WO2014154201A2 - FÜGEVORRICHTUNG ZUM STIRNSEITIGEN FÜGEN EINES ÜBERLAPPSTOßES - Google Patents

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WO2014154201A2
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clamping
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joining device
respect
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Christoph BENN
Arwed Kilian
Steffen Walter
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Scansonic Mi Gmbh
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    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Definitions

  • Joining device for the frontal joining of a lap joint
  • the invention relates to a joining device for the front-side joining of a lap joint by means of an energy beam, e.g. a laser beam, the joining device being e.g. may be provided for use for laser welding a front flange connection to body components.
  • an energy beam e.g. a laser beam
  • the flange Since, in the formation of I-seams or fillet welds, the laser beam strikes the flange essentially perpendicular to the flange plane and thus parallel to the direction of the clamping force applied to clamp the plates, the flange must be sufficiently large to provide sufficient engagement surface for the clamping elements as well as an impact of the laser beam to allow next to the clamping elements.
  • Such large sheet metal flanges are associated with a correspondingly high weight and are therefore suitable for e.g. undesirable in the body shop.
  • WO 2011/147 891 A1 describes a device for the frontal laser joining of sheet metal parts with a ongoing clamping technology for holding the sheet metal parts to be joined.
  • DE 10 2006 030 060 A1 describes a method for the end-side welding of sheets, wherein an end-side remelting of the entire laminated core takes place, so that the flanges of the individual sheets for generating the desired amount of molten bath and Schmelzbadanowski whatsoever substantially the same length or one must have defined supernatant.
  • US 2004/0104204 A1 describes a laser welding apparatus with a running clamping technique and a distance sensor for detecting the distance between a laser processing head and an end face of the workpieces to be machined.
  • DE 100 56 329 A1 describes an optical distance measuring method and a corresponding distance sensor.
  • the invention provides a joining device for the frontal joining of an overlay lappsches provided by means of which a reliable formation of a seam with a high seam quality and in particular a reliable and accurate positioning of a running clamping technology is made possible.
  • a joining device is provided for joining a plurality of (at least two) workpieces by means of an energy beam, wherein the workpieces may be sheet metal parts, for example.
  • the energy beam may be, for example, a laser beam; However, it can also be provided that the energy beam is generally a beam of electromagnetic radiation (eg an infrared beam), a particle beam (eg an electron beam) or a sound beam (eg in the form of directed ultrasound).
  • the joining device is moved along an intended seam course relative to the workpieces to be joined.
  • the joining device may e.g. by means of a guiding machine, e.g. be moved relative to the workpieces to be joined or along the intended seam course by means of an industrial robot.
  • a continuous joining seam can be produced by continuous advancement of the joint or joint position along the intended joint seam course.
  • the joining device has a running clamping device (i.e., moving along with the joining device) for clamping the workpieces to be joined, during joining the workpieces to be joined are clamped to form a lap joint and joined together at the clamping position.
  • each of the workpieces to be joined can have a flange section, wherein the individual flange sections are abutted flat against one another with the formation of a connecting flange and clamped by means of the clamping device.
  • clamping elements of the clamping device engage the workpieces and press them along a clamping direction against each other (the clamping direction is parallel to the force applied by the clamping elements clamping force).
  • the tensioning elements may e.g. be designed as pressure rollers.
  • the joining device furthermore has a beam guiding device which is thus designed is formed, that is directed from her during the joining of the energy beam from the front side of the lap joint forth on the lap joint, in particular on one or the end face of the lap joint.
  • the energy beam thus runs, for example, substantially parallel to the flange plane of the connecting flange and transversely to the clamping direction, wherein the energy beam can extend, for example, substantially perpendicular to one or the end face of the lap joint.
  • the energy beam can be coupled into the beam guiding device from outside or can be generated by means of a beam source (eg laser source) arranged in or on the beam guiding device.
  • the energy beam is guided by means of the beam guiding device in such a way that it impinges on the end face of the lap joint at the clamping position or in the clamping area of the workpieces and the workpieces are thus joined to the front side or joined together in a material-locking manner.
  • It can be provided, for example, to join the workpieces together by means of welding or soldering, wherein the joining can take place with or without the use of an additional material (eg a solder material) provided in addition to the workpieces, which is supplied at the respective joint.
  • the joining device also has a first optical sensor, which is arranged and designed in such a way that it detects the positioning or position of the lap joint with respect to a vertical direction running perpendicular to one or the end face of the lap joint.
  • the positioning of the lap joint along the vertical direction is also referred to below as the vertical positioning of the lap joint, the first optical sensor also as the first vertical positioning sensor.
  • the first vertical positioning sensor may be designed such that it detects the distance along the vertical direction (also referred to as the vertical distance) between the vertical positioning sensor and the lap joint as the vertical positioning of the lap joint.
  • the first vertical positioning sensor is an optical sensor which is designed, for example, such that the vertical positioning of the lap joint with respect to the vertical positioning sensor present at the respective joint or clamping position can be detected by it.
  • the first vertical positioning sensor is preferably a triangulation sensor, so that the vertical positioning of the overlap sensor Stoßes is detected by triangulation.
  • the first vertical positioning sensor is a distance sensor based on the interference principle, a distance sensor based on the light barrier principle, or a camera, in the latter case the vertical positioning of the overlap shock being detected by means of image evaluation
  • the first vertical positioning sensor can be designed, for example, such that it detects the position or position of the end section of the lap joint, eg the position of an end edge of the lap joint or the position of an end face of the lap joint with respect to the vertical direction.
  • Workpieces are defined according to the detected vertical positioning of the lap joint and kept defined or adjusted during the joining.
  • the joining device can be designed such that the energy beam used for joining is focused along the vertical direction by taking into account the detected vertical positioning of the lap joint such that the vertical coordinate of the focus position lies on the lap joint, in particular on the end face of the lap joint.
  • the joining device is designed in such a way that it generates and outputs an actuating signal to an actuator designed for positioning the clamping elements with respect to the vertical direction based on the detected vertical positioning of the overlap joint, so that the positioning of the clamping elements with respect to the Vertical direction is adjusted or readjusted by means of the actuators according to the control signal; wherein the positioning of the clamping elements with respect to the vertical direction is also referred to below as vertical positioning of the clamping elements.
  • the signals of the vertical positioning sensor serve as actual values for determining the deviation from predetermined target values and generating corresponding control signals to correct the deviation, an adaptive clamping technique is provided, which even with adverse conditions at the processing location positioning the clamping elements with a high accuracy of eg ⁇ 0.05 mm possible.
  • a control signal is generated and output by the joining device to a guiding machine for moving the joining device, so that the beam guiding device is moved together with the clamping elements in accordance with the actuating signal with respect to the vertical direction and thus a change in the vertical distance between the first Vertical positioning sensor and the lap joint with a change in the vertical positioning of the clamping elements on the lap joint is accompanied.
  • It can e.g. be provided to generate the control signal based on a predetermined target vertical posi- tioning of the clamping elements such that the difference or distance between the present actual vertical positioning and target vertical positioning of the clamping elements is reduced by means of the adjusting signal taking place according to the actuating signal.
  • this embodiment e.g.
  • a focusing device for adjusting the focus position of the energy beam along the vertical direction may be dispensable.
  • the joining device has a positioning device which is designed to move the clamping elements with respect to the rest of the joining device (in particular with respect to the beam guiding device) along the vertical direction; wherein a joining signal is generated and output by the joining device to the positioning device and thus the
  • Clamping elements are moved in accordance with the actuating signal relative to the beam guiding device with respect to the vertical direction.
  • the verticals detected by means of the vertical positioning sensor serve Positioning as an actual specification for the calculation of the actuating signals for driving the guiding machine and / or the positioning device, so that the respective actuator receives as a result of the determination of the vertical positioning continuously a control or correction signal.
  • the joining device may be configured such that the positioning of the clamping elements with respect to the vertical direction is adjusted based on the detected positioning of the lap joint with respect to the vertical direction. That is, at the respective joint, the vertical positioning of the clamping elements in dependence on the detected by means of the first Vertikalpositionie- sensor vertical positioning of the lap joint is set so that the point of the clamping elements on the workpieces can be adjusted and readjusted accordingly ,
  • the clamping device has at least one position reference element; wherein the joining device further comprises a second optical sensor, which is designed to detect the positioning of such a position reference element with respect to the vertical direction (also referred to as vertical positioning of the position reference element).
  • the problem may exist that the cause of a detected incorrect positioning or deviation from a predetermined desired positioning of the clamping elements is not exactly identifiable (possible causes of such a deviation may be: incorrect positioning of the guide machine Dimensional accuracy of the workpieces to be joined, inaccuracies of the sensors used as a result of drift, or mechanical adjustment of components of the joining device).
  • a control system is made possible, which is not based on the detection of the vertical positioning (eg the The position of the clamping elements relative to the connecting flange, for example based on the determined height difference (ie distance along the vertical or height direction) between the Front side of the connecting flange and the position reference element, wherein the determined deviation between the actual value and the desired value of the height difference results in the manipulated value for the actuators.
  • the joining device can in particular be designed in such a way that it generates the actuating signal based on the vertical positions of both the lap joint and the position reference element detected at a respective joining part.
  • the joining device may e.g. be designed such that the actuating signal is generated by it to a trained for positioning the clamping elements with respect to the vertical direction actuators based on the difference between the detected at the respective joint vertical positioning of the lap and the position reference element.
  • the vertical positioning of the clamping elements can e.g. be controlled by means of the control signal such that the difference between the vertical positioning of the lap joint and the vertical positioning of the position reference element is kept constant at a predetermined target difference value or within a predetermined desired difference value interval when moving the joining seam.
  • the joining device may be configured such that the vertical positioning of the clamping elements is adjusted based on the difference between the vertical positioning of the lap joint and the vertical positioning of the position reference element.
  • Such a position reference may comprise a passive reference element in the form of a geometric position marker, e.g. in the form of a cutting edge or a geometric pattern, or an active reference element in the form of an optical emitter, e.g. a light emitting diode or other light source, be.
  • the second optical sensor (also referred to as a second vertical positioning sensor) is designed to detect a position reference element and can be, for example, a triangulation sensor, a distance-based, based on the interference principle. sensor, a distance sensor based on the light barrier principle, or a camera, wherein in the latter case the vertical positioning of the reference element is detected by means of image evaluation.
  • the second vertical positioning sensor is designed, for example, such that it detects the vertical distance between the second vertical positioning sensor and a respective position reference element as vertical positioning of the reference element.
  • first and the second vertical positioning sensor are integrally formed with each other as a single sensor, so that the same optical sensor serves both for detecting the vertical positioning of the lap joint and the vertical positioning of the reference element.
  • the one or more position reference elements are arranged on the clamping device.
  • at least one such position reference element is connected to one of the clamping elements of the clamping device in such a way that it is moved along with it during a movement of the clamping element. It can e.g. be provided to arrange the position reference element contacting on one of the clamping elements.
