DD253201A1

DD253201A1 - Sensoranordnung zur schweissbrennerfuehrung

Info

Publication number: DD253201A1
Application number: DD29513286A
Authority: DD
Inventors: Otto Fiedler; Karsten Kruse; Thomas Luschtinetz
Original assignee: Univ Rostock
Priority date: 1986-10-09
Filing date: 1986-10-09
Publication date: 1988-01-13
Also published as: DD253201B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Fuehren von Schweissbrennern laengs vorgegebener Werkstueckkanten. Das Ziel der Erfindung besteht in der Erhoehung des Automatisierungsgrades bei Schweissprozessen, insbesondere beim Schweissen von Versteifungen. Zu diesem Zwecke werden induktive und kapazitive Sensoranordnungen vorgeschlagen, die eine Zweiachsensensierung mit kleinen Abtastflaechen an einer Kante oder an der Kehle des Werkstueckes ermoeglichen. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch geloest, dass in einer spitzwinkligen Anordnung von induktiven Stabsensoren die Sensorkoepfe dicht zusammengefuehrt sind, ihre Sensierraeume sich ueberlagern und die Sensoren mit unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen arbeiten, oder dass ein Sensorblock mit kapazitiven Abstandssensoren als jeweils flaches Winkel- oder Kehlelement mit angepasstem Elektrodensystem die Zweiachsenfuehrung uebernimmt. Fig. 1

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Sensoren zur Führung von Schweißbrennern längs vorgegebener Werkstück-Kanten, insbesondere zum Schweißen von Stegen, Gurten und Profilblechen auf zu versteifende Unterlagen.

Die Anordnung wird vorteilhaft dort eingesetzt, wo geringe Steghöhen und geringe Abstände zwischen den Versteifungen und zwischen Versteifung und Wand vorhanden sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Literatur gibt es zahlreiche Vorschläge zur Realisierung und Anwendung von Führungssensoren für Schweißroboter. (Schweißtechnik Jahrgang 32,1982, Heft 7, Wiss. Zeitschrift W.-P.-Univ. Rostock34. Jahrgang 1985, Heft 3). In der Mehrzahl sind es induktive Sensoren, mit denen die Umgebung durch ein magnetisches Wechselfeld abgetastet wird. Der magnetische Fluß wird durch magnetisierbares Wandmaterial verstärkt, zum anderen durch Wirbelstrombildung in elektrisch leitender Wand geschwächt. Nach dem Verstärkungseffekt arbeiten vornehmlich Transformator- und Differentialtransformator-Sensoren, die Wirbelstromdämpfung nutzen induktive Oszillatorsensoren. Induktive Differentialstabsensoren und ihre Verbindung zu Schweißvorrichtungen sind bereits vorgeschlagen worden. Sind kleine Abtastflächen gefordert, so können kapazitive Sensoren den Vorzug erhalten. Beispielsweise wurde ein kapazitiver Zweiachsensensor vorgeschlagen mit kleinen Empfängerflächen, einer speziellen Ummantelung und einer neuen elektronischen Auswerteschaltung, in welcher Störungen im kapazitiven Spannungsteiler unwirksam gemacht werden.

Die bekannten sensorgeführten Schweißvorrichtungen mit induktiven Sensoren haben den Mangel, daß sie in engen Passagen, z. B. in einer dichten Folge von Versteifungselementen oder an Stegblechen, die in Wandnähe zu verschweißen sind, nicht oder nur teilweise einsetzbar sind.

Das gilt auch für die Anwendung kapazitiver Sensoren. Lediglich der oben angeführte Zweiachsen-Sensor ist in der Lage, an der rückseitigen Kehle eines geraden Steges die Führung des Brenners zu garantieren. In solchen Fällen, wo eine schmale Kantensensierung erforderlich wird, z. B. bei Profilstegen oder perforierten Stufen, ist jedoch auch dieser Sensor ungeeignet.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Automatisierung von Schweißarbeiten zu ermöglichen, die bisher aufgrund der geometrischen Abmessungen und Strukturen der Werkstücke, enger Passagen und Toleranzen manuell ausgeführt werden mußten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neue Verbindung von Sensoren mit dem Schweißkopf zu schaffen, die die Führung des Schweißbrenners verbessert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer spitzwinkligen Anordnung zweier induktiver Sensoren in einer tragenden Halterung über dem Brenner gelöst, wobei die Köpfe der beiden Sensoren, von denen einer die Führung in x-Richtung und der andere in y-Richtung sichert, dicht zusammengeführt sind und sich ihre Sensierräume innerhalb und außerhalb des Bauteiles überlagern. Beide Sensoren sind mit unterschiedlicher Arbeitsfrequenz beaufschlagt. Es sind Stabsensoren mit kleinem Durchmesser, deren Arbeitsfrequenzen im Bereich von 1 bis 4kHz liegen und die in diesem Bereich für Eisen und Nichteisenmetalle nahezu die gleiche Abstandsempfindlichkeit haben. Die Arbeitsfrequenzen der beiden Sensoren unterscheiden sich um mindestens eine Bandbreite des oder der Bandfilter(s) der anschließenden Sensorauswerteelektronik.

