DE3007098C2

DE3007098C2 - Programmgesteuerter Manipulator und Verfahren zum Schweißen von Werkstücken

Info

Publication number: DE3007098C2
Application number: DE19803007098
Authority: DE
Inventors: Emil Dipl.-Ing. 5810 Witten Dengler
Original assignee: Kloeckner Werke AG
Current assignee: Dengler Schweisstechnik 5810 Witten De GmbH
Priority date: 1980-02-26
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1985-02-07
Also published as: DE3007098A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen programmgesteuerten Manipulator und ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken.

Im Stand der Technik ist bereits ein Handhabungssystem für das Lichtbogenschweißen von Scheinwerferhalterungen, Lagerböcken, PKW-Hinterachsträgern, PKW-Motorträgern, Servopumpenträgern, Landmaschinengrundrahmen, LKW-Hinterachsen. Fahrradrahmen und Traktorteilen bekannt. Dabei besteht der Robotor aus einer Grundmaschine als Standardgerät und besonderen Spannvorrichtungen, die gegebenenfalls abzuändern oder zu ersetzen sind. Der Schweißroboter weist fünf Freiheitsgrade auf, nämlich eine seitliche, vertikale und horizontale axiale Verschiebbarkeit, also drei Linearachsen, sowie eine Pendelbewegung des Auslegearmes und eine Schwenkbewegung einer daran angeordneten Hand für den Brenner, also zwei Rotationsachsen. Die drei Grundachsen sowie die beiden Handachsen, also alle fünf Freiheitsgrade, werden servohydraulisch durch eine Programmierung gesteuert.

Falls dieser Roboter für das Schweißen von schweren und größeren Tragteilen für Erdbewegungsmaschinen eingesetzt werden soll, wird zusätzlich ein besonderer feststehender, kippbarer Drehtisch benutzt, auf dem das Werkstück festgespannt wird. Dieser Drehtisch wird ebenfalls vom Programm gesteuert um 180° gedreht, so daß dann also insgesamt sechs verschiedene programmgesteuerte Bewegungen vorliegen.
Aus der »Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung«,

ίο Heft 73/1978, S. 580 ist weiterhin auch bereits ein Roboter für die Ausführung von Schweißarbeiten mit sechs angetriebenen Achsen bekannt. Der Ausleger des Gerätes wird mit einem pneumatisch arbeitenden Gewichtsausgleichssystem in allen Positionen im Schwebezustand gehalten. Das Gerät wird im Teach-In-Verfahren programmiert

Diese im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur beschränkt einsatzfähig sind, weil es sich hierbei immer um Spezialentwicklungen für den Kraftfahrzeugbau bzw. insbesondere Beschickungsaufgaben handelt. Aus diesem Grunde sind sie für den Klein- und Mittelserienbau mit ihren sehr verschiedenen Schweißaufgaben nicht geeignet.

Außerdem sind im Kraftfahrzeugbau auch bereits Roboter für das Punktschweißen mit Punktsteuerung und für das automatische Lichtbogenschweißen mit Bahnsteuerung bekannt, wobei das Fahren des Gerätes bei der Programmierung mittels Tastendruck erfolgt.

Die bekannten Vorrichtungen kommen jedoch nicht für das Schweißen von schweren kastenförmigen Baugruppen, z. B. von Teilen für den Schildausbau von Grubenbetrieben, in Frage. Die hierbei auftretenden besonderen Probleme ergeben sich zunächst einmal schon insbesondere aus den folgenden maximalen Werten:

Maße:
Gewichte:
Blechdicke:
a-Maß bei den
Schweißnähten:

Vorwärmtemperatur:
Bauteiltoleranzen:

350x 15Ox 100 cm
10 000-15 000 N
12—80 mm

8-12,

in der Regel 8 mm

bis 200° C (bei

Feinkornbaustählen)

