WO2003070412A1 - Kurzzeit-lichtbogenschweisssystem und -verfahren - Google Patents

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WO2003070412A1
WO2003070412A1 PCT/EP2003/001468 EP0301468W WO03070412A1 WO 2003070412 A1 WO2003070412 A1 WO 2003070412A1 EP 0301468 W EP0301468 W EP 0301468W WO 03070412 A1 WO03070412 A1 WO 03070412A1
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welding
foot
component
short
welding head
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PCT/EP2003/001468
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English (en)
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Inventor
Reinhold Broehl
Original Assignee
Newfrey Llc
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Publication date
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Priority to JP2003569359A priority patent/JP2005517534A/ja
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Priority to US10/920,144 priority patent/US7166815B2/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/20—Stud welding
    • B23K9/201—Stud welding of the extremity of a small piece on a great or large basis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/20—Stud welding

Definitions

  • the present invention relates to a short time arc welding system for welding elements such as e.g. Metal bolts, on components such as Metal sheets with:
  • a robot which has at least one arm which is movable in at least one coordinate axis, a welding head which is mounted on the arm and on which a holding device for holding an element and a lifting device for moving the holding device back and forth relative to the welding head are provided, a measuring system for determining the relative position between a component and one to be welded onto the component and held by the holding device
  • the measuring system has a foot mounted on the welding head, which is designed in operation to contact the component in order to determine the relative position between the element and the component, and a storage device in which a plurality of welding positions can be stored.
  • the present invention further relates to a corresponding method for short-time arc welding.
  • a short-time arc welding system and an associated method are generally known.
  • short-time arc welding an element is welded onto a component. An arc is formed between the element and the component, which melts the end faces. Then the element and the component are moved towards each other so that the melts mix. The arc is short-circuited and the entire melt solidifies.
  • the relative position between the element and the component is usually measured before each welding operation, in particular in the form of a zero position determination.
  • This is of particular importance for robot-based systems.
  • Modern robots are generally able to position themselves comparatively precisely.
  • high precision cannot be achieved with very high dynamics, in particular due to the high moving masses.
  • the robots usually have a range of motion in three coordinates.
  • a robot is an automated linear guide (slide) on which a welding head is mounted.
  • Stud welding systems are used particularly in the automotive industry. They are mainly used to weld elements such as bolts with and without threads, eyelets, nuts, etc. onto the body panel. These elements then serve as holding anchors, for example for fastening interior panels.
  • the support foot is aligned approximately parallel to the holding device of the welding head.
  • the welding head is approximated to the component in order to determine the relative position.
  • the element first contacts the component.
  • the sweat- head continues to be fed until the support foot contacts the component.
  • the holding device is generally offset relative to the welding head against an elastic biasing force. The relative position between the element and the component can consequently be determined by the positive contact between the support foot and the welding head and by a suitable measuring system.
  • US-A-5,252,802 discloses a stud welding device with a housing which is designed as a hand gun.
  • a position motor first brings the housing into a position in which a bolt is arranged in the vicinity of a component.
  • a linear motor is provided in the housing to axially move a lift shaft that carries the pin.
  • a position measuring system is provided to control the linear motor.
  • the linear motor is activated in order to move the bolt onto the workpiece at a specific speed. As soon as the bolt touches the workpiece, an electrical contact closes.
  • WO 96/05015 also discloses a stud welding device without a support foot.
  • the studless stud welding has the disadvantage that an exact positional relationship between the latter and the element or stud cannot always be exactly maintained, particularly in the case of thin sheet metal as components. This is due to the fact that the thin sheet is often bent somewhat when it is contacted by the bolt. As soon as the bolt is lifted off the sheet in the drawn-arc process, the sheet moves back and the exact positional relationship is lost.
  • a disadvantage of stud welding with a support foot is that the support foot, which is inevitably arranged next to the stud, increases the space required for stud welding.
  • welding spots must generally be arranged where the component is flat. In the area of shoulders or depressions, it is often necessary to twist the arm of the robot so that the support foot does not hinder the movement of the welding head. This leads to the supply lines to the welding head being subjected to high stresses due to torsion, compression etc.
  • the measuring system further comprises positioning means in order to position the foot in a plurality of at least two different operating positions relative to an element held in the welding head, and in that the measuring system is designed to position the foot in a suitable operating position for each saved welding position.
  • the object is achieved by using a short-time arc welding system which has a control device in which a suitable operating position of a foot, which is designed for this purpose, is stored for a plurality of welding processes to be carried out automatically is to contact the component for determining the relative position between the element and component, and the method further comprises the steps: a) actuating a robot with an arm such that a welding head attached to the arm comes into a welding position for a selected welding process,
  • an operating position of a foot is to be understood as a position of the foot in which the foot is used to determine the relative position between the element and the component. In contrast to a rest position, the foot is therefore designed to contact the component in any operating position.
  • the positioning means are designed to position the foot approximately parallel to a welding axis, along which the elements are welded onto the components, in a plurality of positions relative to the held element. In this way, it is possible to weld welding elements even in areas of recesses in the components. The relative "height" of the support foot can then be adapted to the depth of this depression.
  • the positioning means are designed to position the foot in at least two different positions relative to the held element around an axis which is parallel to a welding axis, along which the elements are welded onto the components.
  • the measure of making the foot movable about a parallel axis, in particular around the welding axis itself, makes it possible to weld elements in the area of shoulders or edges of the components without the robot arm having to perform extreme movements.
  • the feed lines to the welding head at the end of the robot arm can be protected from excessive stresses such as upsetting, twisting, etc.
  • the positioning means have a foot displacement sensor which detects the position of the foot. In this way it is possible to regulate the positioning of the foot relative to the element held in the welding head. A high positioning accuracy can be achieved even with frequent repetitions. Since the foot length can change over time due to wear and tear, burn-up or deposits, etc., a closed control system for foot positioning also enables regular calibration. Changes in foot length can be compensated for in this way.
  • the welding head has elastic means for elastically prestressing the holding device in the feed direction.
  • the lifting device for the closing and resetting of the holding device can be held without energy in most operating states. As a result, there is little energy consumption.
  • the measuring system has a displacement sensor which detects the displacement of the holding device relative to the welding head.
  • the positioning means are designed to position the foot relative to the welding head.
  • an exact positional relationship between the foot and the element can be determined by the relative position between the foot and the welding head.
  • a relative positioning between the foot and the holding device is conceivable.
  • the positioning means have a motor and if the motor in the idle state applies a section modulus to axial motor movements, which is preferably greater than approximately 150 N.
  • a section modulus of more than 200 N is particularly preferred.
  • the foot When approaching the component, the foot is moved with a not inconsiderable force until the foot contacts the component.
  • a motor with the intended moment of resistance to motor movements from retirement can hold the set position even if the foot hits the component relatively hard. The position preset by the motor is therefore retained.
  • the positioning means have clamping means in order to fix the foot in the axial state in relation to the held element in the idle state.
  • a motor of the positioning means it is not absolutely necessary for a motor of the positioning means to have a high section modulus against axial movements.
  • the gill means ensure that the foot remains in the position set by the motor, even when the foot hits the component with high force or high speed.
  • steps a) and b) are carried out overlapping. In this way, the support foot can be moved in a time-saving manner during the movement of the robot to a new welding position in the appropriate foot position.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of a short-time arc welding system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic view of the welding head of the short-time arc welding system from FIG. 1 from below;
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a welding process in a recess of a component
  • Fig. 4 is a schematic representation of a welding process on a shoulder of a component.
  • a first embodiment of a short-time arc welding system is generally designated 10.
  • the short-time arc welding system 10 which will be referred to as stud welding system 10 below, includes a robot 12.
  • the robot 12 has a rotary head 14, by means of which a single-joint or multi-joint arm 16 can be rotated. Overall, the robot 12 is designed to move the end of the arm freely in three coordinate axes x, y, z.
