarbeitungsanlage oder Datenverarbeitungsprogramm in einer verfügbaren Steuerung zum Berechnen eines Koordinatenverschiebungsvektors (X2) durch Vergleich der Ist-Position mit der Soll-Position des Heftgreifers (3) nach dem Aufsetzen des Werkstücks (5) auf das Basiselement (6).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Handling-Gerät (1) außerdem mit einer Fertigschweißeinrichtung (4) bestückt ist oder durch einen Werkzeugwechsel bestückbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Übertragungsmittel vorgesehen sind, mittels denen der Koordinatenverschiebungsvektor (X2) von der Datenverarbeitungsanlage zum Antrieb bzw. zur Steuerung eines Antriebs einer Fertigschweißeinrichtung (4) übertragbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenverschiebungsvektor (X2) einem Basiselement (6) und/oder einem Anschweißteil zuordbar und/oder speicherbar ist.