±5 mm

Weitere Schwierigkeiten ergeben sich bei den Teilen für den Schildausbau dadurch, daß es sich um mehrfach innenverrippte Kastenkonstruktionen handelt, die auch noch in allen drei Ebenen verschweißt werden müssen, so daß es sich hierbei also um besonders schwierig durchzuführende Schweißungen handelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen programmgesteuerten Manipulator mit einer steuerungstechnisch voll integrierten Spannvorrichtung anzugeben, der es ermöglicht, auch große und schwere, kompliziert zu schweißende Konstruktionsteiie, insbesondere mehrfach innenverrippte kastenförmige Bruch-, Hangend- und Versatzschilde sowie Liegendschwellen für den Schildausbau von Gruben, voll programmgesteuert so zu verschweißen, daß sich die Schweißstelle immer in der Wannenlage befindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Manipulator mit einer Spannvorrichtung zusammenwirkt, die am Gestell des Manipulators angeordnet ist, aus einem schwenkbaren Drehtisch besteht und drei angetriebene Achsen aufweist, deren Antriebe von demselben Programm wie die Antriebe des Auslc-

gers gesteuert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drehtisch auf einer Schwinge angeordnet Die angetriebenen Achsen der Spannvorrichtung sind die horizontale Drehachse der Schwinge gemäß Pfeilrichtung in Fig. 1, die Drehachse für die Rotationsbewegung und die Drehachse für die Schwenkbewegung des Drehtisches. Die Spannvorrichtung dient auch zum Vorspannen der zu schweißenden Werkstücke, wobei dann das vorgespannte Werkstück zur Erstellung des Programms abgetastet wird. Die Antriebe für die verschiedenen Freiheitsgrade bestehen jeweils aus einem Scheibenläufermotor mit Spindelantrieb.

Außerdem ist es aus dem Stand der Technik auch bereits bekannt, zunächst bei einem Werkstück einer Serie die Schweißnähte punktweise mit Hilfe einer Druckknopfsteuerung abzutasten und die einzelnen Abtastpunkte einzuspeichern, dann während des Wurzelschweißens bei jedem einzelnen Werkstück die sich aus den individuellen Werkstücktoleranzen ergebenden Schweißbahnenabweichungen zusätzlich ebenfalls in der Programmierung zu speichern und danach aus den punktweise abgetasteten Bahnen und den Schweißbahnenabweichungen durch Überlagerung beider Bahnen die für das anschließende Lagenschweißen notwendigen Sollwertbahnen zu ermitteln.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß das punktweise Abtasten des Werkstückes sehr lange dauert und somit bezüglich der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens insbesondere dann eine Rolle spielt, wenn es sich um Kleinserien oder sogar Einzelstücke handeln.

Der Erfindung liegt daher auch die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren so weiterzuentwickeln, daß es auch bei kleinen Stückzahlen schon wirtschaftlich einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abtasten der Schweißnähte des Werkstückes durch Abfahren derselben mit einem anstelle des Schweißbrenners eingesetzten Taststift von Hand erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens führen die Schweißvorrichtung mit dem Ausleger und die integrierte Spannvorrichtung zusammen den Nahtvorschub aus.

Die entscheidenden Vorteile des Anmeldungsgegen-Standes werden durch die volle Integration der Spannvorrichtung in die Schweißvorrichtung erzielt, weil dadurch ein optimal einsetzbares Schweiß- und Spannsystem selbst für sehr komplizierte Werkstücke geschaffen wird. '

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß damit auch große, schwere und kompliziert zu schweißende Dickblechkonstruktionen auch in mehrfach innenverrippter Ausführungsform und vorgewärmt voll selbsttätig verschweißt werden können. Selbst bei den großen 5ϊ Kastenkonstruktionen, bei denen der Ausleger bereits ca. 3 m beträgt, kann bei einer Tragkraft des Auslegers von ca. 1000 N eine sehr geringe Schwingungsamplitude realisiert werden, welche für eine einwandfreie Qualitätsschweißung wesentlich ist.

Weitere wesentliche Vorteile des Anmeldungsgegenstandes bestehen darin, daß die beim Handschweißen dieser komplizierten Teile unvermeidbaren Belastungen der Schweißer durch Lärm, Hitze (z. B. bei Vorwärmung), Gase und visuelle Beanspruchungen sowie Zwangslagenschweißungen vermieden und die Unfallgefahren verringert werden so daß mit dem Anmeldungsgegenstand also auch ein wesentlicher Beitrag zur Humanisierung der Arbeitsplätze der Schweißer geleistet wird.