  • a welding head base 20 is attached to the end of the robot arm 16.
  • the welding head base 20 carries a carriage 21 which is parallel to an axis relative to the welding head base 20 26 can be moved back and forth.
  • a welding head 22 is mounted on the carriage 21.
  • a pneumatic arrangement 24 serves to move the welding head 22 back and forth in relation to the welding head base 20 by means of the slide 21.
  • the welding head 22 has a holding device 30, which is designed to releasably hold a metal element such as a bolt 32.
  • the holding device 30 has suitable clamping means, which are not shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 also shows a metal component, such as a sheet 34, which is oriented essentially perpendicular to the axis 26.
  • a support foot 31 is also provided.
  • the welding head 22 also has a lifting device 36.
  • the lifting device 36 serves to move the holding device 30 in relation to the welding head 22 in an axial direction which is aligned parallel to the axis 26.
  • the lifting device 30 has a stroke 37 which can be, for example, in the range between 8 mm and 20 mm, in particular in the range between 10 mm and 15 mm.
  • the stroke of the pneumatic arrangement 24 can be in the range between 2 cm and 10 cm, in particular in the range between 4 cm and 6 cm.
  • the lifting device 36 is formed by a linear motor. In the illustrated embodiment, however, the lifting device 36 is formed by a spring magnet system.
  • the welding head 22 has a permanent magnet 38.
  • a coil 39 is formed on a sleeve-shaped section of the holding device 30 and can be excited in a controlled manner. When excited, the holding device 30 is drawn into the welding head 22, specifically against the action of a compression spring 40.
  • the compression spring 40 acts on the one hand on the welding head 22 or the movable part of the slide 21 and on the other hand on the holding device 30.
  • the welding head 22 also has a displacement sensor 44, which is only indicated schematically in FIG. 1.
  • the displacement sensor 44 serves to detect the relative position between the holding device 30 and the welding head 22.
  • the displacement sensor 44 can have a code reader on the holding device 30, which reads a linear coding on the welding head 22 (or vice versa).
  • a control device 46 is also provided.
  • the control device 46 is connected to the robot 12 and to the pneumatic arrangement 24, the lifting device 36 and the displacement sensor 44.
  • the control device 46 is used to control the movable elements of the stud welding system 10 in a coordinated manner with respect to one another, or to control their movement, speed and / or Regulate acceleration based on the signals from the displacement sensor 44.
  • the relative position between the element 32 and the component 34 is generally determined as follows. In an initial position, the coil 39 is not energized. The holding device 30 projects at most from the welding head 22. In this situation, the component 32 protrudes somewhat from the axial end of the support foot 31. The welding head 22 is then moved towards the component 34 by means of the actuator 24 until the element .32 contacts the component 34. This movement continues until the axial end of the support foot 31 contacts the component 34. At this point the movement of the actuator 24 is interrupted. This position is shown in Fig. 1.
  • the welding process is then carried out as usual, in that a pilot current is passed through the element 32 and the component 34 and the element 32 is then lifted off the component 34.
  • the support foot 31 prevents "rebounding of the component 34".
  • the actual welding current is switched on.
  • the opposing surfaces melt.
  • the bolt 32 is lowered onto the component 34, generally to below the position shown in FIG. 1, so that it plunges into the melt of the component 34.
  • the welding current is switched off. The entire melt ' solidifies, the welding process is complete.
  • the lifting device 36 it is also possible to bring the welding head 22 closer to the component 34, the holding device 30 being in a retracted position, ie the element 32 not opposite the axial end of the support foot 31 projects. In this case, the welding head 22 is brought closer until the support foot 31 has contacted the component 34. The linear motor of the lifting device 36 is then actuated in order to lower the element 32 down to the component 34.
  • the support foot 31 is designed to be movable by means of an actuator 50.
  • the actuator 50 is provided in a drive housing 52 which is movably mounted on an outside of the welding head 22. As shown in FIG. 1, the actuator 50 is able to move the support foot 31, which is rigidly mounted on the drive housing 52, up and down in a direction 54 approximately parallel to the welding axis 26. It is preferred if the actuator 50 has a stepper motor, which can move the support foot 31 into a plurality of different axial positions relative to the welding head 22, in increments of generally less than 1 mm.
  • the drive housing 52 with the support foot 31 mounted thereon can be moved around the pivot axis 26, as is indicated schematically at 56.
  • the range of motion is usually between 90 and 270 °, in the illustrated embodiment 180 °. Due to this relative mobility of the support foot 31 with respect to the welding head 22 and thus also with respect to the element 32, welding operations can be carried out on any contours of the component 34.
  • a clamping device 58 is also indicated schematically.
  • the clamping device 58 serves to clamp the support foot 31 to the welding head 22 in a respective operating position.
  • the clamping effect acts primarily in the axial direction. This prevents the support foot 31 from being relatively out of the operating position is moved to the welding head 22 when the welding head 22 is moved towards the sheet 34 and the support foot 31 touches the sheet 34.
  • the clamping device 58 can also be dispensed with.
  • the holding force of the motor should preferably be greater than about 150 N, particularly preferably greater than 200 N.
  • a foot displacement sensor 60 is also shown in FIG. 1.
  • the foot displacement sensor 60 is designed to detect the relative position between the support foot 31 and the welding head 22.
  • the foot displacement sensor 60 detects a marking 62 on a part of the support foot 31 or the drive housing 52 which is movable relative to the welding head 22.
  • the marking indicated at 62 in FIG. 1 serves to detect the axial position of the support foot 31 with respect to the welding head 22.
  • FIG. 2 it is also shown that a collar 64 which rotates with the drive housing 52 is provided on the welding head 22.
  • a further marking 66 is provided on the rim 64 and can be detected by the displacement sensor 60.
  • the foot displacement sensor 60 can also detect the angular position of the support foot 31 with respect to the welding head 22.
  • foot displacement sensor 60 can detect the relative position between the support foot 31 and the welding head 22. The information about this relative position is fed to the control device 46. A closed control loop is present in the control device 46 in order to set the respectively desired operating position of the support foot 31 with respect to the welding head 22.
  • this control loop can be calibrated in order to compensate for changes in the effective length of the support foot 31, for example as a result of wear, burning, accumulation of material or the like. Furthermore, it goes without saying that the displacement measuring system for detecting the relative position between the support foot 31 and the welding head 22 and the displacement measuring system 44 for detecting the relative position between the stud 32 and the welding head 22 can be coordinated with one another. As a result, the relative position of all critical movable elements of the welding head base 20 is known at all times.
  • FIG. 1 shows a standard situation which is identified by the index "a".
  • the component 34 is almost flat in the area of the weld. Consequently, the support foot 31 is in a position in which known welding systems have rigidly mounted the support foot.
  • Fig. 3 shows in schematic form a welding process of a bolt-like element 32 in a groove of a component 34 b .
  • the groove is so narrow that the support foot 31 rests in the edge region of the groove, as shown at 31 b .
  • Position 31 is also shown in dashed lines in FIG. 1.
  • a welding process with a support leg would not have been possible with known welding systems.
  • the support foot 31 is moved into a suitable position determined by a teach-in, namely the position 31 b, before the welding head 22 approaches the component 34 b . Then the approximation process takes place in the same way as described above.
  • FIG. 4 shows a situation in which a welding stud is to be placed near a shoulder of a component 34 0 .
  • the shoulder is located at the position where the support foot 31 would conventionally be if the welding head came straight to the shoulder. Consequently, in the prior art, the robot 12 would have to rotate the welding head 22 at least 90 ° before the approaching process. This would result in twisting and possibly compression of feed lines to the welding head 22.
  • the welding head 22 can be guided directly to the welding point on a straight path.
  • the support foot 31 is pivoted by 180 ° by means of the actuator 50, into the position 31 0 shown in FIG. 4.
  • the relative position is determined, for example, as follows:
  • control device 46 is electrically connected to the bolt 32 via lines, not shown. Furthermore, the control device 46 is able to apply a measuring voltage to the bolt 32.