  • the reference element being associated with one of the clamping elements acting on the workpieces, the positioning, in particular the vertical positioning, of the clamping elements can be detected in the immediate vicinity of their engagement position on the workpieces, whereby e.g. a height detection with a high accuracy is possible and always with respect to the rest of the joining device height-adjustable clamping elements a reliable height adjustment is always possible.
  • the clamping device has at least two position reference elements, which are arranged on two mutually opposite with respect to the clamping direction clamping elements such that they are moved with them during a movement of the clamping elements; wherein the joining device has a third optical sensor (also referred to as a transverse positioning sensor) which is designed to detect the positioning or position of the two position reference elements with respect to a transverse direction running transversely to the lap joint. That is, the first of the two position reference elements is moved to one of the two clamping elements connected and the second of the two the position reference elements is moved with the other of the two clamping elements connected; wherein the first clamping element engages the first outer side of the lap joint and the second clamping element engages the second outer side of the lap joint.
  • a third optical sensor also referred to as a transverse positioning sensor
  • the position reference elements may, for example, be connected with the opposing clamping elements in a moving manner by being arranged in contact therewith.
  • the positioning of a position reference element with respect to the transverse direction is also referred to as transverse positioning of the reference element.
  • transverse positioning of the reference element By detecting the transverse positioning of two such position reference elements, the positioning and the dimension of the connection flange can be detected with respect to the transverse direction, this information being used eg for beam guidance of the energy beam and / or for metering the clamping force applied by means of the tension elements can be.
  • the joining device can be designed, for example, such that the positioning or position of the first outer side of the lap joint and based on the transverse positioning of the second of the two position reference elements based on the transverse positioning of the first of the two position reference elements, the positioning or Location of the second outer side of the lap joint with respect to the transverse direction is detected.
  • the knowledge of the transverse positioning of the arranged on both sides of the clamped workpieces position reference elements thus allows the indirect detection of the impact thickness (eg laminated core thickness) of the clamped lap joint and - for specification or knowledge of the thickness of the flange sections of the individual workpieces (eg the individual sheets) - also the Detecting the total thickness of the gaps formed between the workpieces or remaining and / or the positioning of these gaps with respect to the transverse direction.
  • the impact thickness eg laminated core thickness
  • the thickness of the gap remaining between the workpieces results as a difference between the impact thickness that can be determined by means of the transverse positioning of the reference elements and the total thickness of the two workpieces Gap results by removing the thickness of the first workpiece from the position of the first outer side of the lap joint and removing the thickness of the second workpiece from the position of the second outer side of the lap joint.
  • DEM according to the joining device may be formed such that based on the transverse positioning of the two position reference elements of the thickness of the lap joint, the total thickness of the remaining between the clamped workpieces column and / or the position of the remaining between the clamped workpieces column with respect to the transverse direction detected is.
  • Accurate knowledge of the location and thickness of the lap joint to be joined is important for reliable joining (e.g., welding).
  • a lateral positioning accuracy of the impact position of the laser beam at the site of action or at the joint with a positioning error of at most 0.05 mm required so that the laser beam with respect to the lateral or lateral direction with a corresponding accuracy positioned on the gap must become.
  • a secure welding can be realized only up to a maximum gap, the gap as described with knowledge of the thicknesses of the individual flange can be inferred from the impact thickness, so that the knowledge of the thickness of the lap joint at the joint is an important quality assurance criterion.
  • the transverse positioning sensor is designed to detect the position reference elements and may be, for example, a triangulation sensor, a sensor based on the interference principle, a sensor based on the light barrier principle, or a camera, in the latter case the transverse positioning of the reference element being detected by image evaluation. It can be provided that the first and / or the second vertical positioning sensor is integrated with the transverse positioning tion sensor is designed as a single sensor.
  • the joining device or the beam guiding device is designed in such a way that the deflection of the energy beam with respect to the transverse direction (also as a transverse deflection of the E-beam) can be integrated therefrom (eg by means of a corresponding deflection device which can be integrated into the beam guiding device, for example).
  • rated energy beam is adjustable or variable; wherein the joining device is also designed in such a way that the transverse deflection of the energy beam is adjusted based on the transverse positioning of the first and / or second position reference element detected by the transverse positioning sensor (and possibly including the thicknesses of the individual clamped workpieces).
  • the joining device may in particular be designed such that the energy beam is deflected along the transverse direction in such a way that it impinges on a gap formed between two clamped workpieces.
  • the term gap is understood as meaning both a gap with a free thickness or a gap dimension of greater than zero and a gap with a thickness of zero (so-called technical zero gap).
  • the joining device or the tensioning device is designed such that from it the clamping force applied by the clamping elements based on the detected transverse positioning of the first and / or the second position reference element (and possibly taking into account the thicknesses of the individual clamped workpieces) is set.
  • it can be provided to adjust the clamping force in such a way that the total thickness of the gaps remaining between the clamped workpieces assumes or falls below a predetermined desired gap thickness.
  • it can be provided to increase the clamping force when the determined total thickness of the remaining gap between the workpieces is above a predetermined maximum gap thickness.
  • a predetermined gap size can be adjusted in a targeted manner by means of a varying pressure or clamping force for a given pretensioning of the workpieces to be joined by realizing a control loop between the transverse positioning sensor and a tensioning actuator of the tensioning device.
  • a reliable fixing of the workpieces to be joined in a given joining geometry can always be realized with a minimum of force.
  • the clamping elements based on the predetermined individual thicknesses of the workpieces to be joined, are moved along the transverse direction independently of the clamping force required for this purpose so that the transverse positioning of each of the position reference elements corresponds to a desired lateral positioning predetermined for the respective position reference element.
  • the desired transverse positioning can be specified for example in such a way that when these desired transverse positions of the reference elements are present, the total thickness of the gaps remaining between the clamped workpieces assumes or falls below a predetermined nominal gap thickness.
  • the joining device has a reference structure or a reference standard for calibrating the positions detected by means of the position reference elements along the vertical direction and / or transverse direction; wherein the joining device is designed such that it by means of engaging the clamping elements on the reference structure and detecting the vertical positioning or the transverse positioning of the reference elements with respect to the reference structure (eg by means of the first, second or third optical sensor) by means of the position reference elements detected positions are calibrated.
  • a self-calibration of the position detection can take place; where possible sources of error such as wear, bearing clearance and elasticities of the clamping device can be compensated or automatically eliminated. This makes it possible, for example, to determine shock thicknesses, thickness fluctuations and undulations exactly. It can also be provided for calibrating the positions detected by means of the position reference elements along the transverse direction to bring the clamping elements together (ie at least two opposite each other with respect to the clamping direction) or to bring them into contact with each other and perform a zeroing.
  • FIG. 1 shows a side view of a joining device according to an embodiment when joining two sheets
  • Figure 2 is a detail view of a detail of Figure 1
  • FIG. 3 shows a representation to illustrate a calibration process.
  • FIG. 1 illustrates a joining device 1 according to an embodiment when joining two workpieces 3 in the form of sheet metal parts 3 by means of an energy beam 5 in the form of a laser beam 5, wherein a frontal welding is illustrated at the crimping as Zweibelchinformation.
  • the joining device 1 is a device for end-side laser welding, wherein the joining device 1 is moved by means of a guide machine 7 along an intended weld seam.
  • the joining device 1 has a follower clamping device 9 and a beam guiding device 11.
  • Each of the two sheet metal parts 3 has a flange portion, wherein the two flange portions are clamped to form a lap joint or connecting flange 13 between two clamping elements 15, 17 of the clamping device 9.
  • Each of the tensioning elements 15, 17 is designed as a rotatably rotating pressure roller, wherein each of the pressure rollers 15, 17 connected by means of a connecting arm 19 with the beam guiding device 11 and is rotatably arranged on the end portion of the respective connecting arm.
  • the impact or separation plane of the lap joint 13 runs parallel to the xz plane of the xyz coordinate system shown in the figures; wherein the longitudinal direction of the lap joint 13 is parallel to the x-direction, the transverse direction extending transversely to the connecting flange 13 is parallel to the y-direction, and the vertical direction perpendicular to the end face 21 of the connecting flange 13 (also referred to as height direction) is parallel to z-direction runs.
  • the flange height of the lap joint or connecting flange 13 thus extends parallel to the z-direction.
  • the two clamping elements 15, 17 are movable relative to each other along the y-direction, e.g. in that each of the two connecting arms can be moved along the y-direction with respect to the beam guiding device 11 by means of a clamping actuator 11, so that the two flange sections of the sheet-metal parts 3 are pressed against each other by means of the clamping elements 15, 17 and a clamping force acting as clamping direction along the y-direction can be exerted on the connecting flange 13.
  • the beam guiding device 11 is designed and arranged in such a way that, during the joining, the laser beam 5 (which is coupled from outside into the beam guiding device 11) is directed from the end face of the connecting flange 13 onto the end face 21 of the connecting flange 13, so that the Laser beam 5 impinges on the joint of the two sheet metal parts 3 on the same and the two sheet metal parts 3 at the impact position of the laser beam 5 on the end face 21 to form a weld 22 frontally 29wei eats each other.
  • the laser beam 5 is guided by means of the beam guiding device 9 such that it impinges on the sheet metal parts 3 during the joining in the clamping area of the sheet metal parts 3 between the pressure elements 15, 17, wherein the contacting points of the pressure rollers 15, 17 on the sheet metal parts 3 substantially the same Longitudinal coordinate (x-coordinate) have as the impact position of the laser beam 5 on the sheet metal parts.
  • the beam guiding device 11 has, as an example, a focusing device 23 for focusing the laser beam 5 and a transverse deflecting device 25 in the form of a driven pivotable mirror 25 for variably deflecting the laser beam 5 along the transverse direction (the pivoting movement of the mirror 25 in FIG. 1 being indicated by the double arrow 27 is illustrated).
  • the beam guiding device 9 may have a longitudinal deflecting device (not shown) for variably deflecting the laser beam 5 along the longitudinal direction.
  • the joining device 1 is movable by means of the guiding machine 7 along the longitudinal direction of the connecting flange 13 (ie in the present case along the x-direction) and along the vertical direction of the connecting flange (ie in the present case along the z-direction); wherein the movement of the joining device 1 with respect to the vertical direction in Figure 1 is illustrated by the double arrow 29.
  • the joining device 1 can be moved along the vertical direction with respect to the guide machine 1 by means of a vertical movement actuator (not shown).
  • the tensioning device 9 has two position reference elements 31, 32, wherein the first position reference element 31 is arranged in contact with the first tension element 15 and the second position reference element 32 is arranged in contact with the second tension element 17.
  • each of the position reference elements 31, 32 is formed as a passive reference element in the form of an annular, concentric with the respective pinch roller 15, 17 arranged cutting edge.