Das spitzwinklige Sensorpaar ist auf eine der oberen Kanten des zu schweißenden Bauteiles ausgerichtet oder auf die rückseitige Kehle dieses Teiles.

Desgleichen wird die Aufgabe mit einer Anordnung von zwei kapazitiven Abstandssensoren in einem quaderförmigen Element gelöst, wobei sich an den flachen Außenseiten eines Winkels je eine Empfängerelektrode und an der Spitze des Winkels die Sendeelektrode, die den Verschiebungsfluß für beide Empfänger erzeugt, befinden. Oder mit einem quaderförmigen Element mit einspringender Ecke, wobei sich an den flachen Innenseiten der Ecke je eine Empfängerelektrode und in der Kehle die Sendeelektrode für beide Empfänger befinden.

Das quaderförmige Sensorsystem mit den Sensierelektroden an den Außenwinkelflächen ist auf die rückseitige Kehle zwischen Boden und Versteifung ausgerichtet.

Das Sensorsystem mit der einspringenden Ecke ist auf eine der oberen Kanten des aufzusetzenden Bauteiles ausgerichtet.

Der quaderförmige Körper mit den Sensoren besteht aus einem flachen Grundkörper, die die Aussparungen für die Elektroden und Elektrodenzuführungen enthält und zwei Deckplatten, die das System seitlich abschirmen.

Die induktiven oder kapazitiven Sensoren sind angeschlossen an jeweils bekannte elektronische Auswerteschaltungen mit an sich bekannten Korrekturschaltungen.

Ausführungsbeispiel

An Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 bis Prinzipanordnung induktiver Stabsensoren zur Abstandssensierung an den Oberkanten eines Versteifungssteges

Fig. 4: Prinzipanordnung induktiver Stabsensoren zur Abstandsmessung an der rückseitigen Kehle des Steges Fig. 5: Prinzipanordnung eines Sensorblockes mit kapazitiven Abstandssensoren zur Sensierung an der rückseitigen Kehle

des Steges Fig. 6: Prinzipanordnung eines Sensorblockes mit kapazitiven Abstandssensoren zur Sensierung an der Oberkante des Steges

Fig. 7 und Prinzipanordnung der Elektroden in den Sensorblöcken nach Fig. 5 und Fig. 6 Fig. 8: Fig. 9: Frequenzabhängigkeit der Empfindlichkeit induktiver Stabsensoren für Eisen und Aluminium.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zweier induktiver Stabsensoren 1 in einer tragenden Halterung 2, die am Brennerhals 3 befestigt ist, dargestellt. Die Achsen beider Sensoren laufen spitzwinklig zusammen, so daß die Sensierköpfe einen kleinen Abstand zueinander haben. In dieser Zusammenführung gewährleisten sie eine Kantendetektion mit kleinen zusammenliegenden Abtastflächen. Der Sensor für die y-Richtung ist senkrecht auf die schmale Stegfläche des Versteifungssteges 4 und der Sensor für die x-Richtung schräg auf dessen Seitenflächen ausgerichtet. Beide Sensoren arbeiten bei Überlagerung ihrer Sensierräume im Bereich der oberen rechten Kante des Steges 4, derauf die Unterlage 5 geschweißt wird. In Fig.2 und Fig.3 sind Steganordnungen gezeichnet, wo eine rückseitige Sensierung schwer möglich ist. Hier erfolgt die Sensierung im Bereich der dem Brenner zugewandten Kante des Steges 4. In Fig.3 ist auch der y-Sensor zur y-Achse geneigt.

Die Überlappung der Sensierräume für die x- und y-Richtung ist mit einer gegenseitigen Beeinflussung der Induktionsflüsse verbunden. Um diesen Einfluß auf das Meßergebnis zu eliminieren, arbeiten beide Sensoren mit unterschiedlicher Frequenz. Die Differenz ihrer Arbeitsfrequenzen ist größer als die Bandbreite des Bandfilters der anschließenden Auswerteelektronik. Unterschiedliche Arbeitsfrequenz bedeutet jedoch unterschiedliche Empfindlichkeit. In Fig.9 ist die Frequenzabhängigkeit der Empfindlichkeit von induktiven Stabsensoren mit Trafoblechkernen für Eisen und Aluminium angegeben. Ein Maß für die Empfindlichkeit ist der Faktor K in der Abstandscharakteristik

U₂ = K · υ,/χ²

U₂ Meßspannung

Ui Erregerspannung ...

χ Abstand zur Wand.