  • the component 34 can be grounded, for example, so that it can be detected via a suitable current measuring device as soon as the element 32 makes electrical contact with the component 34.
  • the robot 12 is actuated in order to bring the welding head base 20 into a basic welding position by means of the rotary head 14 and the robot arm 16, which is shown in FIG. 1.
  • the welding head base 20 is at a certain distance above the component 34, the axis 26 being perpendicular to the desired welding position of the component 34.
  • the pneumatic arrangement 24 is then actuated so that the welding head 22 is extended in the direction of the component 34, namely by the full stroke, up to a head welding position.
  • the element 32 is at a distance from the component 34 that is smaller than the maximum stroke 37 of the lifting device 36.
  • the lifting device 36 is then actuated such that the element 32 is moved towards the component 34 until it contacts the component 34. This movement is preferably carried out at a constant speed. The distance covered is detected by the distance sensor 44. As soon as the element 32 contacts the component 34, a circuit starting from the measuring voltage is closed. This is detected by the control device 46 and the lifting device 36 is stopped. Furthermore, the contact position between element 32 and component 34 present at this point in time is used as the “zero position” for the further welding process. The exact relative position between element 32 and component 34 is consequently known via the displacement sensor 44 over the entire subsequent welding process, provided that the component 34 does not "spring back" when the element 32 is lifted off. The welding process can consequently be carried out independently of any tolerances in the positioning by the robot 12 or by the pneumatic arrangement 24 with the desired positional relationship between the element 32 and the component 34.
  • the actual stud welding process then takes place in a manner known per se. After the measuring voltage has been disconnected, a pilot current is applied to the element 32. The element 32 is then raised relative to the component 34 so that an arc is drawn. After a certain height has been reached, the actual welding current is switched on, by means of which the energy of the arc is increased so that the end face of the element 32 and the associated location of the component 34 are melted.
  • the lifting device 36 returns the element 32 to the component. As soon as the electrical contact is achieved again, the arc is short-circuited and the welding current is switched off.
  • the infeed process takes place somewhat below the surface of the component 34, so that the mutual melts are thoroughly mixed.
  • the entire melt solidifies and the actual welding process is completed.
  • the holding device releases the element 32.
  • the lifting device 36 is then switched off.
  • the holding device 30 is consequently returned to the retracted rest position by the spring 40.
  • control device 46 is then controlled by the control device 46 in such a way that the welding head 22 returns to the retracted starting position.
  • the element 32 can be approached to the component 34 in a highly dynamic and high precision.
  • the combination of control device 46, displacement sensor 44 and lifting device 36 is then preferably used to determine the relative position between element 32 and component 34, preferably with or possibly also without support foot 31.
  • the robot 12 and the slide 21 can also be replaced by a simple, automatically driven linear guide.
  • both axial positions are operating positions. This means that the support foot 31 is used in both operating positions to contact the component (sheet) 34 in order to determine the relative position between element (bolt) 32 and component (sheet) 34.
  • a freely selectable axial position is of course more ideal.
  • the support foot 31 can only be pivoted back and forth between two angular positions. Both angular positions are operating positions in the above sense.
  • the support foot is pivoted about the welding axis
  • embodiments are also conceivable in which it is pivoted about an axis parallel to it. Since the support foot is often bent at its free end, it is also possible to pivot the support foot about its own axis.
  • the position of the support foot in FIG. 3 can be a rest position for a welding process on a straight plate 34a, as shown in FIG. 1.

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Abstract

Es werden vorgeschlagen ein Kurzzeit-Lichtbogenschweisssystem (10) und -Verfahren zum Schweissen von Elementen (32) auf Bauteile (34a), wobei das System ausgestattet ist mit: einem Roboter (12), der wenigstens einen Arm (16) aufweist, der in wenigstens einer Koordinatenachse (x, y, z) beweglich ist, einem Schweisskopf (22), der an dem Arm (16) gelagert ist und an dem eine Haltevorrichtung (30) zum Halten eines Elementes (32) und eine Hubvorrichtung (36) zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung (30) relativ zu dem Schweisskopf (22) vorgesehen sind, einem Messsystem (31a, 44, 46) zum Bestimmen der Relativlage zwischen einem Bauteil (34) und einem auf das Bauteil (34) aufzuschweissenden, von der Haltevorrichtung (30) gehaltenen Element (32), wobei das Messsystem einen an dem Schweisskopf (22) gelagerten Fuss (31a) aufweist, der im Betrieb dazu ausgelegt ist, das Bauteil (34a) zu kontaktieren, um die Relativlage zwischen dem Element (32) und dem Bauteil (34a) zu bestimmen, und einer Speichereinrichtung (46), in der eine Mehrzahl von Schweisspositionen abspeicherbar ist. Dabei weist das Messsystem ferner Positioniermittel (50) auf, um den Fuss (31a) relativ zu einem in dem Schweisskopf (22) gehaltenen Element (32) in einer Vielzahl von wenigstens zwei unterschiedlichen Betriebspositionen (a-c) zu positionieren, und das Messsystem (46) ist dazu ausgelegt, den Fuss (31a) für jede abgespeicherte Schweissposition jeweils in eine geeignete Betriebsposition zu positionieren.

Description

Kurzzeit-Lichtbogenschweißsvstem und -verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem zum Schweißen von Elementen, wie z.B. Metallbolzen, auf Bauteile, wie z.B. Metallbleche mit:
einem Roboter, der wenigstens einen Arm aufweist, der in wenigstens in einer Koordinatenachse beweglich ist, einem Schweißkopf, der an dem Arm gelagert ist und an dem eine Haltevorrichtung zum Halten eines Elementes und eine Hubvorrichtung zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung relativ zu dem Schweißkopf vorgesehen sind, einem Meßsystem zum Bestimmen der Relativlage zwischen einem Bauteil und einem auf das Bauteil aufzuschweißenden, von der Haltevorrichtung gehaltenen
Element, wobei das Meßsystem einen an dem Schweißkopf gelagerten Fuß aufweist, der im Betrieb dazu ausgelegt ist, das Bauteil zu kontaktieren, um die Relativlage zwischen dem Element und dem Bauteil zu bestimmen, und einer Speichereinrichtung, in der eine Mehrzahl von Schweißpositionen abspeicherbar ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Kurzzeit- Lichtbogenschweißen. Ein solches Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem und ein zugehöriges Verfahren sind allgemein bekannt. Beim Kurzzeit-Lichtbogenschweißen wird ein Element auf ein Bauteil aufgeschweißt. Dabei wird ein Lichtbogen zwischen Element und Bauteil gebildet, der die Stirnflächen anschmelzt. Anschließend werden das Element und das Bauteil aufeinander zu bewegt, so daß sich die Schmelzen vermischen. Der Lichtbogen wird kurzgeschlossen und die Gesamtschmelze erstarrt.
Üblich ist es, den Lichtbogen zu ziehen (Hubzündung). Dabei wird das Element zunächst auf das Bauteil aufgesetzt. Anschließend wird ein Pilotstrom eingeschaltet und das Element wird gegenüber dem Bauteil bis auf eine gewünschte Höhe angehoben, wobei ein Lichtbogen gezogen wird. Erst danach wird der Schweißstrom zugeschaltet.
Um gleichbleibend gute Schweißergebnisse zu erzielen, ist es unter anderem wichtig, die Relativstellung zwischen Element und Bauteil zu kennen, insbesondere das Element auf die richtige Höhe anzuheben, bevor der Schweißstrom zugeschaltet wird. Zu diesem Zweck erfolgt in der Regel vor jedem Schweißvorgang eine Messung der Relativstellung, insbesondere in Form einer Nullpositionsbestimmung. Dies ist bei roboter-basierten Systemen von besonderer Bedeutung. Zwar sind moderne Roboter generell in der Lage, vergleichsweise präzise zu positionieren. Eine hohe Präzision läßt sich jedoch insbesondere aufgrund der hohen bewegten Massen nicht mit sehr hoher Dynamik erzielen. Üblicherweise haben die Roboter einen Bewegungsumfang in drei Koordinaten. Im einfachsten Fall ist ein Roboter eine automatisiert angetriebene Linearführung (Schlitten), an der ein Schweißkopf gelagert ist.
