JP6980818B2 - 金属ワークピースのワークピース表面を走査する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤ電極を用いて金属ワークピースのワークピース表面を走査する方法および装置に関する。

ワークピースのワークピース表面に対するワイヤ片の機械的移動により、ワークピース表面が走査され測定される従来の走査システムが知られている。このタイプの従来の走査システムのワイヤ片は、駆動ローラを使用して前後に反復して移動することができる。ワイヤ片のワイヤ端部とワークピースのワークピース表面との接触が検出されるとすぐに、ワイヤ片のワイヤ端部が戻るように移動する。このワイヤ片のこの前後移動では、特に、ワイヤ端部がワークピース表面に接触するときに、高い加速力が発生する可能性がある。さらに、駆動ローラによってもたらされる圧縮力は、機械的に移動されるワイヤ片に作用する。測定に使用されるワイヤ片に作用する接触力は、ワイヤ表面、特に比較的軟質材料からなるワイヤ、例えば、アルミニウムワイヤなどの摩耗につながる。これらのワイヤは、圧力下で変形し、それによって、駆動ローラによって加えられる把持力が次第に弱まる。高い加速度と表面摩耗により、走査または測定に使用されるワイヤと駆動ローラとの間で滑りが生じて、ワークピースのワークピース表面が走査されるときの測定結果の品質が低下する。そのため、測定または走査に使用されるワイヤ片の摩耗により、測定結果が歪むか、または品質が低下する。

特許文献１は、波形ワークピースを板状ワークピースに溶接する方法を記載しており、共通の開始点から反対方向に２つの溶接トーチを移動させることにより、フィレット溶接がワークピース間に形成される。溶接ロボットの座標軸のエラーを修正するために、２つの溶接ロボットの各々が１つのポイントをスキャンする。

特許文献２は、溶接ワイヤ電極とワークピースとの間の接触が検出されるアーク溶接プロセスを記載している。

特開２００７−０９０３９０号公報 米国特許出願公開第２００２／００１１４７４号明細書

従って、本発明の目的は、測定精度が高められたワークピースのワークピース表面を走査するための方法および装置を提供することである。
この目的は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する方法により、および請求項１７に記載の特徴を有する走査装置により達成される。

従って、第１の態様では、本発明は、金属ワークピースのワークピース表面を走査する方法を提供し、その方法では、溶接ワイヤ電極を有するブロートーチがワークピース表面に対して移動されて走査値が決定され、金属ワークピースのワークピース表面の走査位置での金属ワークピースとの接触が検出されるまで、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部がワークピース表面に向かって反復して移動され、その後、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部が実質的に戻るように移動され、走査測定値の誤差を決定するために、ブロートーチが走査位置において走査値が少なくともいくつかのケースでは複数回検出される。

本発明による方法の１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部は、ブロートーチから突出し、かつ調整可能な移動プロファイルおよび／または調整可能な移動頻度で前後に移動する。

本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極を有するブロートーチは、金属ワークピースのワークピース表面に対して走査経路上を移動して、走査位置における第１の走査値が決定され、その後、同じ走査経路で走査位置における第２の走査値が決定される。

本発明による方法の１つの可能な実施形態では、走査測定値の誤差を決定するために、走査経路に沿って決定された第１の走査値と走査経路に沿って決定された第２の走査値とが比較される。

本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態では、走査測定値の誤差を低減するために、溶接ワイヤ電極は、決定された走査測定値の誤差に応じて駆動ローラによって搬送される。

本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極のワイヤ表面の接触点において駆動ローラによって溶接ワイヤ電極に及ぼされる力伝達を監視するために、溶接ワイヤ電極の移動が検出される。

本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態では、溶接ワイヤのワイヤ表面の接触点で駆動ローラに引き起こされる表面摩耗が、溶接ワイヤ電極の検出されたワイヤの移動に基づいて自動的に検出され、溶接ワイヤ電極は、結果として生じる走査測定値の誤差を低減するために、駆動ローラによって異なる接触点に搬送される。これは、ブロートーチとワーク表面との間の距離を変更することにより実現することができる。同様に、溶接ワイヤ電極はブロートーチからさらに搬送され、搬送長さに対して切断される。

本発明による方法の１つのさらなる可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極を搬送するために設けられた駆動ローラは、電気モータによって駆動され、電気モータのモータ速度および／またはモータ電流信号は、溶接ワイヤ電極のワイヤ移動を検出するために監視される。

本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極の接触点で駆動ローラによって引き起こされる溶接ワイヤ電極のワイヤ表面の表面摩耗が、モータ速度信号および／またはモータ電流信号における特有のノイズから検出される。

本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態では、所定の走査動作時間が経過した後、所定の走査距離が達成された後、および／または所定の数の走査値が達成された後、ブロートーチから突出し、かつワークピース表面を走査するために使用される溶接ワイヤ電極が、ブロートーチから所定の長さだけ搬送され、その長さに対して切断される。

本発明による方法の１つのさらなる可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極のワイヤ表面の表面摩耗が検出された後、ブロートーチから突出し、かつワークピース表面の走査に使用される溶接ワイヤ電極が、ブロートーチから所定の長さだけ搬出され、その長さに対して切断される。

本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部とワークピースのワークピース表面との機械的接触が電気的に検出される。
本発明による方法の１つのさらなる可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部によるワークピース表面の機械的接触は、駆動ローラの駆動用に提供される電気モータのモータ速度信号および／またはモータ電流信号を評価することにより検出される。

本発明による方法の１つのさらなる可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極の移動プロファイルおよび／または移動頻度は、溶接ワイヤ電極の材料に応じて調整される。
本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態において、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部は、走査測定値の誤差を低減するために較正本体によって較正されるツール基準点を形成する。