  • the joining apparatus 1 has an optical vertical positioning sensor 33 configured to detect the positioning of the lap joint 13 and the two reference elements 31, 32 with respect to the vertical direction (z-direction); wherein the vertical positioning sensor 33 is a triangulation sensor by way of example.
  • FIG. 1 illustrates the sensor light beams 35 of the triangulation sensor 33 that run from the triangulation sensor 33 to the lap joint 13 and to the two reference elements 31, 32.
  • the vertical positioning sensor 33 is configured to receive the vertical distance between the vertical positioning sensor 33 and the end surface 21 of the lap joint 13 at the clamping position as vertical positioning of the lap joint 13 and the vertical distance between the vertical positioning sensor 33 and a respective one of the position reference elements 31, 32 is detected as vertical positioning of the reference element 31, 32.
  • FIG. 2 illustrates the clamping region of the two sheet-metal parts 3 between the pressure rollers 15, 17 in a detailed view. According to Figure 2, the vertical positioning of the position reference elements 31, 32 thus corresponds to a vertical coordinate z and the vertical positioning of the lap joint 13 of a vertical coordinate z 2 , wherein the difference .DELTA. ⁇ these two coordinates is also referred to as a height difference.
  • the joining device 1 is designed in such a way (eg by means of a corresponding control device) that from it, based on the detected vertical positioning z 2 of the lap joint 13 and the detected vertical positioning zi of at least one of the position reference elements 31, 32, an actuating signal to the guiding machine 7 is generated and output, wherein the actuating signal for adjusting the positioning of the joining device 7 - and thus also the clamping elements 15, 17 - with respect to the vertical direction (z-direction) is used.
  • the joining device 1 is designed in such a way that it forms the difference ⁇ between the vertical positioning z 2 of the lap joint 13 and the vertical positioning zi of the position reference elements 31, 32 and the guide machine 7 by means of the Adjusting signal is controlled such that this difference ⁇ is kept constant during the process of the joining device 1 along the longitudinal direction of the connecting flange 13 to a predetermined desired differential value.
  • it can be provided to form the focusing device 23 in such a way that the vertical coordinate of the laser beam focus is adjusted according to the detected vertical positioning z 2 of the end face 21 of the lap joint 13 such that the focal position of the laser beam 5 is always on the end face 21 is located.
  • the joining device 1 also has an optical lateral positioning sensor 37, which is shown in FIG. 1 for better clarity together with the vertical positioning sensor 33.
  • the lateral positioning sensor 37 is formed so as to detect the positioning of the two position reference members 31, 32 with respect to the transverse direction of the connecting flange 13 (ie, the y direction); the lateral positioning sensor 37 being an example Camera-based sensor and the transverse positioning of the reference elements 31, 32 is detected by gray image evaluation.
  • the position of the cutting edge of the reference elements 31, 32 on the side of the pressure rollers 15, 17 facing the clamped workpieces 3 is detected by the transverse positioning sensor 37 as transverse positioning of the respective position reference element 31, 32, so that (see FIG. Positioning of the first position reference element 31 of a transverse coordinate yi and the transverse positioning of the second position reference element 32 of a transverse coordinate y 6 corresponds.
  • the joining device 1 is designed such that based on the transverse positioning y- ⁇ of the first position reference element 31, the transverse positioning y2 of the first outer surface 39 and based on the transverse positioning y 6 of the second position reference element 32, the transverse positioning y 5 of the second outer surface 41 of the lap joint 13 is detected.
  • the joining device 1 is designed such that the position of the gap 43 remaining between the clamped sheet-metal parts 3 is detected by it, taking into account the sheet thickness di of the first sheet metal part and the sheet thickness d2 of the second sheet metal part.
  • the gap 43 extends between the transverse coordinates y 3 and y 4 , so that the gap thickness d 3 is given by the difference between these two transverse coordinates.
  • the joining device 1 is designed in such a way that the deflection of the laser beam 5 along the transverse direction (y direction) is adjusted by means of a corresponding orientation of the mirror 25 such that the laser beam 5 is at the position of the gap 43, ie between the transverse coordinates y 3 and y 4 , impinges on the end face 21 of the connecting flange 13; wherein the transverse coordinates y 3 and y 4 of the gap 43 including the transverse positions y and y 6 of the position reference elements 31, 32 and the thickness di, d 2 of the two sheet metal parts 3 are detected.
  • the joining device 1 is further configured such that the clamping force applied thereto on the connecting flange 13 by the clamping elements in the form of the pressure rollers 15, 17 based on the detected gap thickness d 3 is set such that the gap thickness d 3 does not exceed a predetermined maximum gap thickness value exceed; wherein the thickness d 3 of the gap 43 including the transverse positioning yi and y6 of the position reference elements 31, 32 and the thickness di, 02 of the two sheet metal parts 3 is detected.
  • a joining process is as follows. At the beginning of the welding operation, the guide machine 7 positions to a starting point.
  • the position or positioning of the two sheet-metal parts 3 along the transverse direction and the vertical direction is detected by means of the optical lateral positioning sensor and vertical positioning sensor, for example by means of triangulation, before the beginning of the welding operation, the height signal being output from the triangulation depending on the approaching tolerance (position the guide machine, position of the sheet metal parts, Mettschreib etc.) varies.
  • the guide machine 7 or an additional actuator regulates the height position of the clamping elements 15, 17 to a predetermined desired value, this setpoint value, for example, also being supplied by the triangulation sensor system.
  • the machining spot or the impact position of the laser beam 5 is positioned on the connecting flange 13 by means of the actuators and / or deflection devices provided for this purpose, the positioning being effected by means of the vertical positioning sensor 33 and / or the transverse positioning sensor 37 measured values takes place.
  • small position corrections of the clamping elements with respect to the vertical direction by the guiding machine 7 (or additional actuators) can be made during the advancing movement of the joining device such that the clamping elements 15, 17 are always securely in engagement with the sheet metal parts 3. This height control is performed on the basis of the vertical positioning sensor 33 detected Readings.
  • the joining device 1 also has a reference structure 45 for calibrating the positions detected by means of the position reference elements 31, 32.
  • FIG. 3 illustrates a possible mode of operation of the calibration by means of such a reference structure 45.
  • the reference structure 45 has a reference section 47 with a reference width Ay re f and a reference height Az re f.
  • the reference structure 45 with the pinch rollers 1 5, 17 approached such that the pinch rollers 1 5, 1 7 both with respect to the vertical direction z and with respect to the transverse direction y in abutment are with the reference structure 45 and the reference portion 47 between the two pinch rollers 1 5, 1 7 is clamped.
  • the transverse positioning sensor 37 by means of the transverse positioning sensor 37, the transverse distance Ay mess present between the two position reference elements 31, 32 and by means of the vertical positioning sensor 33 of the vertical distance Az meS s present between the position reference elements 31, 32 and the front end edge of the reference section 47 detected.
  • the calibration of the positions detected by means of the reference elements 31, 32 can now be carried out by means of comparison of the reference width Ay re f with the measured transverse distance Ay mess and comparison of the reference height Az re f with the measured vertical distance ⁇ Zmess.
  • the influence of wear of the pinch rollers 1 5, 17 can be compensated for the accuracy of the positioning detection.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum stirnseitigen Fügen eines Überlappstoßes, wobei die Fügevorrichtung aufweist: eine mitlaufende Spanneinrichtung zum Einspannen der zu fügenden Werkstücke unter Ausbildung eines Überlappstoßes, wobei die Spanneinrichtung Spannelemente zum Angreifen an den Werkstücken aufweist; eine Strahlführungseinrichtung, die ausgebildet ist, einen Energiestrahl von der Stirnseite des Überlappstoßes her auf den Überlappstoß zu richten; und einen optischen Sensor, der zum Erfassen der Positionierung des Überlappstoßes bezüglich einer senkrecht zu einer Stirnfläche des Überlappstoßes verlaufenden Vertikalrichtung ausgebildet ist.

Description

Fügevorrichtung zum stirnseitigen Fügen eines Überlappstoßes
Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum stirnseitigen Fügen eines Überlappstoßes mittels eines Energiestrahls, z.B. eines Laserstrahls, wobei die Fügevorrich- tung z.B. zur Verwendung zum Laserschweißen einer stirnseitigen Flanschverbindung an Karosseriebauteilen vorgesehen sein kann.
Es ist bekannt, Nähte an einem Überlappstoß - z.B. im Karosseriebau bei Schweißnähten etwa an Türeinstiegsöffnungen, an Türen oder entlang von Bauteilkanten - in Form einer I-Naht oder einer Kehlnaht auszubilden. Dabei kommen in der Regel sogenannte„Fliegende Optiken" in Verbindung mit stationärer oder mitlaufender Spanntechnik zum Einsatz, wobei mechanische Systeme zur Abstützung und Führung einer mitlaufenden Spanntechnik verwendet werden, wobei ein oder mehrere Andruckelemente fest auf dem von dem Überlappstoß gebildeten Verbindungsflansch aufsitzen und als mechanische taktile Führungselemente zum geführten Positionieren der verwendeten Systemtechnik fungieren.
Beim Verschweißen von verzinkten Blechen im Karosseriebau führt das Laserschweißen von I-Nähten oder Kehlnähten an einem Überlappstoß infolge von Zink- ausgasung häufig zu Nähten geringer Nahtqualität, wobei porendurchsetzte Nähte mit vielen Anbindungsfehlern erzeugt werden. Zudem ist der Anbindungsquerschnitt dieser Nähte durch die Blechstärke der zu verschweißenden Bleche begrenzt und die Einschweißtiefen sind, insbesondere bei Mehrblechverbindungen, schlecht reproduzierbar. Da bei der Ausbildung von I-Nähten oder Kehlnähten der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Flanschebene und somit parallel zur Richtung der zum Einspannen der Bleche aufgebrachten Einspannkraft auf den Flansch auftrifft, muss der Flansch hinreichend groß sein, um sowohl genügend Angriffsfläche für die Spannelemente zu bieten als auch ein Auftreffen des Laserstrahls neben den Spannelementen zu ermöglichen. Solche großen Blechflansche gehen mit entsprechend hohem Gewicht einher und sind daher z.B. im Karosseriebau unerwünscht.
Des Weiteren sind Verfahren und Vorrichtungen zum stirnseitigen Schweißen von Verbindungsflanschen an Blechteilen bekannt. So beschreibt z.B. die WO 2011 /147 891 A1 eine Vorrichtung zum stirnseitigen Laserfügen von Blechteilen mit einer mit- laufenden Spanntechnik zum Halten der zu fügenden Blechteile. Als ein anderes Beispiel beschreibt die DE 10 2006 030 060 A1 ein Verfahren zum stirnseitigen Schweißen von Blechen, wobei eine stirnseitige Umschmelzung des gesamten Blechpakets erfolgt, sodass die Flansche der einzelnen Bleche zum Erzeugen der gewünschten Schmelzbadmenge und Schmelzbadanordnung im Wesentlichen dieselbe Länge o- der einen definierten Überstand aufweisen müssen. Die US 2004/0104204 A1 beschreibt eine Laserschweißvorrichtung mit einer mitlaufenden Spanntechnik und einem Abstandssensor zum Erfassen des Abstandes zwischen einem Laserbearbeitungskopf und einer Stirnfläche der zu bearbeitenden Werkstücke. Die DE 100 56 329 A1 beschreibt ein optisches Abstandsmessverfahren und einen entsprechenden Abstandssensor.
