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DE102006039356A1 - Verfahren zum Steuern eines Karosserierohbau-Laserschweißsystems und Karosserierohbau-Laserschweißsystem - Google Patents

Verfahren zum Steuern eines Karosserierohbau-Laserschweißsystems und Karosserierohbau-Laserschweißsystem Download PDF

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DE102006039356A1
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Michael Janssen
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Ullrich Müller
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Karosserierohbau-Laserschweißsystems (100, 110), bei dem ein Scankopf (102) an einem Maschinenarm (101) angebracht ist oder als externes Werkzeug stationär betrieben wird, wobei der Scankopf (102) wenigstens einen Scanspiegel zum Positionieren eines Laserstrahls auf einem zu schweißenden Werkstück (200) aufweist, wobei der Betrieb des Laserschweißsystems (100, 110) zeitkritische Funktionen beinhaltet, wobei zur Steuerung der zeitkritischen Funktionen ein Embedded Steuerungssystem oder ein SPS-System (104) verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Karosserierohbau-Laserschweißsystems und Karosserierohbau-Laserschweißsystem nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Im Karosserierohbau werden seit kurzer Zeit Laserschweißverfahren und -systeme eingesetzt, mittels denen Karosseriebauteile schneller und flexibler als bei den bisher verwendeten Widerstandspunktschweißverfahren zusammengefügt werden können. Zur technischen Durchführung werden Mehrachs-Industrieroboter mit Laserschweißsystemen ausgerüstet. Dabei wird der Roboterarm mit einem optischen Scankopf versehen, der die Feinbewegung des Laserstrahls steuert. Der Scankopf enthält üblicherweise elektronisch gesteuerte Kippspiegel (sog. Scanspiegel), die den Laserstrahl auf die Schweißstelle richten.
  • Mit dem Roboter wird die grobe Bewegungsbahn über dem Werk stück bzw. des Werkstücks definiert, wohingegen die exakte Positionierung des Laserstrahls auf dem Werkstück von dem Scankopf bzw. den Scanspiegeln übernommen wird.
  • Bei den bekannten Systemen ist ein Standard-PC zur Steuerung vorgesehen. Das komplexe Zusammenwirken von Laserstrahlleistung, Roboterbewegung und Scankopfbewegung wird von einer Steuerungssoftware, die auf einem Windowsbetriebssystem läuft, geregelt. Der Roboter ist üblicherweise über eine Standard-Netzwerkkarte an den PC angeschlossen. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die Echtzeitfähigkeit des Systems schwierig zu gewährleisten ist. Zeitkritische Funktionen müssen sehr aufwendig optimiert werden, um eine annehmbare Laufzeit bereitzustellen. Für Erweiterungen des Systems ist ein Eingriff in die Software nötig.
  • Es stellt sich demnach die Aufgabe, eine stabile Bearbeitung zeitkritischer Anteile, insbesondere der Kommunikation mit dem Roboter und der Berechnung der Spiegelansteuerung aus der Bewegungsbahn, sowie eine Erweiterbarkeit um Steuerungsfunktionen mit Mitteln der Steuerungstechnik zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Erfindungsgemäß wird bei einem Karosserierohbau-Laserchweißsystem, bei dem ein Scankopf an einem Maschinenarm angebracht ist oder als externes Werkzeug des Maschinenarms (Roboter) betrieben wird (sog. "stationärer Betrieb" des Scankopfes), wobei der Scankopf wenigstens einen Scanspiegel zum Positionieren eines Laserstrahls auf einem zu verschweißenden Werkstück aufweist, wobei der Betrieb des Laserschweißsystems zeitkritische und zeitunkritische Funktionen beinhaltet, zur Steuerung zeitkritischer Funkti onen ein Embedded Steuerungssystem oder ein SPS-System verwendet bzw. ist vorgesehen. Zeitunkritische Funktionen wie z.B. die Programmierung des Steuerungssystems, die Beobachtung oder die Bedienung des Schweißvorgangs können weiterhin an einem herkömmlichen PC durchgeführt werden.
  • Bei einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) handelt es sich um eine elektronische Baugruppe, die in der Automatisierungstechnik für Steuerungs- und Regelungsaufgaben eingesetzt wird. Sie weist spezialisierte Eingabe- und Ausgabe-Schnittstellen auf, an die Sensoren und Aktuatoren angeschlossen werden können. Die SPS steuert (mit ihren Ausgängen) die Eingangsdaten der zeitkritischen Funktionen und ist zu diesem Zweck programmierbar. Die Programmierbarkeit erlaubt den Einsatz in verschiedensten Umgebungen, was die Flexibilität der Lösung erhöht. Der Einsatz speicherprogrammierbarer Steuerungen (Begriff im industriellen Sinn) bedeutet nicht zwingend, dass regelungstechnisch gesehen nur gesteuert wird. Die SPS kann durchaus Regelungsfunktionen übernehmen, d. h. Teil von Rückkopplungen sein.
  • Ein Embedded Computersystem besteht in der Regel aus Hard- und Software. Die Software auf einem solchen System wird Firmware genannt und befindet sich gewöhnlich in einem ROM (Read Only Memory), das beispielsweise als Flash-ROM ausgebildet ist. Daneben weist ein Embedded System auch RAM (Random Access Memory) auf, das dynamische Daten enthält und typischerweise als static RAM (statisches RAM) ausgeführt ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Computersystemen sind Embedded Systems für zeitkritische Anwendungen besser geeignet.