Außerdem kann durch die programmgesteuerte und maschinell durchgeführte Schweißung bei allen komplizierten Werkstücken auch eine wesentlich gößere Fertigunsssicherheit realisiert werden.

Bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren fährt der Einrichter die zu schweißenden Nähte anstelle der Schweißpistole mit einem Taststift ab, was wesentlich schneller durchgeführt werden kann. Dieser Effekt ist so groß, daß komplizierte Werkstücke auch bereits bei Kleinserien wirtschaftlich geschweißt werden können. Die Wirtschaftlichkeit kann sogar so groß sein, daß der anmeldungsgemäße Manipulator mit einem Abfahren des Werkstückes mit einem Taststift schon bei einem einzelnen zu schweißenden Werkstück wirtschaftlich lohnend ist Durch den Manipulator und das Schweißverfahren wird außerdem auch noch die wesentliche Voraussetzung dafür geschaffen, daß kleine Serien von Bauteilen mit großen Blechdicken selbst mit den ihnen anhaftenden großen Toleranzen noch in wirtschaftlicher Weise automatisch geschweißt werden können.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Anmeldungsgegenstandes bzw. des anmeldungsgemäßen Verfahrens besteht in der vielseitigen Einsetzbarkeit auch auf anderen Gebieten als der Fertigung von Grubenausbauelementen, nämlich Panzerbau, Schiffbau, Behälter- und Apparatebau, also praktisch überall dort, wo große und komplizierte Schweißkonstruktionen herzustellen sind.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels, welches in den Zeichnungen veranschaulicht ist, im einzelnen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht des programmgesteuerten Manipulators,

F i g. 2 eine Draufsicht und

F i g. 3 die Einzelheit »M« aus F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.

Das Gestell der Vorrichtung, welches auch den Schaltschrank und die Wartungseinheiten enthalten kann, ist mit 1 bezeichnet. Am Gestell 1 ist der Wagen 2 für den Ausleger 3 auf der Führung 4 horizontal verfahrbar angeordnet. Der Ausleger 3 besteht aus einem Doppelhebel 5 und einem Einfachhebel 6. Der Doppelhebel 5 ist um die im Wagen 2 gelagerte Achse 7 schwenkbar. Am gestellseitigen Ende des Doppelhebels 5 befindet sich der Antrieb 8 für dessen Schwenkbewegung. Dieser Antrieb besteht aus einem Scheibenläufermotor mit Spindelantrieb.

Der Einfachhebel 6 des Auslegers 3 ist am anderen Ende des Doppelhebels bei 9 ebenfalls gelenkig gelagert. Der Antrieb 10 für den Einfachhebel 6 besteht ebenfalls aus einem Scheibenläufermotor mit Spindelantrieb. Am unteren Ende des Einfachhebels 6 befindet sich die Schweißeinrichtung 11, die anhand der Darstellung in Fig. 3 (Detail »M«) im einzelnen beschrieben wird. Die Stellung des Auslegers in einer zweiten Position ist in Fig. 1 anhand der gestrichelten Darstellung veranschaulicht

Der Ausleger 3 ist mit einem Gewichtsausgleichssystem 12 versehen. Dieses Gewichtsausgleichssystem besteht aus einer am Doppelhebel 5 befestigten Lasche 13 sowie in den Gelenken 9 und 14 gelenkig angebrachten Stäben 15 und 16, die alle zusammen wiederum gelenkig über ein Gestänge 17 miteinander verbunden sind, das an dem gestellseitigen Ende mit einem Kontergewicht 18 versehen ist. Mit diesem Gewichtsausgleichssystem ist der Ausleger in allen Positionen im Schwebezustand gehalten.

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Der Support 19 für die Spannvorrichtung 20 ist am Gestell 1 befestigt. Am Support 19 ist die Schwinge 21 für die Spannvorrichtung 20 angeordnet. Die Schwinge 21 ist gemäß Pfeilrichtung durch den als Scheibenläufermotor mit Spindelantrieb ausgebildeten Antrieb 22 um die Achse 26 schwenkbar. Die Spannvorrichtung besteht aus einem mit (nicht dargestellt) Spannelementen versehenen Drehtisch 23, der mit cchwalbenschwanzförmigen Nuten (nicht dargestellt) für das Verschieben der Spannelemente versehen ist.