Das stirnseitige Schweißen von Flanschen ermöglicht, da der Flansch nunmehr lediglich eine Angriffsfläche für die Spannelemente (und nicht auch zusätzlich eine Auf- trefffläche für den Laserstrahl) bieten muss, das Ausbilden von Flanschen mit geringeren Abmessungen und entsprechend geringerem Gewicht. Jedoch können die geringen Flanschabmessungen zu Problemen beim mitlaufenden Einspannen der zu fügenden Werkstücke an den Flanschabschnitten führen, insbesondere zu Fehlpositionierungen der zum Einspannen verwendeten Spannelemente, worunter die Quali- tät der erzeugten Fügenaht leiden kann. Wird z.B. bei Verwendung eines Roboters als Führungsmaschine die mittels der Führungsmaschine abzufahrende Bewegungsbahn nicht exakt genug vorgegeben oder weisen die zu verschweißenden Bauteile zu starke Toleranzen auf, kann es dazu kommen, dass der Eingriff der Spanntechnik verloren geht oder die Spanntechnik über die Flanschabschnitte der zu fü- genden Bauteile hinausläuft und mit den an die Flanschabschnitte anschließenden Abschnitte der zu fügenden Bauteile kollidiert. So sind z.B. herkömmliche Verfahren auf Flanschabmessungen bzw. Flanschhöhen von 12 mm bis 18 mm ausgelegt, wobei es genügt, die Spanntechnik mit einer Genauigkeit von ± 3 mm zu positionieren; wobei diese Genauigkeit in der derzeitigen automatisierten Fertigung gut realisierbar ist. Für das stirnseitige Fügen (z.B. Einschweißen) an sehr kurzen Flanschen mit Flanschhöhen von 4 mm bis 8 mm ist jedoch für eine hohe Nahtqualität eine höhere Positioniergenauigkeit nötig.
Durch die Erfindung wird eine Fügevorrichtung zum stirnseitigen Fügen eines Über- lappstoßes bereitgestellt, mittels derer ein zuverlässiges Ausbilden einer Naht mit einer hohen Nahtqualität und insbesondere ein zuverlässiges und exaktes Positionieren einer mitlaufenden Spanntechnik ermöglicht ist. Gemäß der Erfindung wird eine Fügevorrichtung zum Fügen mehrerer (mindestens zweier) Werkstücke mittels eines Energiestrahls bereitgestellt, wobei die Werkstücke z.B. Blechteile sein können. Der Energiestrahl kann z.B. ein Laserstrahl sein; es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Energiestrahl allgemein ein Strahl elektromagnetischer Strahlung (z.B. ein Infrarotstrahl), ein Teilchenstrahl (z.B. ein Elektro- nenstrahl) oder ein Schallstrahl (z.B. in Form von gerichtetem Ultraschall) ist.
Während des Fügens wird die Fügevorrichtung entlang eines vorgesehenen Nahtverlaufs relativ zu den zu fügenden Werkstücken verfahren. Die Fügevorrichtung kann z.B. mittels einer Führungsmaschine, z.B. mittels eines Industrieroboters, relativ zu den zu fügenden Werkstücken bzw. entlang des vorgesehenen Nahtverlaufs bewegt werden. Dabei kann durch kontinuierlichen Vorschub der Fügestelle bzw. Fügestellenposition entlang des vorgesehenen Fügenahtverlaufs eine durchgängige Fügenaht erzeugt werden. Die Fügevorrichtung weist eine mitlaufende (d.h. mit der Fügevorrichtung mitbewegte) Spanneinrichtung zum Einspannen der zu fügenden Werkstücke auf, wobei während des Fügens die zu fügenden Werkstücke unter Ausbildung eines Überlappstoßes bzw. Verbindungsflansches eingespannt werden und an der Einspannposition miteinander verbunden bzw. gefügt werden. Insbesondere kann jedes der zu fügen- den Werkstücke einen Flanschabschnitt aufweisen, wobei die einzelnen Flanschabschnitte unter Ausbildung eines Verbindungsflansches stoßartig flach aneinanderliegend angeordnet und mittels der Spanneinrichtung eingespannt werden. Die
Werkstücke werden eingespannt, indem Spannelemente der Spanneinrichtung an den Werkstücken angreifen und diese entlang einer Spannrichtung gegeneinander pressen (wobei die Spannrichtung parallel zu der von den Spannelementen aufgebrachten Einspannkraft verläuft). Die Spannelemente können z.B. als Andruckrollen ausgebildet sein.
Die Fügevorrichtung weist zudem eine Strahlführungseinrichtung auf, die derart aus- gebildet ist, dass von ihr während des Fügens der Energiestrahl von der Stirnseite des Überlappstoßes her auf den Überlappstoß, insbesondere auf eine bzw. die Stirnfläche des Überlappstoßes, gerichtet wird. Der Energiestrahl verläuft somit z.B. im Wesentlichen parallel zu der Flanschebene des Verbindungsflanschs und quer zu der Spannrichtung, wobei der Energiestrahl z.B. im Wesentlichen senkrecht zu einer bzw. der Stirnfläche des Überlappstoßes verlaufen kann. Der Energiestrahl kann von außerhalb in die Strahlführungseinrichtung eingekoppelt sein oder mittels einer in oder an der Strahlführungseinrichtung angeordneten Strahlquelle (z.B. Laserquelle) erzeugt sein. Der Energiestrahl wird mittels der Strahlführungseinrichtung derart ge- führt, dass er an der Einspannposition bzw. im Einspannbereich der Werkstücke auf die Stirnseite des Überlappstoßes auftrifft und die Werkstücke somit stirnseitig gefügt bzw. miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Es kann z.B. vorgesehen sein, die Werkstücke mittels Schweißens oder Lötens miteinander zu verbinden, wobei das Fügen mit oder ohne Verwendung eines zusätzlich zu den Werkstücken bereit- gestellten Zusatzwerkstoffes (z.B. eines Lotmaterials), der an der jeweiligen Fügestelle zugeführt wird, erfolgen kann.
Die Fügevorrichtung weist zudem einen ersten optischen Sensor auf, der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihm die an der jeweiligen Fügestelle vorlie- gende Positionierung bzw. Lage des Überlappstoßes bezüglich einer senkrecht zu einer bzw. der Stirnfläche des Überlappstoßes verlaufenden Vertikalrichtung erfasst wird. Die Positionierung des Überlappstoßes entlang der Vertikalrichtung wird im Folgenden auch als Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes bezeichnet, der erste optische Sensor auch als erster Vertikalpositionierungs-Sensor. Der erste Vertikalpo- sitionierungs-Sensor kann z.B. derart ausgebildet sein, dass von ihm der Abstand entlang der Vertikalrichtung (auch als Vertikal-Abstand bezeichnet) zwischen dem Vertikalpositionierungs-Sensor und dem Überlappstoß als Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes erfasst wird. Der erste Vertikalpositionierungs-Sensor ist ein optischer Sensor, der z.B. derart ausgebildet ist, dass von ihm die an der jeweiligen Fügestelle bzw. Einspannposition vorliegende Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes bezüglich des Vertikal- positionierungs-Sensors erfassbar ist. Der erste Vertikalpositionierungs-Sensor ist bevorzugt ein Triangulationssensor, sodass die Vertikal-Positionierung des Überlapp- Stoßes mittels Triangulation erfasst wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der erste Vertikalpositionierungs-Sensor ein auf dem Interferenzprinzip beruhender Abstandssensor, ein auf dem Lichtschrankenprinzip beruhender Abstandssensor, o- der eine Kamera ist, wobei im letzen Fall die Vertikal-Positionierung des Überlapp- Stoßes mittels Bildauswertung erfasst wird. Der erste Vertikalpositionierungs-Sensor kann z.B. derart ausgebildet sein, dass von ihm die Position bzw. Lage des Endabschnitts des Überlappstoßes, z.B. die Lage einer stirnseitigen Abschlusskante des Überlappstoßes oder die Lage einer Stirnfläche des Überlappstoßes, bezüglich der Vertikalrichtung erfasst wird.
Indem mittels des ersten Vertikalpositionierungs-Sensors während des Fügens fortlaufend die Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes an der jeweiligen Fügestelle erfasst wird, kann z.B. die Positionierung der Spannelemente gemäß der erfassten Vertikal-Positionierung eingestellt werden, sodass stets ein zuverlässiges, positions- genaues Fixieren der Werkstücke mittels der Spannelemente und somit ein Ausbilden einer Naht mit einer hohen Nahtqualität ermöglicht ist. Insbesondere kann die Höhe des Druckpunktes bzw. Angriffsbereichs der Spanneinrichtung an den
Werkstücken gemäß der erfassten Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes definiert eingestellt werden und während des Fügens definiert gehalten bzw. nachgere- gelt werden. Zudem kann die Fügevorrichtung derart ausgebildet sein, dass der zum Fügen verwendete Energiestrahl unter Einbeziehung der erfassten Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes entlang der Vertikalrichtung derart fokussiert wird, dass die Vertikal-Koordinate der Fokusposition auf dem Überlappstoß, insbesondere auf der Stirnfläche des Überlappstoßes, liegt.
Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass von ihr basierend auf der erfassten Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes ein Stellsignal an eine zum Positionieren der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung ausgebildete Aktorik generiert und ausgegeben wird, sodass die Positionierung der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung mittels der Aktorik gemäß dem Stellsignal eingestellt bzw. nachgeregelt wird; wobei die Positionierung der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung im Folgenden auch als Vertikal-Positionierung der Spannelemente bezeichnet wird. Indem die Spanneinrichtung in einen Regelkreis eingebunden wird, wobei die Signale des Vertikalpositionierungs-Sensors als Ist-Werte zum Ermitteln der Abweichung von vorgegebenen Soll-Werten und Generieren entsprechender Stellsignale zum Korrigieren der Abweichung dienen, wird eine adaptive Spanntechnik bereitgestellt, die selbst bei widrigen Verhältnissen am Prozessort ein Positionieren der Spannelemente mit einer hohen Genauigkeit von z.B. ± 0,05 mm ermöglicht.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass von der Fügevorrichtung ein Stellsignal an eine zum Verfahren der Fügevorrichtung vorgesehene Führungsmaschine generiert und ausgegeben wird, sodass die Strahlführungseinrichtung zusammen mit den Spannelementen gemäß dem Stellsignal bezüglich der Vertikalrichtung verfahren wird und somit eine Veränderung des Vertikal-Abstands zwischen dem ersten Vertikalpositionierungs-Sensor und dem Überlappstoß mit einer Veränderung der Vertikal- Positionierung der Spannelemente an dem Überlappstoß einhergeht. Es kann z.B. vorgesehen sein, das Stellsignal basierend auf einer vorgegebenen Soll-Vertikalposi- tionierung der Spannelemente derart zu generieren, dass mittels der gemäß dem Stellsignal erfolgenden Stellbewegung der Unterschied bzw. Abstand zwischen der vorliegenden Ist-Vertikalpositionierung und Soll-Vertikalpositionierung der Spannelemente verringert wird. Gemäß dieser Ausführung kann z.B. vorgesehen sein, den Vertikal-Abstand zwischen dem ersten Vertikalpositionierungs-Sensor und dem Über- lappstoß - und somit auch zwischen der Strahlführungseinrichtung und dem Überlappstoß - mittels entsprechender Stellsignale konstant auf einem vorgegebenen Soll-Vertikalabstand zu halten, sodass z.B. eine Fokussiereinrichtung zum Verstellen der Fokusposition des Energiestrahls entlang der Vertikalrichtung entbehrlich sein kann.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung eine Positioniereinrichtung aufweist, die zum Verfahren der Spannelemente bezüglich der übrigen Fügevorrichtung (insbesondere bezüglich der Strahlführungseinrichtung) entlang der Vertikalrichtung ausgebildet ist; wobei von der Fügevorrichtung ein Stellsig- nal an die Positioniereinrichtung generiert und ausgegeben wird und somit die
Spannelemente gemäß dem Stellsignal relativ zu der Strahlführungseinrichtung bezüglich der Vertikalrichtung verfahren werden.
Demgemäß dienen die mittels des Vertikalpositionierungs-Sensors erfassten Vertikal- Positionierungen als Ist- Vorgabe für die Berechung der Stellsignale zum Ansteuern der Führungsmaschine und/oder der Positioniereinrichtung, sodass die jeweilige Ak- torik als Ergebnis der Ermittlung der Vertikal-Positionierung fortlaufend ein Stell- bzw. Korrektursignal erhält. Somit kann die Fügevorrichtung derart ausgebildet sein, dass die Positionierung der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung basierend auf der erfassten Positionierung des Überlappstoßes bezüglich der Vertikalrichtung eingestellt wird. Das heißt, an der jeweiligen Fügestelle wird die Vertikal-Positionierung der Spannelemente in Abhängigkeit von der mittels des ersten Vertikalpositionie- rungs-Sensors erfassten Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes eingestellt, so- dass der Angriffspunkt der Spannelemente an den Werkstücken entsprechend eingestellt und nachgeregelt werden kann.
Des Weiteren weist die Spanneinrichtung mindestens ein Positionsreferenzelement auf; wobei zudem die Fügevorrichtung einen zweiten optischen Sensor aufweist, der zum Erfassen der Positionierung eines solchen Positionsreferenzelements bezüglich der Vertikalrichtung (auch als Vertikal-Positionierung des Positionsreferenzelements bezeichnet) ausgebildet ist.
Bei Erfassen ausschließlich der Vertikal-Positionierung des Verbindungsflanschs kann das Problem bestehen, dass die Ursache für eine detektierte Fehlpositionierung bzw. Abweichung von einer vorgegebenen Soll-Positionierung der Spannelemente nicht genau identifizierbar ist (mögliche Ursachen für eine solche Abweichung können z.B. sein: Fehlpositionierung der Führungsmaschine, Maßhaltigkeit der zu fügenden Werkstücke, Ungenauigkeiten der verwendeten Sensorik infolge von Drift, oder mechanische Verstellung von Komponenten der Fügevorrichtung).
Indem die Vertikal-Positionierung des an der Spanneinrichtung vorgesehenen Positionsreferenzelements erfasst werden kann, kann zusätzlich zu der Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes auch die Vertikal-Positionierung der Spanneinrichtung erfasst werden, sodass auch die Vertikal-Positionierung der Spanneinrichtung relativ zu dem Überlappstoß erfassbar ist und somit ein Regeln dieser Relativpositionierung gemäß Soll-Vorgaben derart ermöglicht ist, dass die Werkstücke stets zuverlässig mittels der Spanneinrichtung fixiert sind. Insbesondere ist ein Regelsystem ermöglicht, welches nicht auf der Erfassung der Vertikal-Positionierung (z.B. der Ab- schlusskante) des Überlappstoßes in einem virtuellen Werkzeugkoordinatensystem basiert, wobei die Positionierung der Spannelemente absolut bezüglich dieses Koordinatensystems erfolgt, sondern stattdessen kann die Positionierung der Spannelemente relativ zu dem Verbindungsflansch z.B. anhand der ermittelten Höhendifferenz (d.h. Abstand entlang der Vertikal- bzw. Höhenrichtung) zwischen der Stirnseite des Verbindungsflanschs und dem Positionsreferenzelement erfolgen, wobei die ermittelte Abweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert der Höhendifferenz den Stellwert für die Aktorik ergibt. Die Fügevorrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass von ihr das Stellsignal basierend auf den an einer jeweiligen Fü- gesteile erfassten Vertikal-Positionierungen sowohl des Überlappstoßes als auch des Positionsreferenzelements generiert wird.
Die Fügevorrichtung kann z.B. derart ausgebildet sein, dass von ihr das Stellsignal an eine zum Positionieren der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung ausge- bildete Aktorik basierend auf der Differenz zwischen den an der jeweiligen Fügestelle erfassten Vertikal-Positionierungen des Überlappstoßes und des Positionsreferenzelements generiert wird. Die Vertikalpositionierung der Spannelemente kann z.B. mittels des Stellsignals derart geregelt werden, dass die Differenz zwischen der Vertikal- Positionierung des Überlappstoßes und der Vertikal-Positionierung des Positionsrefe- renzelements beim Abfahren des Fügenahtverlaufs konstant auf einem vorgegebenen Soll-Differenzwert oder innerhalb eines vorgegebenen Soll-Differenzwertintervalls gehalten wird. Dementsprechend kann die Fügevorrichtung derart ausgebildet sein, dass die Vertikal-Positionierung der Spannelemente basierend auf der Differenz zwischen der Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes und der Vertikal- Positionierung des Positionsreferenzelements eingestellt wird.
Ein solches Positionsreferenzelement kann ein passives Referenzelement in Form einer geometrischen Positionsmarkierung, z.B. in Form einer Schneide oder eines geometrischen Musters, oder ein aktives Referenzelement in Form eines optischen Emitters, z.B. einer Leuchtdiode oder sonstigen Lichtquelle, sein.
Der zweite optische Sensor (auch als zweiter Vertikalpositionierungs-Sensor bezeichnet) ist zum Erfassen eines Positionsreferenzelements ausgebildet und kann z.B. ein Triangulationssensor, ein auf dem Interferenzprinzip beruhender Abstands- sensor, ein auf dem Lichtschrankenprinzip beruhender Abstandssensor, oder eine Kamera sein, wobei im letzten Fall die Vertikal-Positionierung des Referenzelements mittels Bildauswertung erfasst wird. Der zweite Vertikalpositionierungs-Sensor ist z.B. derart ausgebildet, dass von ihm der Vertikal-Abstand zwischen dem zweiten Verti- kalpositionierungs-Sensor und einem jeweiligen Positionsreferenzelement als Vertikal-Positionierung des Referenzelements erfasst wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Vertikalpositionierungs- Sensor integral miteinander als ein einziger Sensor ausgebildet sind, sodass dersel- be optische Sensor sowohl zum Erfassen der Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes als auch der Vertikal-Positionierung des Referenzelements dient.
Das oder die Positionsreferenzelemente sind an der Spanneinrichtung angeordnet. Gemäß einer Ausführung ist mindestens ein solches Positionsreferenzelement derart mit einem der Spannelemente der Spanneinrichtung verbunden, dass es bei einer Bewegung des Spannelements mit demselben mitbewegt wird. Es kann z.B. vorgesehen sein, das Positionsreferenzelement kontaktierend an einem der Spannelemente anzuordnen. Indem das Referenzelement mitbewegt mit einem der an den Werkstücken angreifenden Spannelemente verbunden ist, kann die Positionierung, insbesondere die Vertikal-Positionierung, der Spannelemente in unmittelbarer Nähe von deren Angriffsposition an den Werkstücken erfasst werden, wodurch z.B. eine Höhenerfassung mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht ist und auch bei relativ zu der übrigen Fügevorrichtung höhenverstellbaren Spannelementen stets eine zuverlässige Höheneinstellung ermöglicht ist.
Gemäß einer weiteren Ausführung weist die Spanneinrichtung mindestens zwei Positionsreferenzelemente auf, die an zwei einander bezüglich der Spannrichtung gegenüberliegenden Spannelementen derart angeordnet sind, dass sie bei einer Bewegung der Spannelemente mit denselben mitbewegt werden; wobei die Fügevorrich- tung einen dritten optischen Sensor (auch als Querpositionierungs-Sensor bezeichnet) aufweist, der zum Erfassen der Positionierung bzw. Lage der beiden Positionsreferenzelemente bezüglich einer quer zu dem Überlappstoß verlaufenden Querrichtung ausgebildet ist. D.h., das erste der beiden Positionsreferenzelemente ist mitbewegt mit dem einen der beiden Spannelemente verbunden und das zweite der bei- den Positionsreferenzelemente ist mitbewegt mit dem anderen der beiden Spannelemente verbunden; wobei das erste Spannelement an der ersten Außenseite des Überlappstoßes und das zweite Spannelement an der zweiten Außenseite des Überlappstoßes angreift. Die Positionsreferenzelemente können z.B. mit den gegenüber- liegenden Spannelementen mitbewegt verbunden sein, indem sie kontaktierend an denselben angeordnet sind. Die Positionierung eines Positionsreferenzelements bezüglich der Querrichtung wird auch als Quer-Positionierung des Referenzelements bezeichnet. Indem die Quer-Positionierung zweier derartiger Positionsreferenzelemente erfasst wird, können die Positionierung und die Abmessung des Überlappstoßes bzw. Ver- bindungsflanschs bezüglich der Querrichtung erfasst werden, wobei diese Informationen z.B. zur Strahlführung des Energiestrahls und/oder zum Dosieren der mittels der Spannelemente aufgebrachten Einspannkraft verwendet werden können.