Bolzenschweißsysteme werden insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzt. Sie dienen dort vor allem dazu, Elemente wie Bolzen mit und ohne Gewinde, Ösen, Muttern, etc. auf das Karosserieblech aufzuschweißen. Diese Elemente dienen dann als Halteanker, um bspw. Innenraumverkleidungen zu befestigen.
In der Kraftfahrzeugindustrie kommt es auf die Herstellungsgeschwindigkeit maßgeblich an. Innerhalb weniger Minuten sind Hunderte von Elementen an unterschiedlichen Positionen automatisiert mittels Roboter aufzuschweißen. Die Roboter müssen folglich mit hoher Dynamik bewegt werden.
Daher ist es bekannt, am Arm eines Roboters eine Schweißkopf basis anzubringen, die einen Schlitten trägt. Der Schlitten ist hochdynamisch mit hoher Präzision beweglich, üblicherweise mittels eines pneumatischen oder hydraulischen Systems. An dem Schlitten ist der eigentliche Schweißkopf gelagert, der wiederum über eine Hubvorrichtung zum Bewegen des Elementes verfügt.
Zum Bestimmen der Relativlage zwischen dem Element und dem Bauteil ist es bekannt, an dem Schweißkopf einen sog. Stützfuß zu befestigen (bspw. aus "Neue TUCKER- Technologie. Bolzenschweißen mit System", Emhart Tucker, September 1999). Der Stützfuß ist etwa parallel zu der Haltevorrichtung des Schweißkopfes ausgerichtet. In einer Ausgangsposition steht das in der Haltevorrichtung gehaltene Element etwas gegenüber dem Stützfuß vor. Zum Bestimmen der Relativlage wird der Schweißkopf an das Bauteil angenähert. Dabei kontaktiert zunächst das Element das Bauteil. Der Schweiß- kopf wird weiter zugestellt, bis der Stützfuß das Bauteil kontaktiert. Dabei wird die Haltevorrichtung in der Regel gegen eine elastische Vorspannkraft relativ zu dem Schweißkopf versetzt. Durch den formschlüssigen Kontakt zwischen dem Stützfuß und dem Schweißkopf sowie durch ein geeignetes Meßsystem läßt sich folglich die Relativlage zwischen dem Element und dem Bauteil bestimmen.
Alternativ hierzu sind auch sogenannte stützfußlose Meßsysteme zum Bestimmen der Relativlage zwischen dem Element und dem Bauteil bekannt. So offenbart die US-A- 5,252,802 eine Bolzenschweißvorrichtung mit einem Gehäuse, das als Handpistole ausgebildet ist. Ein Positionsmotor bringt zunächst das Gehäuse in eine Position, bei der ein Bolzen in der Nähe eines Bauteiles angeordnet ist. In dem Gehäuse ist ein Linearmotor vorgesehen, um einen Hubschaft axial zu bewegen, der den Bolzen trägt. Zur Steuerung des Linearmotors ist ein Wegmeßsystem vorgesehen. Zum Bestimmen der Relativlage zwischen Bolzen und Werkstück wird der Linearmotor angesteuert, um den Bolzen mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf das Werkstück zu zubewegen. Sobald der Bolzen das Werkstück berührt, schließt ein elektrischer Kontakt.
Ferner ist es aus der WO 96/11767 bekannt, den Bolzenhalter in Richtung auf das Werkstück elastisch vorzuspannen, und mittels eines Linearmotors gegen die Vorspannung axial zu bewegen.
Auch die WO 96/05015 offenbart eine Bolzenschweißvorrichtung ohne Stützfuß.
Das stützfußlose Bolzenschweißen hat jedoch den Nachteil, daß insbesondere bei dünnen Blechen als Bauteile eine exakte Lagebeziehung zwischen diesem und dem Element bzw. Bolzen nicht immer exakt aufrechterhalten werden kann. Dies liegt daran, daß das dünne Blech bei Kontaktierung durch den Bolzen häufig etwas durchgebogen wird. Sobald der Bolzen im Hubzündungsverfahren von dem Blech wieder abgehoben wird, fährt das Blech zurück und die exakte Lagebeziehung geht verloren.
Beim Bolzenschweißen mit Stützfuß ist dieses Problem im wesentlichen nicht vorhanden. Denn während des gesamten Schweißvorganges kontaktiert der Stützfuß das Bauteil bzw. Blech. Folglich kann durch diese mechanische Kopplung immer eine exakte Lagebeziehung aufrechterhalten werden.
Nachteilig bei dem Bolzenschweißen mit Stützfuß ist es jedoch, daß der zwangsläufig neben dem Bolzen angeordnete Stützfuß den beim Bolzenschweißen notwendigen Platzbedarf vergrößert. Zudem müssen Schweißpunkte generell dort angeordnet werden, wo das Bauteil plan ist. Im Bereich von Absätzen oder Vertiefungen ist es häufig notwendig, den Arm des Roboters so zu verdrehen, daß der Stützfuß die Bewegung des Schweißkopfes nicht behindert. Dies führt dazu, daß die Zuführleitungen zu dem Schweißkopf hohen Beanspruchungen ausgesetzt werden aufgrund von Torsion, Stau- chung etc.
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem und Verfahren zum Kurzzeit-Lichtbogenschweißen anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem dadurch gelöst, daß das Meßsystem ferner Positioniermittel aufweist, um den Fuß relativ zu einem in dem Schweißkopf gehaltenen Element in einer Vielzahl von wenigstens zwei unterschiedlichen Betriebspositionen zu positionieren, und daß das Meßsystem dazu ausgelegt ist, den Fuß für jede abgespeicherte Schweißposition jeweils in eine geeignete Betriebsposition zu positionieren.
Bei dem eingangs genannten Kurzzeit-Lichtbogenschweißverfahren erfolgt die Lösung der Aufgabe, indem bei dem Verfahren ein Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem eingesetzt wird, das eine Steuereinrichtung aufweist, in der für eine Mehrzahl von automatisiert durchzuführenden Schweißvorgängen eine jeweilige geeignete Betriebsposition eines Fußes abgelegt ist, der dazu ausgelegt ist, das Bauteil zur Bestimmung der Rela- tivlage zwischen Element und Bauteil zu kontaktieren, und wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist: a) Ansteuern eines Roboters mit einem Arm so, daß ein an dem Arm festgelegter Schweißkopf in eine Schweißposition für einen ausgewählten Schweißvorgang gelangt,
b) Positionieren des Fußes in eine Betriebsposition, die für den ausgewählten Schweißvorgang geeignet ist,
c) Annähern des Elementes an das Bauteil, bis der Fuß das Bauteil kontaktiert, und
d) Durchführen des ausgewählten Schweißvorganges.
Mit der Erfindung ist es möglich, Bolzenschweißen mit Stützfuß an Bauteilen beliebiger Kontur durchzuführen.
Unter einer Betriebsposition eines Fußes ist im vorliegenden Zusammenhang jeweils eine Position des Fußes zu verstehen, in der der Fuß dazu benutzt wird, die Relativlage zwischen dem Element und dem Bauteil zu bestimmen. In jeder Betriebsposition ist der Fuß folglich im Gegensatz zu einer Ruheposition dazu ausgelegt, das Bauteil zu kontaktieren.