本発明による方法の１つのさらなる可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部に印加される電圧は、ワークピース表面が走査される前の規定値に設定され、ワイヤ端部とワークピース表面との電気接触が、電気短絡により流れる電流（Ｉ）から検出された後、溶接ワイヤ電極の熱応力が低く保たれるように、ワークピースのワークピース表面の走査中に電圧が溶接ワイヤ電極のワイヤ端部に未調整で印加される。電気短絡時の低い熱応力は、未調整の電圧源の高い内部抵抗によって実現することができる。

さらなる態様において、本発明は、金属ワークピースのワークピース表面を走査する、溶接装置用の走査装置をさらに提供する。走査装置は、溶接ワイヤ電極を有するブロートーチをワークピースの走査されるワークピース表面に対して移動させて走査値を決定するのに適しており、その際に、金属ワークピースのワークピース表面の走査位置における金属ワークピースとの接触が検出されるまで、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部を最初にワークピース表面に向かって反復して移動させて、続いて、溶接ワイヤ電極のワイヤ端部が戻るように移動し、ブロートーチが、走査測定値の誤差を自動的に決定するために、金属ワークピースのワークピース表面上の走査位置における走査値を少なくともいくつかのケースでは複数回検出する。

以下、金属ワークピースのワークピース表面を走査するための本発明による方法および本発明による装置の可能な実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。

ワークピース表面を走査するための本発明による走査装置の１つの可能な実施形態の概略図である。 ワークピース表面を走査するための本発明による方法の動作モードを示すさらなる概略図である。 ワークピース表面を走査するための本発明による方法で使用することができる可能な走査経路の例の概略図である。 ワークピース表面を走査するための本発明による方法で使用することができる可能な走査経路の例の概略図である。 ワークピース表面を走査するための本発明による方法を使用することができる溶接装置の実施形態の図である。 本発明による方法の１つの可能な実施形態で実施することができる較正プロセスを示す概略図である。

図１は、ワークピース表面を走査するための本発明による走査装置１の１つの可能な実施形態を示している。図１に示される走査装置１は、金属ワークピース２のワークピース表面２Ａを走査するために使用することができる。１つの可能な実施形態では、本発明による走査装置１は溶接装置で使用される。この溶接装置はブロートーチ３を備えている。溶接ワイヤ電極４がこのブロートーチ３に提供される。走査装置１は、走査値を決定するために溶接ワイヤ電極４のブロートーチ３をワークピース２のワークピース表面２Ａに対して移動させるのに適しており、金属ワークピース２のワークピース表面２Ａ上の走査位置で金属ワークピース２との接触が検出されるまで、溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａがワークピース表面２Ａに向かって反復して移動され、その後、溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａが実質的に戻るように移動される。溶接ワイヤ電極４の前後移動を実行するための押し出し／引き込み駆動装置を備えたブロートーチは、このタイプの走査装置に特に適している。この場合、走査位置Ｐでの走査値ｄは、走査測定値の誤差を決定するために、少なくともいくつかのケースでは複数回、自動的に検出される。図１から分かるように、供給された溶接電極４は、ブロートーチ３から突出長さＬにわたってワイヤ端部４Ａまで突出している。ブロートーチ３とワークピース２のワークピース表面２Ａとの間の距離は、図１において視認可能であるように、距離Ｄである。同様に図１に示す座標系では、溶接ワイヤ電極４は、実質的にｚ方向に、つまりワークピース２のワークピース表面２Ａに実質的に垂直に前後に移動する。ワークピース表面２Ａに対する溶接ワイヤ電極４の実質的に垂直な移動方向の結果として、ワイヤの曲げを最小限に抑えることができる。それにも関わらず、溶接ワイヤ電極４の他の移動方向も、ブロートーチ３を旋回させることにより調整可能である。溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａは、特定の走査位置で金属ワークピース２との接触が検出されるまで、ワークピース表面２Ａに対してワークピース表面２Ａに向かって最初に反復して移動し、その後、溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａは、ワークピース表面２Ａから離れるように後方に移動する。ブロートーチ３は、金属ワークピース２のワークピース表面２Ａ上の走査位置Ｐでの走査値ｄを複数回検出して、走査測定値の誤差を自動的に決定する。走査値ｄは、ワークピース表面２Ａの表面プロファイルを指定する。表面プロファイルの絶対位置を決定するには、走査プロセスの開始前に突出長さＬが既知である必要がある。これは、例えば、溶接ワイヤ電極４をブロートーチ３から定義された距離の長さに切断する較正装置を使用して達成することができる。走査プロセスの開始時の既知の突出について、走査値ｄは、溶接ワイヤ電極３の移動プロファイルと、溶接ワイヤ電極３とワークピース表面との接触の検出に基づいて決定することができる。ブロートーチ３の既知の絶対位置を使用して、ワークピース表面２Ａの表面プロファイルをその後、作成することができる。突出長さＬが既知でない場合、または表面の絶対位置が必要でない場合、最初の走査ポイントからの相対位置を決定することができる。

溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａは、ブロートーチ３から突出し、図１に模式的に示すように、調整可能な移動プロファイルおよび／または調整可能な移動頻度で、前後に、つまり実質的にｚ方向に移動する。

溶接装置のブロートーチ３は、前後に移動する溶接ワイヤ電極４とともに、金属ワークピース２のワークピース表面２Ａに対して走査経路ＡＳ上を移動し、走査位置Ｐにおける第１の走査値ｄ_１を決定し、続いて、同じ走査位置Ｐにおける第２の走査値ｄ_２を決定する。例示的な走査経路ＡＳを図３及び図４に示す。１つの可能な実施形態では、同じ走査位置において検出された、走査経路に沿って決定された第１の走査値ｄ_ｉと走査経路に沿って決定された第２の走査値ｄ_ｉ’とを比較して、走査測定値の誤差Δｄを決定する。図１に示されるように、ブロートーチ３は、信号線６を介してプロセッサまたは計算ユニット７に走査値ｄ_ｉを供給する測定装置５を含み得る。計算ユニット７は、走査値ｄ_ｉを格納することができるデータストア８にアクセスする。１つの可能な実施形態では、得られた走査値ｄ_ｉは、さらなるデータ処理のために走査位置Ｐの座標とともにデータストア８に格納される。