Die Fügevorrichtung kann z.B. derart ausgebildet sein, dass von ihr basierend auf der Quer-Positionierung des ersten der beiden Positionsreferenzelemente die Positionierung bzw. Lage der ersten Außenseite des Überlappstoßes und basierend auf der Quer-Positionierung des zweiten der beiden Positionsreferenzelemente die Posi- tionierung bzw. Lage der zweiten Außenseite des Überlappstoßes bezüglich der Querrichtung erfassbar ist. Die Kenntnis der Quer-Positionierung der beidseitig der eingespannten Werkstücke angeordneten Positionsreferenzelemente ermöglicht somit die indirekte Erfassung der Stoßdicke (z.B. Blechpaketdicke) des eingespannten Überlappstoßes und - bei Vorgabe bzw. Kenntnis der Dicke der Flanschabschnitte der einzelnen Werkstücke (z.B. der einzelnen Bleche) - auch die Erfassung der Gesamtdicke der zwischen den Werkstücken ausgebildeten bzw. verbleibenden Spalte und/oder der Positionierung dieser Spalte bezüglich der Querrichtung. Zum Beispiel ergibt sich beim Fügen zweier Werkstücke bei Vorgabe der Dicke jedes der beiden Werkstücke die Dicke des zwischen den Werkstücken verbleibenden Spaltes als Dif- ferenz zwischen der mittels der Quer-Positionierung der Referenzelemente ermittelbaren Stoßdicke und der Gesamtdicke der beiden Werkstücke, wobei die Lage des Spaltes sich durch Abtragen der Dicke des ersten Werkstückes von der Position der ersten Außenseite des Überlappstoßes und Abtragen der Dicke des zweiten Werkstückes von der Position der zweiten Außenseite des Überlappstoßes ergibt. Dem- gemäß kann die Fügevorrichtung derart ausgebildet sein, dass von ihr basierend auf der Quer-Positionierung der beiden Positionsreferenzelemente die Dicke des Überlappstoßes, die Gesamtdicke der zwischen den eingespannten Werkstücken verbleibenden Spalte und/oder die Lage der zwischen den eingespannten Werkstücken verbleibenden Spalte bezüglich der Querrichtung erfassbar ist.
Die genaue Kenntnis der Lage und der Dicke des zu fügenden Überlappstoßes bzw. Verbindungsflanschs sind für ein zuverlässiges Fügen (z.B. Schweißen) wichtig. So ist z.B. für die Realisierung des Flanschschweißens mittels Laserstrahls eine laterale Positioniergenauigkeit der Auftreffposition des Laserstrahls am Wirkort bzw. an der Fügestelle mit einem Positionierungsfehler von höchstens 0,05 mm erforderlich, sodass der Laserstrahl bezüglich der Quer- bzw. Lateralrichtung mit einer entsprechenden Genauigkeit auf den Spalt positioniert werden muss. Zudem kann eine sichere Verschweißung nur bis zu einem maximalen Spaltmaß realisiert werden, wobei das Spaltmaß wie beschrieben bei Kenntnis der Dicken der einzelnen Flanschabschnitte aus der Stoßdicke gefolgert werden kann, sodass auch die Kenntnis der Dicke des Überlappstoßes an der Fügestelle ein wichtiges Qualitätssicherungskriterium ist.
Indem die Erfassung der Quer-Positionierung des Überlappstoßes mittels Erfassens der mit den Spannelementen mitbewegten Positionsreferenzelemente erfolgt, während die Spannelemente an den zu fügenden Werkstücken anliegen, können potentielle störende Einflüsse bzw. Fehlerquellen wie z.B. Lagerspiel, elastische Deformation, Verschleiß, Ungenauigkeiten anderer gekoppelter Sensoriken (wie z.B. Drehgeber oder Weggeber) automatisch einbezogen werden und somit als Fehlerquellen eliminiert werden. Die mitlaufende Spanneinrichtung ist während des Fügens stets im Eingriff mit den zu fügenden Werkstücken bzw. dem Überlappstoß und stellt somit eine Maßverkörperung der Lage und Dicke des Überlappstoßes dar.
Der Querpositionierungs-Sensor ist zum Erfassen der Positionsreferenzelemente ausgebildet und kann z.B. ein Triangulationssensor, ein auf dem Interferenzprinzip beruhender Sensor, ein auf dem Lichtschrankenprinzip beruhender Sensor, oder eine Kamera sein, wobei im letzen Fall die Quer-Positionierung des Referenzelements mittels Bildauswertung erfasst wird. Es kann vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Vertikalpositionierungs-Sensor integral mit dem Querpositionie- rungs-Sensor als ein einziger Sensor ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführung ist die Fügevorrichtung bzw. die Strahlführungseinrichtung derart ausgebildet, dass von ihr (z.B. mittels einer entsprechenden Ablenkeinrich- tung, die z.B. in die Strahlführungseinrichtung integriert sein kann) die Auslenkung des Energiestrahls bezüglich der Querrichtung (auch als Quer-Auslenkung des E- nergiestrahls bezeichnet) einstellbar bzw. variierbar ist; wobei die Fügevorrichtung zudem derart ausgebildet ist, dass die Quer-Auslenkung des Energiestrahls basierend auf der mittels des Querpositionierungs-Sensors erfassten Quer-Positionierung des ersten und/oder zweiten Positionsreferenzelements (und ggf. unter Einbeziehung der Dicken der einzelnen eingespannten Werkstücke) eingestellt wird. Die Fügevorrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass der Energiestrahl entlang der Querrichtung derart ausgelenkt wird, dass er auf einen zwischen zwei eingespannten Werkstücken ausgebildeten Spalt auftrifft. Vorliegend wird unter dem Begriff Spalt sowohl ein Spalt mit einer freien Dicke bzw. einem Spaltmaß von größer als Null als auch ein Spalt mit einer Dicke von Null (sogenannter technischer Nullspalt) verstanden.
Gemäß einer anderen Ausführung ist die Fügevorrichtung bzw. die Spanneinrichtung derart ausgebildet, dass von ihr die mittels der Spannelemente aufgebrachte Ein- spannkraft basierend auf der erfassten Quer-Positionierung des ersten und/oder des zweiten Positionsreferenzelements (und ggf. unter Einbeziehung der Dicken der einzelnen eingespannten Werkstücke) eingestellt wird. So kann vorgesehen sein, die Einspannkraft derart einzustellen, dass die Gesamtdicke der zwischen den einge- spannten Werkstücken verbleibenden Spalte eine vorgegebene Soll-Spaltdicke einnimmt oder unterschreitet. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, die Einspannkraft zu erhöhen, wenn die ermittelte Gesamtdicke der zwischen den Werkstücken verbleibenden Spalte oberhalb einer vorgegebenen Maximal-Spaltdicke liegt. Zudem kann über eine variierende Andruck- bzw. Einspannkraft bei vorgegebener Vorspannung der zu fügenden Werkstücke gezielt eine vorgegebene Spaltgröße eingestellt werden, indem ein Regelkreis zwischen dem Quer-Positionierungssensor und einem Spann-Aktor der Spanneinrichtung realisiert wird. Somit kann stets ein zuverlässiges Fixieren der zu fügenden Werkstücke in einer vorgegebenen Fügegeometrie bei minimaler Krafteinwirkung realisiert werden. Zudem kann vorgesehen sein, die Spannelemente basierend auf den vorgegebenen Einzeldicken der zu fügenden Werkstücke unabhängig von der dafür erforderlichen Einspannkraft derart entlang der Querrichtung zu verfahren, dass die Quer- Positionierung jedes der Positionsreferenzelemente einer für das jeweilige Positionsreferenzelement vorgegebenen Soll-Querpositionierung entspricht. Die Soll- Querpositionierungen können z.B. derart vorgegeben werden, dass bei Vorliegen dieser Soll-Querpositionierungen der Referenzelemente die Gesamtdicke der zwischen den eingespannten Werkstücken verbleibenden Spalte eine vorgegebene Soll- Spaltdicke einnimmt oder unterschreitet.
Gemäß einer weiteren Ausführung weist die Fügevorrichtung eine Referenzstruktur bzw. ein Referenznormal zum Kalibrieren der mittels der Positionsreferenzelemente entlang der Vertikalrichtung und/oder Querrichtung erfassten Positionierungen auf; wobei die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass von ihr mittels Angreifens der Spannelemente an der Referenzstruktur und Erfassens der Vertikal-Positionierung bzw. der Quer-Positionierung der Referenzelemente bezüglich der Referenzstruktur (z.B. mittels des ersten, zweiten oder dritten optischen Sensors) die mittels der Positionsreferenzelemente erfassten Positionierungen kalibrierbar sind.
Die direkte Erkennung der Kanten des Überlappstoßes mittels optischer Sensoren (z.B. mittels Triangulation oder bildverarbeitender Systeme) während des Fügens, z.B. in realer Schweißumgebung, ist schwierig realisierbar. So weisen z.B. Blechpakete bei stirnseitiger Einschweißung oft nur ungenügende Merkmale zur sicheren Er- kennung auf. Zusätzliche Störgrößen ergeben sich z.B. aus dem Prozess aus variierenden Anstellwinkeln, variierender Intensität der Rückreflexionen, Graten bzw. Unregelmäßigkeiten an den Schnittkanten, sowie dem Einfluss der Plasmafackel. Für eine sichere und hoch präzise Erkennung reichen die bekannten Sensoriken oftmals nicht aus, insbesondere wenn eine Ortsauflösung mit einem Maximalfehler im Be- reich von 0,05 mm gefordert ist.
Indem, z.B. während einer Unterbrechung des Fügens, die Referenzstruktur mit den Spannelementen angefahren wird, kann eine Selbstkalibrierung der Positionserfassung erfolgen; wobei mögliche Fehlerquellen wie z.B. Verschleiß, Lagerspiel und Elastizitäten der Spanneinrichtung ausgeglichen bzw. automatisch eliminiert werden können. Dadurch ist es z.B. möglich, Stoßdicken, Dickenschwankungen und Welligkeiten exakt zu bestimmen. Es kann auch vorgesehen sein, zum Kalibrieren der mittels der Positionsreferenzelemente entlang der Querrichtung erfassten Positi- onierungen die Spannelemente (d.h. zumindest zwei einander bezüglich der Spannrichtung gegenüberliegende) zusammenzufahren bzw. miteinander in Kontakt zu bringen und einen Nullabgleich durchzuführen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
Figur 1 eine Seitenansicht einer Fügevorrichtung gemäß einer Ausführungsform beim Fügen zweier Bleche,
Figur 2 eine Detailansicht eines Ausschnitts aus Figur 1 , und
Figur 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Kalibriervorgangs.