Folglich können bei allen Schweißvorgängen die Vorteile des Bolzenschweißens mit Stützfuß erlangt werden. Durch die relative Beweglichkeit zwischen Stützfuß und Bolzen können Schweißvorgänge an beliebigen Stellen durchgeführt werden, ohne daß der Stützfuß "im Wege" ist.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn die Positioniermittel dazu ausgelegt sind, den Fuß etwa parallel zu einer Schweißachse, entlang der die Elemente auf die Bauteile aufgeschweißt werden, in einer Vielzahl von Positionen relativ zu dem gehaltenen Element zu positionieren. Auf diese Weise ist es möglich, Schweißelemente auch in Bereichen von Vertiefungen der Bauteile aufzuschweißen. Die relative "Höhe" des Stützfußes kann dann an die Tiefe dieser Vertiefung angepaßt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Positioniermittel dazu ausgelegt, den Fuß um eine Achse herum, die parallel ist zu einer Schweißachse, entlang der die Elemente auf die Bauteile aufgeschweißt werden, in wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen relativ zu dem gehaltenen Element zu positionieren. Diese Merkmale werden in Verbindung mit dem Oberbegriff des Hauptanspruches als eigene Erfindung angesehen.
Durch die Maßnahme, den Fuß um eine parallele Achse, insbesondere um die Schweißachse selbst herum beweglich auszugestalten, ist es möglich, Elemente auch im Bereich von Absätzen oder Kanten der Bauteile aufzuschweißen, ohne daß der Roboterarm extreme Bewegungen ausführen muß. Demzufolge können die Zuleitungen zu dem Schweißkopf am Ende des Roboterarmes vor übermäßigen Beanspruchungen wie Stauchen, Verdrehen etc. bewahrt werden.
Ferner ist dadurch, daß der Umfang der Roboterbewegungen verringert werden kann, eine höhere Zykluszeit zwischen einzelnen Schweißvorgängen realisierbar.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Positioniermittel einen Fuß-Wegsensor aufweisen, der die Position des Fußes erfaßt. Auf diese Weise ist es möglich, die Positionierung des Fußes relativ zu dem in dem Schweißkopf gehaltenen Element zu regeln. Auch bei häufigen Wiederholungen läßt sich so eine hohe Positioniergenauigkeit realisieren. Da die Fußlänge sich aufgrund von Abnutzung, Abbrand oder auch Anlagerungen etc. im Lauf der Zeit verändern kann, ermöglicht ein geschlossenes Regelsystem zur Fußpositionierung ferner eine regelmäßige Kalibrierung. Änderungen der Fußlänge können so ausgeglichen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Schweißkopf elastische Mittel auf, um die Haltevorrichtung in Zustellrichtung elastisch vorzuspannen. Durch diese Maßnahme kann die Hubvorrichtung zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung in den meisten Betriebszuständen energielos gehalten werden. Folglich ergibt sich ein geringer Energieverbrauch. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Meßsystem einen Wegsensor auf, der den Weg der Haltevorrichtung relativ zu dem Schweißkopf erfaßt.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Positioniermittel dazu ausgelegt sind, den Fuß relativ zu dem Schweißkopf zu positionieren.
Da ein von der Haltevorrichtung gehaltenes Element in der Regel eine bekannte Lagebeziehung zu dem Schweißkopf aufweist, läßt sich durch die Relatiwerstellung zwischen Fuß und Schweißkopf eine exakte Lagebeziehung zwischen Fuß und Element bestimmen. Alternativ ist eine Relativpositionierung zwischen Fuß und Haltevorrichtung denkbar.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Positioniermittel einen Motor aufweisen und wenn der Motor im Ruhezustand ein Widerstandsmoment gegenüber axialen Motorbewegungen aufbringt, das vorzugsweise größer ist als etwa 150 N.
Besonders bevorzugt ist ein Widerstandsmoment von mehr als 200 N.
Der Fuß wird beim Annähern an das Bauteil mit einer nicht unerheblichen Kraft bewegt, bis der Fuß das Bauteil kontaktiert. Ein Motor mit dem vorgesehenen Widerstandsmoment gegenüber Motorbewegungen aus dem Ruhestand vermag die eingestellte Position auch dann zu halten, wenn der Fuß relativ hart auf das Bauteil auftrifft. Die von dem Motor vorab eingestellte Position bleibt folglich erhalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Positioniermittel Klemmittel auf, um den Fuß im Ruhezustand in axialer Richtung gegenüber dem gehaltenen Element festzulegen. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht unbedingt notwendig, daß ein Motor der Positioniermittel ein hohes Widerstandsmoment gegenüber Axialbewegungen aufweist. Zusätzlich oder statt dessen sorgen die Kiemmittel dafür, daß der Fuß in der von dem Motor eingestellten Position verbleibt, auch dann, wenn der Fuß mit hoher Kraft bzw. hoher Geschwindigkeit auf das Bauteil auftrifft. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kurzzeit-Lichtbogenschweißen ist es ferner von Vorteil, wenn die Schritte a) und b) überschneidend durchgeführt werden. Auf diese Weise kann der Stützfuß zeitsparend während der Bewegung des Roboters zu einer neuen Schweißposition in die jeweils geeignete Fußposition bewegt werden.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach-stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystems; und
Fig. 2 eine schematische Ansicht des Schweißkopfes des Kurzzeit-Lichtbogen- schweißsystems der Fig. 1 von unten;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schweißvorgangs in einer Vertiefung eines Bauteiles; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schweißvorgangs an einer Schulter eines Bauteils.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystems generell mit 10 bezeichnet. Das Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem 10, das im folgenden kurz Bolzenschweißsystem 10 genannt wird, beinhaltet einen Roboter 12. Der Roboter 12 weist einen Drehkopf 14 auf, mittels dessen ein ein- oder mehrgelenkiger Arm 16 verdreht werden kann. Insgesamt ist der Roboter 12 dazu ausgelegt, das Ende des Armes in drei Koordinatenachsen x, y, z frei zu bewegen. An dem Ende des Roboterarms 16 ist eine Schweißkopfbasis 20 angebracht. Die Schweißkopfbasis 20 trägt einen Schlitten 21 , der relativ zu der Schweißkopfbasis 20 parallel zu einer Achse 26 hin- und herbewegt werden kann. An dem Schlitten 21 ist ein Schweißkopf 22 montiert.
Eine Pneumatikanordnung 24 dient dazu, den Schweißkopf 22 in Bezug auf die Schweißkopf basis 20 mittels des Schlittens 21 hin- und herzubewegen.
Der Schweißkopf 22 weist eine Haltevorrichtung 30 auf, die dazu ausgelegt ist, ein Metallelement wie einen Bolzen 32 lösbar zu halten. Zu diesem Zweck weist die Haltevorrichtung 30 geeignete Spannmittel auf, die in Fig. 1 nicht näher dargestellt sind.
In Fig. 1 ist ferner ein Metallbauteil, wie ein Blech 34, gezeigt, das im wesentlichen senkrecht zu der Achse 26 ausgerichtet ist.
An der Schweißkopf basis 20 ist ferner ein Stützfuß 31 vorgesehen.
Der Schweißkopf 22 weist ferner eine Hubvorrichtung 36 auf. Die Hubvorrichtung 36 dient dazu, die Haltevorrichtung 30 in Bezug auf den Schweißkopf 22 in einer axialen Richtung zu versetzen, die parallel zu der Achse 26 ausgerichtet ist. Die Hubvorrichtung 30 hat einen Hub 37, der beispielsweise im Bereich zwischen 8 mm und 20 mm, insbe- sondere im Bereich zwischen 10 mm und 15 mm liegen kann. Im Vergleich hierzu kann der Hub der Pneumatikanordnung 24 im Bereich zwischen 2 cm und 10 cm betragen, insbesondere im Bereich zwischen 4 cm und 6 cm.