１つの可能な実施形態では、計算ユニット７は、駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂを駆動する電気モータ９の制御ユニットとしても機能する。接触点Ａ、Ｂにおいて、回転駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂは、溶接ワイヤ電極４に力伝達をもたらし、溶接ワイヤ電極４は、それに従って長手方向に移動する。制御装置７は、制御線１１を介してブロートーチ３の移動をさらに制御する。１つの可能な実施形態では、ブロートーチ３の移動は、プログラムされた走査経路ＡＳに従って行われ得る。

ブロートーチ３は、ワークピース２のワークピース表面２Ａに対して移動する。１つの可能な実施形態では、ワークピース２は堅固にクランプされ得、ブロートーチ３は、プログラムされた走査経路ＡＳに従ってワークピース表面２Ａに対して移動する。別の実施形態では、クランプされたワークピース２がブロートーチ３に対して移動する間、ブロートーチ３は静止したままである。さらに可能な実施形態では、ブロートーチ３とワークピース２の両方が、ブロートーチ３とワークピース２のワークピース表面２Ａとの間に相対移動をもたらすように制御される。

１つの可能な実施形態では、駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂによる溶接ワイヤ電極４の前後移動の移動プロファイルおよび／または移動頻度は、計算ユニット７によって計算された走査測定値の誤差に応じて走査測定値の誤差Δｄを低減するように自動的に適合される。特に、走査測定値の誤差が生じた場合の移動プロファイルおよび／または移動頻度を適合させることにより、溶接ワイヤ電極４の最大加速度が低減される。１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４のワイヤ表面の接触点Ａ、Ｂにおいて駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂによって溶接ワイヤ電極４に及ぼされる力の伝達を監視するために、溶接ワイヤ電極４の移動が検出される。溶接ワイヤ電極４の検出されたワイヤの移動に基づいて、溶接ワイヤ電極４のワイヤ表面の接触点Ａ、Ｂにおいて駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂによってもたらされる表面摩耗が自動的に検出され、溶接ワイヤ電極４は、結果として生じる走査測定値の誤差を低減するために、駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂによって異なる接触点に搬送される。これに関連して、駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂを駆動するための電気モータ９は、制御線１２を介して走査装置１の計算または制御ユニット７によって適宜制御される。溶接ワイヤ電極４を搬送するために設けられた駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂは、電気モータ９によって駆動され、電気モータ９のモータ速度および／またはモータ電流信号は、１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４のワイヤの移動を検出するために制御ユニット７によって監視される。１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４の接触点Ａ、Ｂにおいて駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂによってもたらされる溶接ワイヤ電極４のワイヤ表面の表面摩耗は、電気モータ９のモータ速度信号および／またはモータ電流信号における特有のノイズから検出される。溶接ワイヤ電極４のワイヤ表面の摩耗は、駆動力の断続的な減少をもたらす。この状態が発生すると、加速力と成分の力が突然変化するため、電気駆動装置９の速度信号または電流信号に特有のノイズが発生する。１つの可能な実施形態では、電動モータ９のモータ速度信号またはモータ電流信号のこの変化は、制御ユニット７によって検出される。モータ回転速度信号および／またはモータ電流信号において検出された特有のノイズは、接触点Ａ、Ｂにおける溶接ワイヤ４の表面摩耗を指す。１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４のワイヤ表面の表面摩耗が検出された後、溶接ワイヤ電極４がブロートーチ３から突出し、かつワークピース表面２Ａを走査するために使用される溶接ワイヤ電極４は、ブロートーチ３から所定の長さＱだけ自動的に搬送された後、その長さに対して切断される。代替的に、ブロートーチ３とワークピース表面２Ａとの間の距離を増加させることが可能である。従って、例えば、駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂを使用して異なる点Ａ、Ｂでワイヤ電極を搬送するように、ブロートーチ３とワークピース表面２Ａとの間の距離を走査経路ＡＳに沿って連続的に増加または減少させることができる。図１に模式的に示すように、例えば、溶接ワイヤ電極４の表面摩耗が接触点Ａ、Ｂにおいて検出された後、溶接ワイヤ４が長さＱだけ前方に移動され、それによって、摩耗点または接触点Ａ、Ｂが、図１に示すように、搬送のため点Ａ’、Ｂ’に位置する。搬送後、溶接ワイヤ電極４の未使用表面は接触点Ａ、Ｂに位置する。この溶接ワイヤ電極４の非摩耗表面は、駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂと溶接ワイヤ電極４との間の滑りを低減し、従って、走査値ｄ_ｉの決定の正確度または精度が向上する。

本発明による走査装置１の１つのさらに可能な実施形態では、所定の走査動作時間が経過した後、所定の走査距離が達成された後、および／または所定の数の走査値が達成された後、ブロートーチ３から突出し、かつワークピース２のワークピース表面２Ａを走査するために使用される溶接ワイヤ電極４が、ブロートーチ３から所定の長さだけ搬送された後、その長さに対して切断される。この実施形態では、溶接ワイヤ電極４と駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間の接触点が定期的に変更され、それによって、溶接ワイヤ電極４のワイヤ表面に過度の表面摩耗が生じないようにすることができる。

溶接ワイヤ電極４を搬送するための駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂは、溶接ワイヤ電極４のワイヤ表面と駆動ローラとの間の潜在的な滑りが最小化されるように、制御ユニット７によって制御される。これは、特に、アルミニウムなどの比較的軟質材料で構成されるワイヤ電極４の溶接に特に役立つ。１つの可能な実施形態では、例えば、モータ速度信号を評価することにより、および／または駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂを駆動する電気モータ９のモータ電流信号を評価することにより、潜在的に発生する滑りが検出される。代替的に、溶接ワイヤ表面の摩耗を先制的に防止するために、溶接ワイヤ電極４は、一定の間隔で異なる接触点に自動的に移動されてもよい。