Figur 1 veranschaulicht eine Fügevorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform beim Fügen zweier Werkstücke 3 in Form von Blechteilen 3 mittels eines Energiestrahls 5 in Form eines Laserstrahls 5, wobei ein stirnseitiges Einschweißen am Bördelstoß als Zweiblechverbindung veranschaulicht ist. Die Fügevorrichtung 1 ist eine Vorrichtung zum stirnseitigen Lasereinschweißen, wobei die Fügevorrichtung 1 mittels einer Führungsmaschine 7 entlang eines vorgesehenen Schweißnahtverlaufs bewegt wird. Die Fügevorrichtung 1 weist eine mitlaufende Spanneinrichtung 9 und eine Strahlführungseinrichtung 11 auf. Jedes der beiden Blechteile 3 weist einen Flanschabschnitt auf, wobei die beiden Flanschabschnitte unter Ausbildung eines Überlappstoßes bzw. Verbindungsflansches 13 zwischen zwei Spannelementen 15, 17 der Spanneinrichtung 9 eingespannt sind. Jedes der Spannelemente 15, 17 ist als drehend mitlaufen- de Andruckrolle ausgebildet, wobei jede der Andruckrollen 15, 17 mittels eines Verbindungsarms 19 mit der Strahlführungseinrichtung 11 verbunden und drehbar an dem Endabschnitt des jeweiligen Verbindungsarms angeordnet ist.
Gemäß Figur 1 verläuft die Stoß- bzw. Trennebene des Überlappstoßes 13 parallel zur xz-Ebene des in den Figuren dargestellten xyz-Koordinatensystems; wobei die Längsrichtung des Überlappstoßes 13 parallel zur x-Richtung verläuft, die quer zu dem Verbindungsflansch 13 verlaufende Querrichtung parallel zur y-Richtung verläuft, und die senkrecht zu der Stirnfläche 21 des Verbindungsflansches 13 verlau- fende Vertikalrichtung (auch als Höhenrichtung bezeichnet) parallel zur z-Richtung verläuft. Die Flanschhöhe des Überlappstoßes bzw. Verbindungsflansches 13 erstreckt sich somit parallel zur z-Richtung.
Die beiden Spannelemente 15, 17 sind entlang der y-Richtung gegeneinander be- wegbar, z.B. indem jeder der beiden Verbindungsarme mittels eines Spannaktors (nicht dargestellt) bezüglich der Strahlführungseinrichtung 11 entlang der y-Richtung verfahrbar ist, sodass mittels der Spannelemente 15, 17 die beiden Flanschabschnitte der Blechteile 3 gegeneinander gepresst und eine entlang der y-Richtung als Spannrichtung wirkende Einspannkraft auf den Verbindungsflansch 13 ausgeübt werden kann.
Die Strahlführungseinrichtung 11 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass von ihr während des Fügens der Laserstrahl 5 (der als Beispiel von außerhalb in die Strahlführungseinrichtung 11 eingekoppelt ist) von der Stirnseite des Verbindungsflansches 13 her auf die Stirnfläche 21 des Verbindungsflansches 13 gerichtet ist, sodass der Laserstrahl 5 am Stoß der beiden Blechteile 3 auf dieselben auftrifft und die beiden Blechteile 3 an der Auftreffposition des Laserstrahls 5 auf der Stirnfläche 21 unter Ausbildung einer Schweißnaht 22 stirnseitig miteinander verschwei ßt werden. Der Laserstrahl 5 ist mittels der Strahlführungseinrichtung 9 derart geführt, dass er wäh- rend des Fügens im Einspannbereich der Blechteile 3 zwischen den Andruckelementen 15, 17 auf die Blechteile 3 auftrifft, wobei die Kontaktierungspunkte der Andruckrollen 15, 17 an den Blechteilen 3 im Wesentlichen dieselbe Längs-Koordinate (x-Koordinate) haben wie die Auftreffposition des Laserstrahls 5 auf den Blechteilen. Die Strahlführungseinrichtung 11 weist als Beispiel eine Fokussiereinrichtung 23 zum Fokussieren des Laserstrahls 5 sowie eine Quer-Ablenkeinrichtung 25 in Form eines angetrieben schwenkbaren Spiegels 25 zum variablen Auslenken des Laserstrahls 5 entlang der Querrichtung auf (wobei die Schwenkbewegung des Spiegels 25 in Figur 1 durch den Doppelpfeil 27 veranschaulicht ist). Mittels des Spiegels 25 ist somit die Quer-Koordinate der Auftreffposition des Laserstrahls 25 auf der Stirnfläche 21 ein- stellbar. Zudem kann die Strahlführungseinrichtung 9 eine Längs-Ablenkeinrichtung (nicht dargestellt) zum variablen Auslenken des Laserstrahls 5 entlang der Längsrichtung aufweisen. Die Fügevorrichtung 1 ist mittels der Führungsmaschine 7 entlang der Längsrichtung des Verbindungsflanschs 13 (d.h. vorliegend entlang der x-Richtung) und entlang der Vertikalrichtung des Verbindungsflansches (d.h. vorliegend entlang der z-Richtung) verfahrbar; wobei die Bewegung der Fügevorrichtung 1 bezüglich der Vertikalrichtung in Figur 1 durch den Doppelpfeil 29 veranschaulicht ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung 1 mittels eines Vertikalbewegungs- Aktors (nicht dargestellt) bezüglich der Führungsmaschine 1 entlang der Vertikalrichtung verfahrbar ist.
Die Spanneinrichtung 9 weist zwei Positionsreferenzelemente 31 , 32 auf, wobei das erste Positionsreferenzelement 31 kontaktierend an dem ersten Spannelement 15 und das zweite Positionsreferenzelement 32 kontaktierend an dem zweiten Spannelement 17 angeordnet ist. Vorliegend ist jedes der Positionsreferenzelemente 31 , 32 als passives Referenzelement in Form einer ringförmigen, konzentrisch zu der jeweiligen Andruckrolle 15, 17 angeordneten Schneide ausgebildet.
Die Fügevorrichtung 1 weist einen optischen Vertikalpositionierungs-Sensor 33 auf, der zum Erfassen der Positionierung des Überlappstoßes 13 und der beiden Referenzelemente 31 , 32 bezüglich der Vertikalrichtung (z-Richtung) ausgebildet ist; wobei der Vertikalpositionierungs-Sensor 33 als Beispiel ein Triangulationssensor ist. In Figur 1 sind die von dem Triangulationssensor 33 zu dem Überlappstoß 13 und zu den beiden Referenzelementen 31 , 32 verlaufenden Sensor-Lichtstrahlen 35 des Triangulationssensors 33 veranschaulicht.
Der Vertikalpositionierungs-Sensor 33 ist derart ausgebildet, dass von ihm der an der Einspannposition vorliegende Vertikal-Abstand zwischen dem Vertikalpositionierungs-Sensor 33 und der Stirnfläche 21 des Überlappstoßes 13 als Vertikal- Positionierung des Überlappstoßes 13 und der Vertikal-Abstand zwischen dem Vertikalpositionierungs-Sensor 33 und einem jeweiligen der Positionsreferenzelemente 31 , 32 als Vertikal-Positionierung des Referenzelements 31 , 32 erfasst wird. Figur 2 veranschaulicht den Einspannbereich der beiden Blechteile 3 zwischen den Andruckrollen 15, 17 in einer Detailansicht. Gemäß Figur 2 entspricht die Vertikal- Positionierung der Positionsreferenzelemente 31 , 32 somit einer Vertikal-Koordinate z und die Vertikal-Positionierung des Überlappstoßes 13 einer Vertikal-Koordinate z2, wobei die Differenz Δζ dieser beiden Koordinaten auch als Höhendifferenz bezeichnet wird.
Die Fügevorrichtung 1 ist derart ausgebildet (z.B. mittels einer entsprechenden Steu- ereinrichtung), dass von ihr basierend auf der erfassten Vertikal-Positionierung z2 des Überlappstoßes 13 und der erfassten Vertikal-Positionierung zi zumindest eines der Positionsreferenzelemente 31 , 32 ein Stellsignal an die Führungsmaschine 7 generiert und ausgegeben wird, wobei das Stellsignal zum Einstellen der Positionierung der Fügevorrichtung 7 - und somit auch der Spannelemente 15, 17 - bezüglich der Vertikalrichtung (z-Richtung) dient.
Vorliegend ist die Fügevorrichtung 1 derart ausgebildet, dass von ihr die an der jeweiligen Fügestelle vorliegende Differenz Δζ zwischen der Vertikal-Positionierung z2 des Überlappstoßes 13 und der Vertikal-Positionierung zi der Positionsreferenzele- mente 31 , 32 gebildet wird und die Führungsmaschine 7 mittels des Stellsignals derart angesteuert wird, dass diese Differenz Δζ während des Verfahrens der Fügevorrichtung 1 entlang der Längsrichtung des Verbindungsflansches 13 konstant auf einem vorgegebenen Soll-Differenzwert gehalten wird. Zudem kann vorgesehen sein, die Fokussiereinrichtung 23 derart auszubilden, dass die Vertikal-Koordinate des La- serstrahl-Fokus gemäß der erfassten Vertikal-Positionierung z2 der Stirnfläche 21 des Überlappstoßes 13 derart eingestellt wird, dass die Fokusposition des Laserstrahls 5 stets auf der Stirnfläche 21 liegt.
Die Fügevorrichtung 1 weist zudem einen optischen Querpositionierungs-Sensor 37 auf, der in Figur 1 der besseren Übersichtlichkeit halber zusammen mit dem Vertikal- positionierungs-Sensor 33 dargestellt ist. Der Querpositionierungs-Sensor 37 ist derart ausgebildet, dass von ihm die Positionierung der beiden Positionsreferenzelemente 31 , 32 bezüglich der Querrichtung des Verbindungsflansches 13 (d.h. der y- Richtung) erfasst wird; wobei der Querpositionierungs-Sensor 37 als Beispiel ein kamerabasierter Sensor ist und die Quer-Positionierungen der Referenzelemente 31 , 32 mittels Graubildauswertung erfasst wird.
Von dem Querpositionierungs-Sensor 37 wird die Position der Schneidenkante der Referenzelemente 31 , 32 an der den eingespannten Werkstücken 3 zugewandten Seite der Andruckrollen 15, 17 als Quer-Positionierung des jeweiligen Positionsreferenzelements 31 , 32 erfasst, sodass (siehe Figur 2) die Quer-Positionierung des ersten Positionsreferenzelements 31 einer Quer-Koordinate yi und die Quer- Positionierung des zweiten Positionsreferenzelements 32 einer Quer-Koordinate y6 entspricht.
Die Fügevorrichtung 1 ist derart ausgebildet, dass von ihr basierend auf der Quer- Positionierung y-ι des ersten Positionsreferenzelements 31 die Quer-Positionierung y2 der ersten Außenfläche 39 und basierend auf der Quer-Positionierung y6 des zweiten Positionsreferenzelements 32 die Quer-Positionierung y5 der zweiten Außenfläche 41 des Überlappstoßes 13 erfasst wird. Zudem ist die Fügevorrichtung 1 derart ausgebildet, dass von ihr unter Einbeziehung der Blechdicke di des ersten Blechteils und der Blechdicke d2 des zweiten Blechteils die Lage des zwischen den eingespannten Blechteilen 3 verbleibenden Spaltes 43 erfasst wird. Gemäß Figur 2 er- streckt sich der Spalt 43 zwischen den Quer-Koordinaten y3 und y4, sodass die Spaltdicke d3 durch die Differenz dieser beiden Quer-Koordinaten gegeben ist.