In der Regel ist die Hubvorrichtung 36 durch einen Linearmotor gebildet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Hubvorrichtung 36 jedoch gebildet durch ein Feder- Magnetsystem. Der Schweißkopf 22 weist einen Permanentmagneten 38 auf. An einem hülsenförmigen Abschnitt der Haltevorrichtung 30 ist eine Spule 39 ausgebildet, die gesteuert erregbar ist. Bei Erregung wird die Haltevorrichtung 30 in den Schweißkopf 22 hineingezogen, und zwar gegen die Wirkung einer Druckfeder 40. Die Druckfeder 40 greift einerseits an dem Schweißkopf 22 bzw. dem beweglichen Teil des Schlittens 21 und andererseits an der Haltevorrichtung 30 an. Auch weist der Schweißkopf 22 einen Wegsensor 44 auf, der in Fig. 1 lediglich schematisch angedeutet ist. Der Wegsensor 44 dient dazu, die Relativposition zwischen Haltevorrichtung 30 und Schweißkopf 22 zu erfassen. Zu diesem Zweck kann der Wegsensor 44 einen Code-Leser an der Haltevorrichtung 30 aufweisen, der eine lineare Codierung an dem Schweißkopf 22 liest (oder umgekehrt).
Ferner ist eine Steuereinrichtung 46 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 46 ist verbunden mit dem Roboter 12 sowie mit der Pneumatikanordnung 24, der Hubvorrichtung 36 und dem Wegsensor 44. Die Steuereinrichtung 46 dient dazu, die beweglichen Elemente des Bolzen-Schweißsystems 10 koordiniert zueinander zu steuern bzw. deren Bewegung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung auf der Grundlage der Signale des Wegsensors 44 zu regeln.
Die Relativlage zwischen dem Element 32 und dem Bauteil 34 wird im allgemeinen wie folgt bestimmt. In einer Ausgangsposition ist die Spule 39 nicht erregt. Die Haltevorrichtung 30 steht maximal gegenüber dem Schweißkopf 22 vor. Das Bauteil 32 steht in die- ser Situation etwas gegenüber dem axialen Ende des Stützfußes 31 vor. Anschließend wird der Schweißkopf 22 mittels des Stellantriebes 24 auf das Bauteil 34 zubewegt, bis das Element .32 das Bauteil 34 kontaktiert. Diese Bewegung wird fortgesetzt, bis das axiale Ende des Stützfußes 31 das Bauteil 34 kontaktiert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Bewegung des Stellantriebes 24 unterbrochen. Diese Position ist in Fig. 1 dargestellt.
Anschließend wird wie üblich der Schweißvorgang durchgeführt, indem ein Pilotstrom durch das Element 32 und das Bauteil 34 geführt wird und das Element 32 anschließend von dem Bauteil 34 abgehoben wird. Der Stützfuß 31 verhindert ein "Nachfedern des Bauteiles 34". Sobald das Element 32 um eine geeignete Distanz gegenüber dem Bauteil 34 abgehoben ist, wird der eigentliche Schweißstrom zugeschaltet. Die einander gegenüberliegenden Flächen schmelzen an. Anschließend wird der Bolzen 32 auf das Bauteil 34 abgesenkt, und zwar in der Regel bis unterhalb der in Fig. 1 dargestellten Position, so daß er in die Schmelze des Bauteiles 34 eintaucht. Mit dem Erreichen des Bauteiles 34 wird der Schweißstrom abgeschaltet. Die Gesamtschmelze ' erstarrt, Der Schweißvorgang ist abgeschlossen. Es versteht sich, daß es im Falle der Verwendung eines Linearmotors als Hubvorrichtung 36 auch möglich ist, den Schweißkopf 22 an das Bauteil 34 anzunähern, wobei sich die Haltevorrichtung 30 in einer zurückgezogenen Position befindet, das Element 32 also nicht gegenüber dem axialen Ende des Stützfußes 31 vorsteht. In diesem Fall erfolgt das Annähern des Schweißkopfes 22, bis der Stützfuß 31 das Bauteil 34 kontaktiert hat. Anschließend wird der Linearmotor der Hubvorrichtung 36 betätigt, um das Element 32 bis auf das Bauteil 34 abzusenken.
Bei beiden Verfahren ist eine exakte Lagebeziehung zwischen Element 32 und Stützfuß 31 bzw. Bauteil 34 über den gesamten Schweißvorgang gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist der Stützfuß 31 mittels eines Stellantriebes 50 beweglich ausgebildet. Der Stellantrieb 50 ist in einem Antriebsgehäuse 52 vorgesehen, das beweglich an einer Außenseite des Schweißkopfes 22 gelagert ist. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Stellantrieb 50 dazu in der Lage, den Stützfuß 31 , der starr an dem Antriebsgehäuse 52 montiert ist, in einer Richtung 54 etwa parallel zu der Schweißachse 26 auf- und abzu- bewegen. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Stellantrieb 50 einen Schrittmotor aufweist, der den Stützfuß 31 in eine Vielzahl von unterschiedlichen Axialpositionen relativ zu dem Schweißkopf 22 verfahren kann, in Inkrementen von in der Regel weniger als 1 mm.
Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, die den Schweißkopf 22 von unten darstellt, ist das An- triebsgehäuse 52 mit dem daran montierten Stützfuß 31 um die Schwenkachse 26 herum bewegbar, wie es schematisch bei 56 angedeutet ist. Der Bewegungsumfang liegt in der Regel zwischen 90 und 270°, im dargestellten Ausführungsbeispiel 180°. Durch diese relative Beweglichkeit des Stützfußes 31 in bezug auf den Schweißkopf 22 und damit auch in bezug auf das Element 32 können Schweißvorgänge an beliebigen Konturen des Bauteiles 34 durchgeführt werden.
In Fig. 1 ist ferner eine Klemmeinrichtung 58 schematisch angedeutet. Die Klemmeinrichtung 58 dient dazu, den Stützfuß 31 in einer jeweiligen Betriebsposition an dem Schweißkopf 22 festzuklemmen. Die Klemmwirkung wirkt dabei in erster Linie in axialer Richtung. Hierdurch wird verhindert, daß der Stützfuß 31 aus der Betriebsposition relativ zu dem Schweißkopf 22 versetzt wird, wenn der Schweißkopf 22 auf das Blech 34 zubewegt wird und der Stützfuß 31 das Blech 34 berührt.
Sofern der Stellantrieb 50 im Ruhezustand ein hinreichend großes Widerstandsmoment gegenüber Axialbewegungen des Stützfußes 31 relativ zu dem Schweißkopf 22 auf- bringt, kann auf die Klemmeinrichtung 58 auch verzichtet werden. Die Haltekraft des Motors (dessen Widerstandsmoment) sollte vorzugsweise größer sein als etwa 150 N, besonders bevorzugt größer als 200 N.
In Fig. 1 ist ferner ein Fuß-Wegsensor 60 gezeigt. Der Fuß-Wegsensor 60 ist dazu ausgelegt, die Relativposition zwischen dem Stützfuß 31 und dem Schweißkopf 22 zu erfas- sen. Im einfachsten Fall detektiert der Fuß-Wegsensor 60 eine Markierung 62 an einem Teil des Stützfußes 31 bzw. des Antriebsgehäuses 52, der relativ zu dem Schweißkopf 22 beweglich ist. Die in Fig. 1 bei 62 angedeutete Markierung dient zur Erfassung der Axialposition des Stützfußes 31 in bezug auf den Schweißkopf 22. In Fig. 2 ist ferner gezeigt, daß an dem Schweißkopf 22 ein sich mit dem Antriebsgehäuse 52 mitdrehender Kranz 64 vorgesehen ist. An dem Kranz 64 ist eine weitere Markierung 66 vorgesehen, die von dem Wegsensor 60 erfaßt werden kann. Demzufolge kann der Fuß-Wegsensor 60 auch die Winkelposition des Stützfußes 31 in bezug auf den Schweißkopf 22 erfassen.