１つのさらなる可能な実施形態では、潜在的に発生する滑りは、決定された走査値ｄ_ｉに基づいて検出することができる。例えば、ブロートーチ３がワークピース２のワークピース表面２Ａの特定の座標ｘ、ｙに位置する走査位置で非常に変化する走査値ｄが決定される場合、これは溶接ワイヤ電極４と駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間で発生する滑りに起因し得る。発生した滑りがこのようにして検出されると、溶接ワイヤ電極４は自動的に別の接触点に移動し、関連する走査位置で再度測定が行われるように、突出した溶接ワイヤ端部が自動的にその長さに対して切断される。続いて、機械的な滑りに起因して以前に発生した走査値の変化が依然として存在するかどうかが確認される。従って、この変形形態では、溶接ワイヤ電極４と駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間の機械的な滑りは、走査位置Ｐにおける走査値ｄ_ｉを評価することにより検出される。１つの可能な実施形態において、本発明による走査装置１は、溶接ワイヤ電極４と、溶接ワイヤ電極４を搬送するための駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間の機械的な滑りを検出する装置を有する。１つの実施形態では、溶接ワイヤ電極４と駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間の滑りを検出するためのこの検出装置は、駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂを駆動する電気モータ９のモータ速度信号またはモータ電流信号の評価に基づいている。代替実施形態では、溶接ワイヤ電極４と駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間の滑りを検出するための検出装置は、走査位置における走査値を評価する評価ユニットを有し、互いに大きくずれている走査位置における走査値は、溶接ワイヤの電極表面の摩耗によって引き起こされる機械的な滑りの存在を示している。走査に使用される溶接ワイヤ電極４と駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間の機械的な滑りを防止するために、溶接ワイヤ４Ａは、規則的な間隔で、異なる接触点に先制的に搬送され得る。

本発明による走査装置１の１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４の移動プロファイルおよび／または移動頻度は、溶接ワイヤ電極４の材料に応じて調整される。移動頻度は、ｚ方向における溶接ワイヤ電極４の頻度、言い換えれば、ワークピース表面２Ａに対する前後移動の回数である。さらに、溶接ワイヤ電極チップ４Ａは、移動プロファイルに従って、ｘおよびｙ方向に走査経路ＡＳに沿って移動する。溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａに存在する電圧Ｕは、ワークピース表面２Ａが走査される前に、所定の値に設定することができる。ワークピース２のワークピース表面２Ａの走査中、電圧Ｕが溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａに存在し、それによって、ワイヤ端部４Ａとワークピース２のワークピース表面２Ａとの電気接触が電気短絡の結果として流れる電流Ｉによって検出された後、溶接ワイヤ電極４に熱歪みが生じる。

ワークピース表面２Ａに対して実質的に垂直な溶接ワイヤ電極４の前後移動中に、溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａとワークピース表面２Ａとの間に機械的接触が生じる。好ましい実施形態では、この接触は、電気的に検出される。溶接ワイヤ電極４には電圧Ｕが存在するため、溶接ワイヤ端部４Ａと金属ワークピース２のワークピース表面２Ａとの間の機械的接触が同時に電気接触をもたらし、これが検出される。代替実施形態では、溶接ワイヤ電極４の溶接ワイヤ端部４Ａとワークピース２のワークピース表面２Ａとの間の接触も機械的に検出することができる。これは、例えば、ワイヤの移動または駆動ローラに伝達される力を評価することにより検出することができる。

電気的な検出中に流れる電流Ｉに起因する溶接ワイヤ電極４の熱歪みを可能な限り低く保つために、１つの可能な実施形態では、特に、溶接装置の電流源を使用して走査電圧を生成する場合、対応する対策を講じることができる。最初に、溶接ワイヤ電極４の溶接ワイヤ端部４Ａがワークピース２の部品表面またはワークピース表面２Ａに接触したかどうかが確認される。つまり、電気接触が発生したかどうかが確認される。一旦接触が確認されると、溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａは、検出された短絡が解除されるまで後方に搬送される。短絡が終了または解除されると、電流信号または電圧信号のパルス幅が、０％に減少し、その後、所定の電圧を超えるまで一定の時間間隔で増加する。例えば、パルス幅は、例えば２０Ｖの電圧に達するまで、１００マイクロ秒（μｓ）ごとに０．１％ずつ増加する。到達したパルス幅はその後保存され、残りのプロセスに使用される。適切なパルス幅へのこの慎重なアプローチは、溶接装置の電流源の部品公差の結果として必要となる場合があり得る。溶接装置の電流源は一般に高電力用に構成されているが、本明細書では非常に低電力で使用される。この場合、前述の部品公差や例示的な散乱が出力電圧に大きな影響を及ぼす。制御ユニットによって検出可能な電圧（好ましくは、５Ｖ〜３０Ｖの範囲）を生成するこの最小パルス幅が設定され、走査プロセス中にそれ以上変化することはない。現在は未調整の電流または電圧源の内部抵抗の結果として、短絡が発生した場合に電圧降下が生じ、低電流のみがもたらされる。この手順の結果、走査中に可能な限り低い電流Ｉが流れ、電気アークが発生しないことを確実にするため、最小パルス幅が溶接装置の電源装置に設定される。その結果、溶接ワイヤ電極４の熱ひずみは可能な限り低く保たれ、従って、走査中の溶接ワイヤ電極４の損傷が低減される。これに関連して、パルス幅は、溶接ワイヤ電極の溶接ワイヤ端部４と金属ワークピース２のワークピース表面２Ａとの間の電気短絡が依然として確実に検出できるように設定される。