Die Fügevorrichtung 1 ist derart ausgebildet, dass von ihr die Auslenkung des Laserstrahls 5 entlang der Querrichtung (y-Richtung) mittels entsprechender Orientierung des Spiegels 25 derart eingestellt wird, dass der Laserstrahl 5 an der Position des Spaltes 43, d.h. zwischen den Quer-Koordinaten y3 und y4, auf die Stirnfläche 21 des Verbindungsflansches 13 auftrifft; wobei die Quer-Koordinaten y3 und y4 des Spaltes 43 unter Einbeziehung der Quer-Positionierungen y und y6 der Positionsreferenzelemente 31 , 32 sowie der Dicken d-i , d2 der beiden Blechteile 3 erfasst werden.
Die Fügevorrichtung 1 ist ferner derart ausgebildet, dass von ihr die mittels der Spannelemente in Form der Andruckrollen 15, 17 auf den Verbindungsflansch 13 aufgebrachte Einspannkraft basierend auf der erfassten Spaltdicke d3 derart eingestellt wird, dass die Spaltdicke d3 einen vorgegebenen Spaltdicken-Maximalwert nicht überschreitet; wobei die Dicke d3 des Spaltes 43 unter Einbeziehung der Quer- Positionierungen yi und y6 der Positionsreferenzelemente 31 , 32 sowie der Dicken di, 02 der beiden Blechteile 3 erfasst wird. Ein Fügevorgang läuft wie folgt ab. Zu Beginn des Schweißvorgangs positioniert die Führungsmaschine 7 auf einen Startpunkt. Die Lage bzw. Positionierung der beiden Blechteile 3 entlang der Querrichtung und der Vertikalrichtung wird vor Beginn des Schweißvorgangs mittels des optischen Querpositionierungs-Sensors und Vertikal- positionierungs-Sensors erkannt, z.B. mittels Triangulation, wobei das Höhensignal aus der Triangulation je nach auflaufender Toleranz (Position der Führungsmaschine, Position der Blechteile, Mettfehler etc.) variiert. Über eine Sensorschnittstelle regelt die Führungsmaschine 7 (oder ein zusätzlicher Aktor) die Höhenposition der Spannelemente 15, 17 bis auf einen vorgegebenen Soll-Wert nach, wobei dieser Soll-Wert z.B. auch weiterhin von der Triangulationssensorik geliefert wird. Nun erst wird die Spanntechnik geschlossen, d.h. die Blechteile 3 von den Spannelementen 15, 17 fixiert (eine Positionskorrektur ausschließlich entlang der Vertikalrichtung ist nun nicht mehr möglich, da eine unzulässige Kraft auf die Werkstücke 3 und die Systemtechnik ausgeübt werden würde). Nunmehr erfolgt eine Vermessung der Position der Spannelemente 15, 17 mittels Erfassens der Positionen der Referenzelemente 31 , 32 durch den Quer- und den Vertikalpositionierungssensor, und es findet ein Vergleich der er- fassten Ist-Positionen mit vorgegebenen Soll-Positionen statt. Die Blechpaketdicke und die Spaltgröße werden erfasst. Dieser Signalabgleich erfolgt weiterhin während des gesamten Fügevorgangs. Während des Fügens wird der Bearbeitungsspot bzw. die Auftreffposition des Laserstrahls 5 mittels der dafür vorgesehenen Aktoren und/oder Ablenkeinrichtungen auf die richtige Position auf dem Verbindungsflansch 13 positioniert, wobei die Positionierung mittels der von dem Vertikal-Positionierungssensor 33 und/oder dem Quer- Positionierungssensor 37 erfassten Messwerte erfolgt. Nach dem Starten des Füge- Vorgangs können während der Vorschubbewegung der Fügevorrichtung kleine Positionskorrekturen der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung durch die Führungsmaschine 7 (oder zusätzliche Aktoren) derart vorgenommen werden, dass die Spannelemente 15, 17 stets sicher im Eingriff mit den Blechteilen 3 sind. Diese Höhenregelung erfolgt anhand der von dem Vertikalpositionierungs-Sensor 33 erfassten Messwerte.
Die Fügevorrichtung 1 weist zudem eine Referenzstruktur 45 zum Kalibrieren der mittels der Positionsreferenzelemente 31 , 32 erfassten Positionierungen auf. Figur 3 veranschaulicht eine mögliche Funktionsweise der Kalibrierung mittels einer solchen Referenzstruktur 45.
Die Referenzstruktur 45 weist einen Referenzabschnitt 47 mit einer Referenz-Breite Ayref und einer Referenz-Höhe Azref auf. Zum Kalibrieren wird, z.B. in einer Schwei ß- Unterbrechung zwischen zwei Schwei ßvorgängen, die Referenzstruktur 45 mit den Andruckrollen 1 5, 17 derart angefahren, dass die Andruckrollen 1 5, 1 7 sowohl bezüglich der Vertikalrichtung z als auch bezüglich der Querrichtung y in Anschlag mit der Referenzstruktur 45 sind und der Referenzabschnitt 47 zwischen den beiden Andruckrollen 1 5, 1 7 eingespannt ist. Nunmehr wird mittels des Querpositionierungs- Sensors 37 der zwischen den beiden Positionsreferenzelementen 31 , 32 vorliegende Quer-Abstand Aymess und mittels des Vertikalpositionierungs-Sensors 33 der zwischen den Positionsreferenzelementen 31 , 32 und der stirnseitigen Abschlusskante des Referenzabschnittes 47 vorliegende Vertikal-Abstand AzmeSs erfasst. Die Kalibrierung der mittels der Referenzelemente 31 , 32 erfassten Positionierungen kann nun- mehr mittels Vergleichs der Referenz-Breite Ayref mit dem gemessenen Quer- Abstand Aymess und Vergleichs der Referenz-Höhe Azref mit dem gemessenen Vertikalabstand ÄZmess erfolgen. Durch eine solche Kalibrierung kann z.B. der Einfluss einer Abnutzung der Andruckrollen 1 5, 17 auf die Genauigkeit der Positionierungserfassung kompensiert werden.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
I Fügevorrichtung
3 Werkstück / Blechteil
5 Energiestrahl / Laserstrahl
7 Führungsmaschine
9 Spanneinrichtung
I I Strahlführungseinrichtung
13 Überlappstoß / Verbindungsflansch
15, 17 Spannelement / Andruckrolle
19 Verbindungsarm
21 Stirnfläche des Überlappstoßes
22 Fügenaht / Schwei ßnaht
23 Fokussiereinrichtung
25 Ablenkeinrichtung
27 Schwenkbewegung
29 Höhenverstellbewegung
31 , 32 Positionsreferenzelement
33 erster und zweiter optischer Sensor / Vertikalpositionierungs-Sensor 35 Sensor-Lichtstrahl
37 dritter optischer Sensor / Querpositionierungs-Sensor
39, 41 Außenseite des Überlappstoßes
43 Spalt
45 Referenzstruktur
47 Referenzabschnitt
x Längsrichtung
y Querrichtung
z Vertikalrichtung / Höhenrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Fügevorrichtung (1 ) zum Fügen von Werkstücken (3) mittels eines Energiestrahls (5), aufweisend:
- eine mitlaufende Spanneinrichtung (9) zum Einspannen der zu fügenden Werkstücke (3) unter Ausbildung eines Überlappstoßes (13), wobei die Spanneinrichtung Spannelemente (15, 17) zum Angreifen an den Werkstücken und mindestens ein Positionsreferenzelement (31 , 32) aufweist,
einen optischen Sensor (33), der zum Erfassen der Positionierung des Über- lappstoßes (13) bezüglich einer senkrecht zu einer Stirnfläche (21 ) des Überlappstoßes verlaufenden Vertikalrichtung (z) ausgebildet ist,
einen optischen Sensor, der zum Erfassen der Positionierung des Positionsreferenzelements (31 , 32) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ausgebildet ist, und
eine Strahlführungseinrichtung (11 ), die ausgebildet ist, einen Energiestrahl (5) von der Stirnseite des Überlappstoßes (13) her auf den Überlappstoß zu richten.
2. Fügevorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Fügevorrichtung (1 ) derart ausgebildet ist, dass von ihr basierend auf der erfassten Positionierung des Überlappstoßes (13) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ein Stellsignal an eine zum Positionie- ren der Spannelemente (15, 17) bezüglich der Vertikalrichtung ausgebildete Aktorik (7) generiert wird.
3. Fügevorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Fügevorrichtung (1 ) derart ausgebildet ist, dass von ihr basierend auf einer Differenz zwischen den erfassten Posi- tionierungen des Überlappstoßes (13) und des Positionsreferenzelements (31 , 32) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ein Stellsignal an eine zum Positionieren der Spannelemente bezüglich der Vertikalrichtung ausgebildete Aktorik (7) generiert wird.
4. Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der optische Sen- sor (33) zum Erfassen der Positionierung des Überlappstoßes (13) bezüglich der Vertikalrichtung (z) integral mit dem optischen Sensor (33) zum Erfassen der Positionierung des Positionsreferenzelements (31 , 32) bezüglich der Vertikalrichtung (z) ausgebildet ist.
5. Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine Positionsreferenzelement (31 , 32) derart mit einem der Spannelemente (15, 17) der Spanneinrichtung (9) verbunden ist, dass es bei einer Bewegung des Spannelements (15, 17) mit demselben mitbewegt wird.
6. Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spanneinrichtung (9) ein erstes (31 ) und ein zweites (32) Positionsreferenzelement aufweist, wobei die beiden Positionsreferenzelemente an zwei gegenüberliegenden Spannelementen (15, 17) derart angeordnet sind, dass sie bei einer Bewegung der Spannele- mente mit denselben mitbewegt werden, und wobei die Fügevorrichtung (1 ) einen optischen Sensor (37) aufweist, der zum Erfassen der Positionierung des ersten und des zweiten Positionsreferenzelements bezüglich einer quer zu dem Überlappstoß (13) verlaufenden Querrichtung (y) ausgebildet ist.
7. Fügevorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass von ihr die Auslenkung des Energiestrahls (5) bezüglich der Querrichtung (y) basierend auf der erfassten Positionierung des ersten und/oder des zweiten Positionsreferenzelements bezüglich der Querrichtung eingestellt wird.
8. Fügevorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass von ihr die mittels der Spannelemente (15, 17) aufgebrachte Einspannkraft basierend auf der erfassten Positionierung des ersten (31 ) und/oder des zweiten (32) Positionsreferenzelements bezüglich der Querrichtung eingestellt wird.
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