Es versteht sich, daß die gezeigten Ausführungsformen von Fuß-Wegsensoren lediglich beispielhaft sind. Entscheidend ist, daß der Fuß-Wegsensor 60 die Relativlage zwischen Stützfuß 31 und Schweißkopf 22 erfassen kann. Die Information über diese Relativposition wird der Steuereinrichtung 46 zugeführt. In der Steuereinrichtung 46 ist eine geschlossene Regelschleife vorhanden, um die jeweils gewünschte Betriebsposition des Stützfußes 31 in bezug auf den Schweißkopf 22 einzustellen.
Es versteht sich, daß diese Regelschleife kalibrierbar ist, um Veränderungen der effektiven Länge des Stützfußes 31 zu kompensieren, beispielsweise durch Abnutzung, Ab- brand, Anlagerung von Material oder ähnlichem. Ferner versteht sich, daß das Weg-Meßsystem zur Erfassung der Relativlage zwischen Stützfuß 31 und Schweißkopf 22 und das Weg-Meßsystem 44 zur Erfassung der Relativlage zwischen Bolzen 32 und Schweißkopf 22 aufeinander abstimmbar sind. Folglich ist zu jedem Zeitpunkt die Relativposition aller entscheidenden beweglichen Elemente der Schweißkopfbasis 20 bekannt.
Was die Kontur des Bauteiles 34 angeht, so zeigt Fig. 1 eine Standardsituation, die durch den Index "a" gekennzeichnet ist. Das Bauteil 34 ist im Bereich der Schweißstelle nahezu plan. Folglich befindet sich der Stützfuß 31 in einer Position, in der auch bekannte Schweißsysteme den Stützfuß starr montiert haben.
Fig. 3 zeigt in schematischer Form einen Schweißvorgang eines bolzenartigen Elementes 32 in einer Nut eines Bauteiles 34b. Die Nut ist so schmal, daß der Stützfuß 31 im Randbereich der Nut aufliegt, wie es bei 31 b gezeigt ist. Die Position 31 ist ebenfalls in Fig. 1 gestrichelt dargestellt.
Ein Schweißvorgang mit Stützfuß wäre bei bekannten Schweißsystemen nicht möglich gewesen. Im vorliegenden Fall wird jedoch der Stützfuß 31 vor Annäherung des Schweißkopfes 22 an das Bauteil 34b in eine durch ein Teach-in ermittelte, geeignete Position, nämlich die Position 31 b verfahren. Anschließend erfolgt der Annäherungsvorgang in der gleichen Weise wie oben beschrieben.
In Fig. 4 ist eine Situation dargestellt, bei der ein Schweißbolzen in der Nähe einer Schul- ter eines Bauelementes 340 gesetzt werden soll. Bei dieser Ausführungsform befindet sich die Schulter an der Stelle, an der bei einer geradlinigen Annäherung des Schweißkopfes an die Schulter herkömmlicherweise der Stützfuß 31 liegen würde. Folglich müßte im Stand der Technik der Roboter 12 den Schweißkopf 22 vor dem Annäherungsvorgang wenigstens um 90° drehen. Dies hätte eine Verwindung und ggf. Stau- chung von Zuführleitungen zu dem Schweißkopf 22 zur Folge.
Im vorliegenden Fall kann der Schweißkopf 22 auf einer geraden Bahn unmittelbar zu der Schweißstelle geführt werden. Noch vor der Annäherung oder während der Bewe- gung der Schweißkopfbasis 20 mittels des Roboters 12 wird der Stützfuß 31 mittels des Stellantriebes 50 um 180° verschwenkt, in die in Fig. 4 gezeigte Position 310.
Bei einer alternativen stützfußlosen Bestimmung der Relativlage zwischen dem Element 32 und dem Bauteil 34 wird der Stützfuß 31 in eine Ruheposition gefahren und nicht verwendet. Bei diesem Verfahren, das in den Figuren nicht näher dargestellt ist, wird die Relativlage beispielsweise wie folgt bestimmt:
Zunächst ist die Steuereinrichtung 46 elektrisch über nicht näher dargestellte Leitungen mit dem Bolzen 32 verbunden. Ferner ist die Steuereinrichtung 46 dazu in der Lage, an den Bolzen 32 eine Meßspannung anzulegen. Das Bauteil 34 kann beispielsweise geer- det sein, so daß über eine geeignete Strom-Meßvorrichtung erfaßt werden kann, sobald das Element 32 das Bauteil 34 elektrisch kontaktiert.
Zunächst wird der Roboter 12 angesteuert, um die Schweißkopfbasis 20 mittels des Drehkopfes 14 und des Roboterarms 16 in eine Basis-Schweißposition zu verbringen, die in Fig. 1 dargestellt ist. In dieser Position befindet sich die Schweißkopfbasis 20 in einem bestimmten Abstand über dem Bauteil 34, wobei die Achse 26 senkrecht auf der gewünschten Schweißposition des Bauteils 34 steht.
Anschließend wird die Pneumatikanordnung 24 betätigt, so daß der Schweißkopf 22 in Richtung auf das Bauteil 34 ausgefahren wird, und zwar um den vollen Hub, bis in eine Kopf-Schweißposition. In der Endposition befindet sich das Element 32 in einem Ab- stand von dem Bauteil 34, der kleiner ist als der maximale Hub 37 der Hubvorrichtung 36.
Anschließend wird die Hubvorrichtung 36 betätigt so, daß das Element 32 auf das Bauteil 34 zubewegt wird, bis es das Bauteil 34 kontaktiert. Diese Bewegung erfolgt vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit. Dabei wird der zurückgelegte Weg mittels des Wegsensors 44 erfaßt. Sobald das Element 32 das Bauteil 34 kontaktiert, wird ein von der Meßspannung ausgehender Stromkreis geschlossen. Dies wird durch die Steuereinrichtung 46 erfaßt und die Hubvorrichtung 36 wird gestoppt. Ferner wird die zu diesem Zeitpunkt vorhandene Kontaktstellung zwischen Element 32 und Bauteil 34 als "Null-Position" für den weiteren Schweißvorgang herangezogen. Über den Wegsensor 44 ist folglich über den gesamten folgenden Schweißvorgang jeweils die exakte Relativposition zwischen Element 32 und Bauteil 34 bekannt, sofern das Bau- teil 34 bei Abheben des Elementes 32 nicht "nachfedert". Der Schweißvorgang kann folglich unabhängig von etwaig vorhandenen Toleranzen in der Positionierung durch den Roboter 12 bzw. durch die Pneumatikanordnung 24 mit der gewünschten Lagebeziehung zwischen dem Element 32 und dem Bauteil 34 erfolgen.
Der eigentliche Bolzen-Schweißvorgang erfolgt dann in an sich bekannter Weise. Dabei wird - nach Abtrennen der Meßspannung - ein Pilotstrom an das Element 32 angelegt. Anschließend wird das Element 32 gegenüber dem Bauteil 34 angehoben, so daß ein Lichtbogen gezogen wird. Nachdem eine bestimmte Höhe erreicht ist, wird der eigentliche Schweißstrom zugeschaltet, durch den die Energie des Lichtbogens so erhöht wird, daß die Stirnseite des Elements 32 und die zugeordnete Stelle des Bauteils 34 ange- schmolzen werden.
Im folgenden stellt die Hubvorrichtung 36 das Element 32 wieder auf das Bauteil zu. Sobald wieder der elektrische Kontakt erzielt ist, wird der Lichtbogen kurzgeschlossen und der Schweißstrom wird abgeschaltet.
Im allgemeinen erfolgt der Zustellvorgang etwas unter die Oberfläche des Bauteils 34, so daß eine gute Durchmischung der wechselseitigen Schmelzen erfolgt. Die Gesamtschmelze erstarrt und der eigentliche Schweißvorgang ist abgeschlossen. Die Haltevorrichtung gibt das Element 32 frei. Anschließend wird die Hubvorrichtung 36 abgeschaltet. Die Haltevorrichtung 30 wird folglich durch die Feder 40 in die eingezogene Ruheposition zurückversetzt.