本発明による走査装置１の１つのさらに可能な実施形態では、耐摩耗性表面を有する特別なワイヤ片を走査に使用することができる。例えば、１つの可能な実施形態では、鋼線を使用して、ワークピース２のワークピース表面２Ａを走査することができる。続いて、実際の溶接プロセスのために、１つの可能な実施形態では、例えば、アルミニウムなどの異なる材料からなる溶接ワイヤ電極が使用される。本発明による溶接装置の１つの可能な変形構成では、溶接プロセスのための溶接ワイヤ電極４に加えて、走査プロセスを行うための別個の走査電極をブロートーチ３に供給することができる。この走査電極は、例えば、ワークピース２のワークピース表面２Ａを走査するための耐摩耗性鋼線からなる。しかしながら、走査装置１の好ましい実施形態では、同じワイヤまたは同じ電極４が、走査プロセスおよび溶接プロセスの両方に使用される。

金属ワークピース２のワークピース表面２Ａ上に絶縁層が配置されている場合、絶縁層が短絡を防止するため、溶接ワイヤ端部４Ａとワークピース表面２Ａとの間で電気短絡が検出され得ない。この場合、駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂがワークピース２のワークピース表面２Ａに溶接ワイヤを押し続けるのを防止するために、１つの可能な実施形態では、電気モータ９のモータ速度信号および／またはモータ電流信号を監視することができる。本発明による走査装置１の１つのさらなる可能な実施形態では、電気モータ９の制御装置パラメータは、クランプされる溶接ワイヤ電極４の材料に応じて適合または設定される。例えば、アルミニウムなどの比較的軟質材料からなる溶接ワイヤ電極４では、軟質材料からなる溶接電極４のかなりの摩耗につながる過度に高い加速力を防止するように、溶接ワイヤ電極４の走査頻度が低減される。走査頻度の減少による加速力の減少は、溶接ワイヤ電極４の摩耗の減少をもたらし、従って、溶接ワイヤ電極４の表面と走査デバイス１の駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間の潜在的な機械的な滑りの減少ももたらす。

１つの可能な実施形態では、走査プロセスの前後に、ブロートーチ３は走査位置で停止され、機械的な滑りが存在するかどうかがチェックされる。１つの可能な実施形態では、これは、走査位置において決定された走査値を評価することにより達成される。１つの可能な実施形態では、決定された走査誤差が補償されるか、または検出された機械的な滑りが補正される。

本発明による走査装置１の１つのさらなる可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４の温度Ｔが監視される。１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４の摩耗および／または潜在的な機械的な滑りを低減するように、監視されたワイヤ温度に応じて溶接ワイヤ電極４が冷却される。本発明による走査装置１の１つのさらなる可能な変形構成では、溶接ワイヤ電極４への力の伝達、例えば、接触点Ａ、Ｂにおける駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂの溶接ワイヤ電極４の表面への機械的接触力をも監視することができる。

図２は、本発明による走査方法による金属ワークピース２のワークピース表面２Ａの走査を概略的に示している。図示された例では、溶接ワイヤ電極４が案内されているブロートーチ３がワークピース２のワークピース表面２Ａに対して移動され、ワークピース２のワークピース表面２Ａに対する走査値ｄが決定される。図示された例では、ブロートーチ３は、ワークピース２のわずかに傾斜したワークピース表面２Ａに対してｘ方向に移動する。このプロセスにおいて、溶接ワイヤ電極４の溶接ワイヤ電極チップ４Ａは、特定の間隔Δｘでワークピース２の表面に接触する。溶接ワイヤ電極４の溶接ワイヤ端部４Ａによるワークピース２のワークピース表面２Ａの接触は、例えば、発生する電気短絡から検出することができる。図２に示す例では、走査値ｄ_０、ｄ_１、…、ｄ_ｎは、走査経路ＡＳに沿ったｘ方向における様々な走査位置においてワークピース表面２Ａに沿って検出され、かつ走査装置１の評価ユニット７に供給される。溶接ワイヤ電極４と駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間に機械的な滑りが生じない場合、走査値ｄ_ｉは、上端位置で溶接ワイヤ電極４がブロートーチ３から突出する長さＬを考慮して、ブロートーチ３とワークピース表面２Ａとの間の距離に相当する。しかしながら、機械的な滑りにより測定値の誤差が生じる可能性がある。これらの走査測定値の誤差を防止するために、本発明による走査方法では、ブロートーチ３が少なくともいくつかのケースでは複数回、１つまたは複数の走査位置Ｐに向かって移動されて、１つまたは複数の走査位置Ｐで走査値ｄを検出する。ブロートーチ３は、１つまたは複数の走査位置Ｐで走査値ｄを少なくともいくつかのケースでは複数回検出して、例えば、機械的な滑りにより引き起こされる走査誤差を決定する。例えば、図２に示すブロートーチ３の簡単な例では、走査位置Ｐ_Ｎでの走査値ｄ_Ｎが決定された後、走査位置Ｐ_０における第２の走査値ｄ_０’を決定するために走査位置Ｐ_０に戻る移動が生じる。ブロートーチ３は、溶接ワイヤ電極４と共に、ワークピース表面２Ａに対して走査経路ＡＳに沿って移動し、走査位置Ｐにおける第１の走査値ｄ_１が決定され、続いて、同じ走査位置Ｐにおける第２の走査値ｄ_２が決定される。例えば、ブロートーチ３を走査位置毎に２回ずつ近接させて各トーチ位置Ｐに対して２つの走査値ｄ、ｄ’を得るように移動させる。同じ走査位置Ｐで得られた２つの走査値ｄ、ｄ’を互いに比較して、走査測定値の誤差Δｄが決定される。例えば、走査位置への第２の接近中に決定された第２の走査値ｄ’は、走査測定値の誤差Δｄを計算するために、走査位置への第１の接近中に得られた第１の走査値ｄから減算される。