K ist für Eisen positiv und für Nichteisenmetalle negativ. Man erkennt, daß es für die induktiven Sensoren einen optimalen Arbeitsfrequenzbereich gibt, nämlich größer als 1 kHz und kleiner als 4kHz. Darin ist die Änderung des Betrages von K hinsichtlich der Arbeitsfrequenz und des Materials gering.

Fig.4 zeigt die Prinzipanordnung eines induktiven Stabsensorpaares 1 an der Rückseite des zu schweißenden Steges 4 zur Sensierung in x- und y-Richtung in einem kleinen Bereich der Kehle. Diese Anordnung wird angewendet, wenn z. B. die Stegbleche unterschiedliche Höhen haben oder die oberen Kanten zur Sensierung nicht geeignet sind.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen jeweils Zweiachsensensierungen mit kapazitiven Abstandssensoren. Unter Verwendung des an sich bekannten Prinzips der kapazitiven Abtastung mit einer Sendeelektrode (Quelle des Verschiebungsflusses) und zwei umgebenden Empfängerelektroden sind die Elektroden in kompakten flachen Winkelelementen angeordnet. Fig. 5 zeigt einen quaderförmigen Sensorblock 6 an dertragenden Halterung 2. Dieser Block enthält an den flachen Stirnseiten zum Steg 4 und zur Unterlage 5 je eine Empfängerelektrode 9 und an der Ecke, die zur Kehle gerichtet ist, eine gemeinsame Sendeelektrode 10. Fig. 6 zeigt einen quaderförmigen Sensorblock 7 an der tragenden Halterung 2. Dieser Block besitzt eine einspringende Ecke mit dem Elektrodensystem zur Sensierung in x-und y-Richtung. Die Sendeelektrode 10 befindet sich in diesem Fall in der Kehle des Sensorblockes 7. Die Anordnung eignet sich zur Abstandssensierung an einer der oberen Kanten des Steges 4.

Fig. 7 und Fig. 8 zeigen die in Fig. 6 und Fig. 7 skizzierten Sensorblöcke für die Kehl- und Kantensensierung im Querschnitt und aus der Sicht des Steges.

Beide Blöcke 7,8 bestehen jeweils aus einem Grundkörper 8, der die Aussparungen für die Elektroden enthält. Die Empfängerelektroden 9 sind im Winkel von 90° zueinander angeordnet. Zwischen ihnen befindet sich jeweils eine gemeinsame Sendeelektrode 10.

Die Grundkörper 8 sind jeweils von 2 Deckplatten 11 abgeschlossen. Sie schirmen das Elektrodensystem seitlich ab. Die Elektrodenausgänge für die Sendeeiektroden sind mit S und für die Empfängerelektroden mit E_x und E_y bezeichnet.

Claims

1. Sensorgeführte Schweißvorrichtung für das automatisierte Schweißen von Bauteilen, insbesondere Versteifungen, gekennzeichnet durch eine spitzwinklige Anordnung zweier induktiver Stabsensoren (1) jeweils für die Führung in x- undy-Richtung in einer tragenden Halterung (2) über dem Brenner (3), wobei sich die Sensierräume beider Sensoren innerhalb und außerhalb des Bauteiles überlagern und die Sensoren mit jeweils unterschiedlicher Arbeitsfrequenz beaufschlagt sind.

2. Sensorgeführte Schweißvorrichtung für das automatisierte Schweißen von Bauteilen, insbesondere Versteifungen, gekennzeichnet durch Anordnung zweier kapazitiver Abstandssensoren in einem quaderförmigen Element (6) an einer tragenden Halterung (2) über dem Brenner (3) mit jeweils einer Empfängerelektrode (9) an den flachen Außenseiten eines Winkels und einer gemeinsamen den Verschiebungsfluß erzeugenden Elektrode (10) an der Spitze des Winkels oder einem quaderförmigen Element mit einspringender Ecke (7) mit jeweils einer Empfängerelektrode (9) an den flachen Innenseiten der Ecke und einer gemeinsamen Sendeelektrode (10) in der Kehle.

3. Vorrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch Ausrichtung der Stabsensoren (1) auf eine der oberen Kanten des zu verschweißenden Bauteiles oder auf die rückseitige Kehle dieses Bauteiles.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Arbeitsfrequenzen der Sensoren im Bereich von 1 bis 4kHz bei Verwendung von Trafoblechen als Sensorkernmaterial.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch unterschiedliche Arbeitsfrequenzen der Sensoren, die sich voneinander um mindestens eine Bandbreite des Bandfilters der anschließenden Sensorauswerteelektronik unterscheiden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Ausrichtung des Sensorwinkelelementes (6) auf die rückseitige Kehle zwischen Boden und Versteifung oder des Sensorkehlelementes (7) auf eine der oberen Kanten dieses Bauteiles.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (6) (7) aus einem flachen Grundkörper (8) mit den Aussparungen für die Elektroden und Elektrodenzuführungen und zwei abschirmenden Deckplatten (11) besteht.