Ferner wird hiernach oder parallel hierzu die Pneumatikanordnung 24 von der Steuereinrichtung 46 so angesteuert, daß der Schweißkopf 22 wieder in die eingezogene Anfangsposition gelangt. Bei allen Ausführungsformen läßt sich das Element 32 hoch dynamisch und mit hoher Präzision an das Bauteil 34 annähern. Anschließend wird bevorzugt die Kombination aus Steuereinrichtung 46, Wegsensor 44 und Hubvorrichtung 36 dazu genutzt, um die Relativlage zwischen Element 32 und Bauteil 34 vorzugsweise mit oder ggf. auch ohne Stütz- fuß 31 zu bestimmen.
Es kann in manchen Fällen hinreichend sein, das Ende des Roboterarmes direkt, also ohne Schlitten 21 oder verstellbares Bauteil, in eine Position zu bringen, bei der das Element 32 sich in der angenäherten Position befindet. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Haltevorrichtung 30 gegenüber dem Schweißkopf 22 mittels elastischer Mittel, wie der Feder 40, elastisch in eine Ruhestellung vorgespannt ist.
Auch können bei einer alternativen Ausführungsform der Roboter 12 und der Schlitten 21 durch eine einfache automatisiert angetriebene Linearführung ersetzt sein.
Aus dem Obenstehenden versteht sich, daß der Stützfuß 31 in einer vereinfachten Ausführungsform lediglich zwischen zwei axialen Positionen hin- und herversetzt wird. Bei beiden axialen Positionen handelt es sich um Betriebspositionen. D.h., daß der Stützfuß 31 in beiden Betriebspositionen dazu genutzt wird, das Bauteil (Blech) 34 zu kontaktieren, um die Relativlage zwischen Element (Bolzen) 32 und Bauteil (Blech) 34 zu bestimmen. Idealer ist natürlich eine frei wählbare axiale Position.
Entsprechend ist bei einer alternativen vereinfachten Ausführungsform der Stützfuß 31 lediglich zwischen zwei Winkelpositionen hin- und herschwenkbar. Bei beiden Winkelpositionen handelt es sich um Betriebspositionen im obigen Sinne.
Obgleich oben eine Ausführungsform beschrieben ist, bei der der Stützfuß um die Schweißachse herum geschwenkt wird, sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen er um eine Achse parallel hierzu verschwenkt wird. Da der Stützfuß häufig an sei- nem freien Ende abgeknickt ausgebildet ist, ist es auch möglich, den Stützfuß um seine eigene Achse zu verschwenken. Ergänzend ist es auch möglich, neben den Betriebspositionen eine einzelne Ruheposition einzurichten, in der der Stützfuß 31 außer Betrieb ist. Unter bestimmten Bedingungen kann es nämlich sinnvoll sein, die Relativlage zwischen Element und Bauteil stütz- fußlos zu bestimmen. Für derartige Sonderfälle ist eine Ruheposition sinnvoll. Es versteht sich, daß die Ruheposition für unterschiedliche Schweißpositionen unterschiedlich sein kann. Beispielsweise kann die Lage des Stützfußes in Fig. 3 eine Ruheposition für einen Schweißvorgang auf einem geraden Blech 34a sein, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem (10) zum Schweißen von Elementen (32), wie z.B. Metallbolzen (32), auf Bauteile (34), wie z.B. Metallbleche (34), mit
- einem Roboter (12), der wenigstens einen Arm (16) aufweist, der in wenigstens einer Koordinatenachse (x, y, z) beweglich ist,
einem Schweißkopf (22), der an dem Arm (16) gelagert ist und an dem eine Haltevorrichtung (30) zum Halten eines Elementes (32) und eine Hubvorrichtung (36) zum Zu- und Rückstellen der Haltevorrichtung (30) relativ zu dem Schweißkopf (22) vorgesehen sind,
einem Meßsystem (31 ,44,46) zum Bestimmen der Relativlage zwischen einem Bauteil (34) und einem auf das Bauteil (34) aufzuschweißenden, von der Haltevorrichtung (30) gehaltenen Element (32), wobei das Meßsystem einen an dem Schweißkopf (22) gelagerten Fuß (31) aufweist, der im Betrieb dazu ausgelegt ist, das Bauteil (34) zu kontaktieren, um die
Relativlage zwischen dem Element (32) und dem Bauteil (34) zu bestimmen, und
einer Speichereinrichtung (46), in der eine Mehrzahl von Schweißpositionen abspeicherbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Meßsystem (31 ,44,46) ferner Positioniermittel (50) aufweist, um den Fuß (31) relativ zu einem in dem Schweißkopf (22) gehaltenen Element (32) in einer Vielzahl von wenigstens zwei unterschiedlichen Betriebspositionen (a-c) zu positionieren, und daß das Meßsystem (31 ,44,46) dazu ausgelegt ist, den Fuß (31) für jede abgespeicherte Schweißposition jeweils in eine geeignete Betriebsposition (a-c) zu positionieren.
2. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniermittel (50) dazu ausgelegt sind, den Fuß (31) etwa parallel zu einer Schweißachse (26), entlang der die Elemente (32) auf die Bauteile (34) aufgeschweißt werden, in einer Vielzahl von Positionen relativ zu dem gehaltenen Element (32) zu positionieren.
3. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Positioniermittel (50) dazu ausgelegt sind, den Fuß (31) um eine Achse (26) herum, die parallel zu einer Schweißachse (26) ist, entlang der die
Elemente (32) auf die Bauteile (34) aufgeschweißt werden, in wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen relativ zu dem gehaltenen Element (32) zu positionieren.
4. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniermittel (50) einen Fuß-Wegsensor (60) aufweisen, der die Position des Fußes (31) erfaßt.
5. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (22) elastische Mittel (40) aufweist, um die Haltevorrichtung (30) in Zustellrichtung elastisch vorzuspannen.
6. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem (31 ,44,46) einen Wegsensor (44) aufweist, der den Weg der Haltevorrichtung (30) relativ zu dem Schweißkopf (22) erfaßt.
7. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniermittel (50) dazu ausgelegt sind, den Fuß (31) relativ zu dem Schweißkopf (22) zu positionieren.
8. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniermittel (50) einen Motor (50) aufweisen und daß der Motor (50) im Ruhezustand ein Widerstandsmoment gegenüber axialen Motorbewegungen aufbringt, das vorzugsweise größer ist als etwa 150 N.
9. Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniermittel (50) Klemmittel (58) aufweisen, um den Fuß (31) im Ruhezustand wenigstens in axialer Richtung gegenüber dem gehaltenen Element (32) festzulegen,
10. Verfahren zum Kurzzeit-Lichtbogenschweißen, insbesondere zum Bolzenschwei- ßen, von Elementen (32), wie z.B. Metallbolzen (32), auf Bauteile (34), wie z.B.
Metallbleche (34), mittels eines Kurzzeit-Lichtbogenschweißsystems (10), das eine Steuereinrichtung (46) aufweist, in der für eine Mehrzahl von automatisiert durchzuführenden Schweißvorgängen eine jeweilige geeignete Betriebsposition (a-c) eines Fußes (31) abgelegt ist, der dazu ausgelegt ist, das Bauteil (34) zur Bestimmung der Relativlage zwischen Element (32) und Bauteil (34) zu kontaktieren, mit den Schritten:
a) Ansteuern eines Roboters (12) mit einem Arm (16) so, daß ein an dem Arm (16) festgelegter Schweißkopf (22) in eine Schweißposition für einen ausgewählten Schweißvorgang gelangt, b) Positionieren des Fußes (31) in eine Betriebsposition (a-c), die für den ausgewählten Schweißvorgang geeignet ist, c) Annähern des Elementes (32) an das Bauteil (34), bis der Fuß (31) das Bauteil kontaktiert, und d) Durchführen des ausgewählten Schweißvorganges.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schritte a) und b) überschneidend durchgeführt werden.
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