Die Spannvorrichtung ist um die horizontale Achse 25 schwenk- bzw. kippbar, wie dieses in der Zeichnung

im einzelnen dargestellt ist. Außerdem ist die Spannvor- ; ■'<

richtung um die senkrecht auf dem Drehtisch 23 stehen- ; ii

de Achse 24 drehbar. Das angedeutete Werkstück ist 15 §;

mit der Bezugszahl 27 versehen. Auch für die Spannvor- ψ«

richtung sind in dieser Darstellung einmal die normale. ij$j

nämlich horizontale, und einmal die gekippte Lage ver- iff,

anschaulicht. ^;'3

In Fig. 2 sind vom Antrieb des Wagens 2 der Motor mit 28 und die Drehspindel mit 29 bezeichnet. Die Darstellung zeigt die Spannvorrichtung in zwei verschiedenen Positionen. Diese seitliche Verschiebebewegung der Spannvorrichtung ist jedoch nicht programmgesteuert.

F i g. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die am Ende des Einfachhebels 6, den man auch als Arm bezeichnen kann, befindliche Schweißeinrichtung 11 (Detail »M«). Diese als Hand ausgebildete Schweißeinrichtung besteht aus einer im Hebel 6 angeordneten Achse 30, die gemäß Pfeil I drehbar ist. Am Ende dieser Achse 30 ist

eine weitere Achse 31 gelagert, die gemäß Pfeil II dreh- '

bar ist. Auf dieser Achse ist wiederum die Halterung 32 mit Hilfe der Achse 33 entsprechend dem Pfeil III schwenkbar gelagert, so daß die Halterung 32 also drei Rotationsachsen besitzt. Die Halterung 32 dient zum Festhalten des Brenners 34, was in F i g. 3 dargestellt ist.

Das Verfahren zum Schweißen von Werkstücken mit einem nach dem Teach-in-Verfahren gesteuerten Manipulator wird in der Praxis so durchgeführt, daß zunächst ein Werk^ück einer Serit abgetastet und die Bahnen in der Programmierung gespeichert werden, dann während des Wurzelschweißens bei jedem einzelnen Werkstück die sich aus den individuellen Werkstücktoleranzen ergebenden Schweißbahnenabweichungen zusatzlieh ebenfalls in der Programmierung gespeichert werden und daß danach aus den Bahnen und den Schweißbahnenabweichungen durch Überlagerung beider Bah- ■ nen die für das anschließende Lagenschweißen notwendigen Sollwertbahnen ermittelt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Programmgesteuerter Manipulator zum Schweißen von Werkstücken mit einem gewichtsausgeglichenen Ausleger, der mit angetriebenen Linear- und Drehachsen versehen ist, deren Programmierung im Teach-In-Verfahren erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator mit einer Spannvorrichtung (20) zusammenwirkt, die am Gestell (1) des Manipulators angeordnet ist, aus einem schwenkbaren Drehtisch (23) besteht und drei angetriebene Achsen aufweist, deren Antriebe von demselben Programm wie die Antriebe des Auslegers (3) gesteuert werden.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehtisch (23) auf einer Schwinge (21) angeordnet ist.

3. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angetriebenen Achsen der Spannvorrichtung (20) die horizontale Drehachse der Schwinge (21), die Drehachse für die Rotationsbewegung und die Drehachse für die Schwenkbewegung des Drehtisches (23) sind.

4. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (20) auch zum Vorspannen der zu schweißenden Werkstücke (27) dient, wobei dann das vorgespannte Werkstück (27) zur Erstellung des Programms abgetastet wird.

5. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe für die verschiedenen Freiheitsgrade jeweils aus einem Scheibenläufermotor mit Spindelantrieb (8, 10,22) bestehen.

6. Verfahren zum Schweißen von Werkstücken mit einem nach dem Teach-In-Verfahren gesteuerten Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasten der Schweißnähte des Werkstückes (27) durch Abfahren derselben mit einem Taststift von Hand erfolgt.

7. \ erfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißvorrichtung mit dem Ausleger (3) und die integrierte Spannvorrichtung (20) zusammen den Nahtvorschub ausführen.