Δｄ＝ｄ_ｉ−ｄ_ｉ’
１つの可能な実施形態では、異なる走査位置Ｐにおいて計算された走査測定値の誤差を使用して、溶接ワイヤ電極４と駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂとの間の機械的な滑りを検出および補正することができる。さらに、決定された走査測定値の誤差は、走査値を修正するため、かつ評価ユニット７によるワークピース２のワークピース表面２Ａのより正確な検出のために評価され得る。複数回の測定から得られたΔｄにより、滑りのモデルを使用してその後の測定精度を向上させることができる。例えば、単純なモデルでは、滑りの線形発生が想定される。複数回の走査の後、実際の距離ｄ_ｉおよび結果として得られる表面形状を、時間シーケンスおよび滑りモデルから逆算することができる。

本発明による方法の１つのさらに可能な実施形態では、実際の走査プロセスが開始される前に、ブロートーチ３を基準走査位置に移動させることができる。続いて、走査測定値の誤差を検出するために基準走査位置における走査値ｄを決定することができる。

図３および図４は、例として、金属ワークピース２のワークピース表面２Ａを走査するための本発明による方法で使用され得る可能な走査経路を示す。図３に示す例では、上側の走査経路に関して、ブロートーチ３は初期走査位置Ｐ_０から最終走査位置Ｐ_ｎまで線に沿って移動し、溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａは調整可能な移動頻度ｆでｚ方向に前後に移動する。このようにして、ｎ＋１個の走査値ｄ_０、ｄ_１、…、ｄ_Ｎを決定することができる。走査位置Ｐ_Ｎに到達すると、ブロートーチ３は、初期走査位置Ｐ_０に再度到達するまで、同じ走査経路に沿って、図３における上側の走査経路に沿って後方に移動することができる。各走査位置における走査中に決定された走査値ｄは、走査装置１のデータストア８に走査位置Ｐの座標とともにペアでバッファリングすることができる。走査測定値の誤差は、同じ走査位置において検出された走査値ｄ、ｄ’間の差Δｄから導き出すことができる。

図３に示される第２の下側の走査経路ＡＳでは、走査値ｄ_ｉを決定するために、ブロートーチ３は初期走査位置Ｐ_０から最終走査位置Ｐ_ｎまで直線的に移動する。最終走査位置Ｐ_ｎに到達すると、最終走査位置Ｐ_ｎで走査値を検出した後、ブロートーチ３は初期走査位置Ｐ_０に戻るように移動し、走査経路に沿って再び同じ方向に最終走査位置Ｐ_ｎまで再度移動する。従って、この走査プロセスでは、ブロートーチ３を同じ走査経路ＡＳに沿って２回移動させ、各走査位置Ｐについて２つの走査値ｄ、ｄ’を取得し、２つの走査値ｄ、ｄ’から走査測定値の誤差を算出する。

同じ走査位置Ｐにおいて取得される走査値の数は、適用シナリオによって異なる。１つの可能な実施形態では、走査測定値の誤差を決定するために、各走査位置Ｐにおいて少なくとも２つの走査値が検出される。いくつかの可能な適用では、走査測定値の誤差をより正確に決定するために、各走査位置に対してより多くの走査値が検出され得る。さらなる可能な実施形態では、複数の走査が、例えば、溶接ワイヤ表面の摩耗によってもたらされる走査測定値の誤差を検出するために、走査位置のランダムなサンプルで単に行われる。

１つの可能な実施形態では、決定された走査測定値の誤差はデータストア８に記録される。１つの可能な実施形態では、決定された走査測定値の誤差は、所定のまたは事前設定された閾値と比較され得る。走査測定値の誤差がこの値を超えると、１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４は、発生した可能性のある機械的な滑りを低減するために、別の接触点に自動的に移動する。溶接ワイヤ電極４が別の接触点に搬送されると、続いて走査測定値の誤差を再度決定して、発生した測定値の誤差の歪みが除去されたかどうかを確認することができる。

図４は、例として、ワークピース表面２Ａを走査するための本発明による方法で使用することができる１つのさらなる可能な走査経路ＡＳを示す。図４に示す例では、ブロートーチ３は、最初に初期走査位置から最終走査位置Ｐ_Ｎまで直線的に移動し、その後次の走査線の走査位置Ｐ_０’にジャンプする。最後または第４の走査ラインで終了位置Ｐ_Ｎ’’’に到達した後、ブロートーチ３は初期位置Ｐ_０にジャンプして戻り、ワークピース表面２Ａが２回走査されて、走査測定値の誤差が決定される。

用途のシナリオに応じて、様々な事前にプログラムされた走査経路ＡＳを使用することができ、例えば、図４のようなラインごとの走査、または他の走査経路、特にワークピース表面２Ａの蛇行走査を使用することができる。１つの可能な実施形態では、使用される走査経路ＡＳは、用途のシナリオに応じて選択することができる。移動プロファイルまたは走査プロファイルＡＳと同様に、溶接ワイヤ電極４の移動頻度ｆも、適用シナリオに応じて調整することができる。

図５は、金属ワークピース２のワークピース表面２Ａを走査するための本発明による方法を使用することができる溶接装置ＳＧの実施形態を示す。
図５に示される溶接装置ＳＧは、電源ユニット１４を含む電流源１３を有する。電流源１３は、制御弁１６を含む制御装置１５を含む。切替部材１７は、制御弁１６に接続されている。この制御弁１６は、溶接装置ＳＧのガス貯蔵部２０とブロートーチ３との間の保護ガス１９の供給ライン１８に配置されている。

溶接装置ＳＧはワイヤ送給装置２１を含み、図５に示すように、ワイヤ送給装置２１は、供給ライン２２を介してリザーブドラム２３に溶接ワイヤ４を供給することが可能である。

図５は、ワークピース表面２Ａの走査が完了した後の溶接プロセスを概略的に示している。図５に示される溶接ワイヤまたは溶接電極４は、本発明による方法に従って前後に移動してワークピース２のワークピース表面を走査することができる溶接ワイヤ端部４Ａを有する。走査プロセスが完了すると、溶接装置ＳＧが溶接のために使用される。これに関連して、溶接ワイヤ電極４とワークピース２との間にアーク２４を形成するための電流は、電流源１３の電源ユニット１４から溶接電流線２７を介してブロートーチ３または溶接ワイヤ電極４に供給される。これに関連して、溶接されるワークピース２は、アーク２４用の回路を構築することができるように、さらなる溶接ライン２６を介して溶接装置ＳＧ、特に、その電流源に接続され得る。ブロートーチ３を冷却するために、ブロートーチ３を冷却回路２７を介して液体容器２８に接続することができる。

図示の実施形態では、溶接装置ＳＧは、溶接装置ＳＧの異なる溶接パラメータおよび／または動作モードを設定することができる入力および／または出力装置２９を有する。図５に示す実施形態では、ブロートーチ３は、ケーブルアセンブリ３０を介して溶接装置ＳＧに接続されている。溶接装置ＳＧをブロートーチ３に接続する様々なラインがケーブルアセンブリ３０に配置され得る。１つの可能な実施形態では、本発明による走査装置１の構成要素は、溶接電流源１３の制御装置１５と溶接装置ＳＧのワイヤ送給装置２１との両方に配置される。１つの可能な実施形態では、溶接ワイヤ電極４を移動させるための電気モータ９および駆動ローラ１０Ａ、１０Ｂが、ワイヤ送給装置２１に設けられている。１つの可能な実施形態では、走査装置１の評価ユニット７は、溶接装置ＳＧの制御ユニット１５に配置される。１つの可能な実施形態では、ブロートーチ３は、例えばケーブルアセンブリ内に延在する信号線６を介して、局所的に決定された走査値を走査装置１の制御または評価ユニット７に報告する。１つの可能な実施形態では、走査装置１の制御ユニット７は、溶接装置ＳＧのブロートーチ３の移動を制御することができる。この目的のために、ブロートーチ３は、溶接装置ＳＧまたは溶接システムの制御可能なロボットアーム内に配置されてもよい。

図５に示される溶接装置ＳＧは、溶接だけでなく、ワークピース２のワークピース表面２Ａの走査にも適している。１つの可能な実施形態では、実際の溶接プロセスが実行される前に、この走査を実施することができる。１つの可能な実施形態では、溶接装置ＳＧは、入出力装置２９により走査を行うための動作モードに設定することができる。溶接装置ＳＧのこの走査動作モードでは、溶接ワイヤ電極４は、溶接ではなく、ワークピース２を走査するために使用される。

１つの可能な実施形態では、図６に概略的に示すように、ブロートーチ３はロボットアーム３１上に配置される。溶接ワイヤ電極４のワイヤ端部４Ａは、ツール基準点ＴＣＰ（ｔｏｏｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｏｉｎｔ）を形成する。図６に示すように、このツール基準点ＴＣＰは、較正本体３２を使用して走査測定値の誤差を低減するように較正することができる。図６に示す実施形態では、較正本体３２は円錐形状に形成されている。図６に示される円錐形状の較正本体３２は、ツール基準点ＴＣＰを較正するために走査装置１によって走査される。例えば、円錐形状の走査本体３２は、様々な高さＺで円に沿って走査される。測定された高さＺが一定のままである場合、ツール基準点ＴＣＰは正しく較正される。ツール基準点ＴＣＰは、基準または較正本体３２の較正面で較正されることが好ましい。較正は、好ましくは、ワークピース表面２Ａを走査するための走査プロセスが開始される前に実行される。ツール基準点ＴＣＰの較正が成功した後、特に金属ワークピース２のワークピース表面２Ａが続いて走査される。本発明による走査方法を使用して、ワークピース２の部品表面を測定することができる。例えば、特定のワークピース２の位置を正確に決定することができる。特に、較正本体３２の既知の位置について、ワークピース表面２Ａの絶対位置は、ワークピース表面２Ａが較正本体３２に対して決定されることにより決定することができる。さらに、互いに対する２つの異なるワークピース２の位置または配置をも決定することができる。例えば、溶接される２つの部品またはワークピース２の間に存在するキャビティまたはギャップは、本発明による走査方法によって測定され、その後、２つのワークピースはこの時点で共に溶接することができる。例えば、２つの部品間に存在するギャップは、溶接プロセスが実行される前に走査または測定され、その後、決定された測定データに応じた後続の溶接プロセスにおいて、２つの部品が共に溶接される。本発明による走査方法では、可能性のある走査誤差が検出され、好ましくは補償または修正される。結果として、ワークピース表面２Ａおよび／またはワークピース２間のキャビティの走査または較正の精度が高く、従って、その後に生成される溶接接続の品質を高めることができる。本発明による走査方法を使用して、例えば、ワークピース２の部品公差を検出し、補償することができる。本発明による方法では、走査中に使用する溶接ワイヤ電極４の摩耗が最小限に抑えられ、従って、ワークピース２が測定されるときの測定結果を向上させることができる。さらに、走査装置１を使用して、溶接プロセス中に生じる溶接シームを走査し、その品質に関する情報を得ることが可能である。

Claims (17)

1. 金属ワークピース（２）のワークピース表面（２Ａ）を走査する方法であって、溶接ワイヤ電極（４）を有するブロートーチ（３）が前記ワークピース表面（２Ａ）に対して移動して走査値が決定され、前記金属ワークピース（２）の前記ワークピース表面（２Ａ）上の走査位置（Ｐ）で前記金属ワークピース（２）との接触が検出されるまで、前記溶接ワイヤ電極（４）のワイヤ端部（４Ａ）が、前記ワークピース表面（２Ａ）に向かって反復して移動され、続いて、前記溶接ワイヤ電極（４）の前記ワイヤ端部（４Ａ）が戻るように移動される、方法において、
   前記ブロートーチ（３）は、走査測定値の誤差を決定するために、走査位置（Ｐ）において走査値（ｄ）を少なくともいくつかのケースでは複数回検出することを特徴とする、方法。
2. 前記溶接ワイヤ電極（４）の前記ワイヤ端部（４Ａ）は、前記ブロートーチ（３）から突出し、かつ調整可能な移動プロファイルおよび／または調整可能な移動頻度で前後に移動する、請求項１に記載の方法。
3. 前記溶接ワイヤ電極（４）を有する前記ブロートーチ（３）は、前記金属ワークピース（２）の前記ワークピース表面（２Ａ）に対して走査経路上を移動して、走査位置における第１の走査値が決定され、その後、同じ走査経路上で走査位置における第２の走査値が決定される、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記走査経路に沿って決定された第１の走査値（ｄ）と、前記走査経路に沿って決定された第２の走査値（ｄ’）とを比較して、走査測定値の誤差が決定される、請求項３に記載の方法。
5. 前記溶接ワイヤ電極（４）は、前記走査測定値の誤差を低減するために、決定された前記走査測定値の誤差に応じて駆動ローラ（１０Ａ、１０Ｂ）によって搬送される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記溶接ワイヤ電極（４）のワイヤ表面の接触点において駆動ローラ（１０Ａ、１０Ｂ）によって前記溶接ワイヤ電極に加えられる力の伝達を監視するために、前記溶接ワイヤ電極（４）の移動が検出される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記溶接ワイヤ電極（４）のワイヤ表面の接触点で前記駆動ローラ（１０Ａ、１０Ｂ）によって引き起こされる表面摩耗は、前記溶接ワイヤ電極（４）の検出されたワイヤの移動に基づいて自動的に検出され、前記溶接ワイヤ電極（４）は、結果として生じる走査測定値の誤差を低減するために、前記駆動ローラ（１０Ａ、１０Ｂ）によって異なる接触点に搬送される、請求項６に記載の方法。
8. 前記溶接ワイヤ電極（４）を搬送するために設けられた駆動ローラ（１０Ａ、１０Ｂ）は、電気モータ（９）によって駆動され、前記電気モータ（９）のモータ速度および／またはモータ電流信号が、前記溶接ワイヤ電極（４）のワイヤの移動を検出するために監視される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記溶接ワイヤ電極（４）の接触点において駆動ローラ（１０Ａ、１０Ｂ）によって引き起こされる前記溶接ワイヤ電極（４）のワイヤ表面の表面摩耗は、モータ速度信号および／またはモータ電流信号における特有のノイズから検出される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 所定の走査動作時間が経過した後、所定の走査距離が達成された後、および／または所定の数の走査値が得られた後、前記ブロートーチ（３）から突出し、かつ前記ワークピース表面（２Ａ）を走査するために使用される前記溶接ワイヤ電極（４）が、前記ブロートーチ（３）から所定の長さだけ搬送され、その長さに対して切断される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記溶接ワイヤ電極（４）のワイヤ表面の表面摩耗が検出された後、前記ブロートーチ（３）から突出し、かつ前記ワークピース表面（２Ａ）を走査するために使用される前記溶接ワイヤ電極（４）は、前記ブロートーチ（３）から所定の長さだけ搬送され、その長さに対して切断される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記溶接ワイヤ電極（４）の前記ワイヤ端部（４Ａ）と前記ワークピース（２）の前記ワークピース表面（２Ａ）との機械的接触が電気的に検出される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記溶接ワイヤ電極（４）の前記ワイヤ端部（４Ａ）によるワークピース表面（２Ａ）の機械的接触は、駆動ローラ（１０Ａ、１０Ｂ）を駆動するために提供される電気モータ（９）のモータ速度信号および／またはモータ電流信号を評価することによって検出される、請求項１または請求項２に記載の方法。
14. 前記溶接ワイヤ電極（４）の移動プロファイルおよび／または移動頻度は、前記溶接ワイヤ電極（４）の材料に応じて調整される、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記溶接ワイヤ電極（４）の前記ワイヤ端部（４Ａ）は、走査測定値の誤差を低減するために、較正本体（３２）によって較正されるツール基準点ＴＣＰを形成する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記溶接ワイヤ電極（４）の前記ワイヤ端部（４Ａ）に印加される電圧（Ｕ）が、前記ワークピース表面（２Ａ）が走査される前の規定値に設定され、前記ワイヤ端部（４Ａ）の前記ワークピース表面（２Ａ）との電気接触が電気短絡により流れる電流（Ｉ）から検出された後、前記溶接ワイヤ電極（４）の熱応力が低く保たれるように、前記ワークピース（２）の前記ワークピース表面（２Ａ）の走査中に前記電圧（Ｕ）が、前記溶接ワイヤ電極（４）の前記ワイヤ端部（４Ａ）に未調整で印加される、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 金属ワークピース（２）のワークピース表面（２Ａ）を走査する、溶接装置（ＳＧ）の走査装置であって、
    前記走査装置（１）は、溶接ワイヤ電極（４）を有するブロートーチ（３）をワークピース（２）の走査されるワークピース表面（２Ａ）に対して移動させて走査値（ｄ）を決定するのに適しており、その際に、金属ワークピース（２）のワークピース表面（２Ａ）の走査位置における前記金属ワークピース（２）との接触が検出されるまで、前記溶接ワイヤ電極（４）のワイヤ端部（４Ａ）を最初に前記ワークピース表面（２Ａ）に向かって反復して移動させて、続いて、前記溶接ワイヤ電極（４）の前記ワイヤ端部（４Ａ）が戻るように移動する、走査装置において、
    前記ブロートーチ（３）は、走査測定値の誤差を自動的に決定するために、前記金属ワークピース（２）の前記ワークピース表面（２Ａ）上の走査位置における走査値を少なくともいくつかのケースでは複数回検出することを特徴とする、走査装置。

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