  • Vorteile der Erfindung
  • Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme kann die Echtzeitfähigkeit der zeitkritischen Funktionen auf einfache Weise gewährleistet werden. Die zeitkritischen Anteile werden abgeschottet, womit ein stabiler Betrieb sichergestellt werden kann. Informationen, die im System anfallen, können über eine SPS-Funktionalität auf übergeordnete Systeme übertragen und dort verarbeitet oder aufbereitet werden. Schließlich sind Steuerungsprogramme für SPS-Steuerungssysteme oder Embedded Systeme besser und einfacher parametrierbar und es können in der Steuerungstechnik übliche Programmier- und Bedienoberflächen verwendet werden.
  • Es ist zweckmäßig, wenn als zeitkritische Funktion der wenigstens eine Scanspiegel bzw. dessen Ansteuerung gesteuert wird. Insbesondere die Ausrichtung des Laserstrahls auf dem Werkstück ist eine besonders zeitkritische Funktion, da hier mehrere, insbesondere auch die nachstehend genannten, Parameter zusammenwirken. Der Einsatz einer SPS-Steuerung oder eines Embedded Systems wirkt sich daher besonders vorteilhaft auf das System aus, wenn der wenigstens eine Scanspiegel gesteuert wird.
  • Vorteilhafterweise wird als zeitkritische Funktion eine Leistung des Laserstrahls gesteuert. Auch bei der Laserstrahlleistung handelt es sich um eine besonders zeitkritische Funktion. Die Leistung muss derart geregelt werden, dass sie genau dann den vorbestimmten Wert erreicht, wenn der Laserstrahl an der vorbestimmten Schweißstelle positioniert ist. Kommt es dabei zu Verzögerungen, kann beispielsweise die Schweißleistung nicht ausreichend sein, um die Bauteile zusammenzufügen. Hierdurch können erhebliche Sicherheitsmängel bei einem Kraftfahrzeug auftreten, die mit der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vermieden werden können.
  • Ebenso vorteilhaft ist es, wenn als zeitkritische Funktion eine Einspannmechanik gesteuert wird. Eine Einspannmechanik ist vorgesehen, um die zusammenzufügenden Bauteile aneinander anzuordnen und die Schweißstelle spaltfrei für den Schweißvorgang bereitzustellen. Auch hierbei handelt es sich um eine zeitkritische Funktion, da die zu verbinden Bauteile rechtzeitig zusammengespannt sein müssen, um einen Schweißvorgang erfolgreich abschließen zu können. Verzögerungen beim Einspannen können erneut zu Sicherheitsmängeln führen.
  • Bevorzugterweise wird als zeitkritische Funktion der Maschinenarm gesteuert. Der Maschinenarm ist für die Grobausrichtung des Scankopfes über den zu verbindenden Werkstücken bzw. der Werkstücke vorgesehen. Es handelt sich daher ebenfalls um eine zeitkritische Funktion, die von der erfindungsgemäßen Maßnahme besonders profitieren kann. Bei dem Maschinenarm handelt es sich vorzugsweise um einen 6-Achs-Industrieroboter.
  • Bevorzugterweise wird eine als zeitkritische Funktion implementierte Beobachtung/Rekonstruktion der Bewegung des Maschinenarms gesteuert. Insbesondere wird als zeitkritische Funktion ein Beobachter des Maschinenarms realisiert, der aus in einem festen Zeitraster übertragenen Maschinenarm-Istpositionen (sog. Tool Center Point) die Bewegungsbahn des Maschinenarms rekonstruiert.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt schematisch eine erste bevorzugte Ausgestaltung eines Karosserierohbau-Laserschweißsystems; und
  • 2 zeigt schematisch eine zweite bevorzugte Ausgestaltung eines Karosserierohbau-Laserschweißsystems.
  • In 1 ist eine erste bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Karosserierohbau-Laserschweißsystems (im folgenden System) schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Das System 100 weist einen als Sechs-Achs-Industrieroboter 101 ausgebildeten Maschinenarm auf. Am Ende des Industrieroboters 101 ist ein Scankopf 102 angeordnet.
  • Der Scankopf 102 weist eine Laserquelle (nicht gezeigt) und Scanspiegel (nicht gezeigt) zum Positionieren eines Laserstrahls auf einem Werkstück 200 auf. Es versteht sich, dass die Laserquelle ebenso separat vom Scankopf angeordnet sein kann, wobei eine Führung des Laserstrahls zum Scankopf beispielsweise mittels Glasfasern bereitgestellt werden kann.
  • Das Werkstück 200 ist Teil von zusammenzufügenden Werkstücken, die von einer Einspannmechanik 103 festgestellt und für den Schweißvorgang angeordnet werden.
  • Darüber hinaus weist das System 100 eine schematisch angedeutete SPS-Steuerung 104 auf. Die Steuerung 104 ist über eine angedeutete Verbindung 105a mit dem Scankopf 102, über eine angedeutete Verbindung 105b mit dem Sechs-Achs-Industrieroboter und über eine angedeutete Verbindung 105c mit der Einspannmechanik 103 verbunden. Die Verbindungen 105a–105c sind üblicherweise kabelgeführt ausgebildet sein, wie es sich für einen Fachmann versteht.
  • Die SPS-Steuerung 104 ist weiterhin über eine Verbindung 106 mit einem Computer 107 verbunden.
  • Der Computer 107 ist für die zeitunkritischen Funktionen des Systems 100, insbesondere die Programmierung der SPS-Steuerung 104 und die Beobachtung und Bedienung des Schweißvorgangs, vorgesehen.
  • Gemäß der gezeigten Ausführungsform des Systems 100 werden der Sechs-Achs-Industrieroboter 101, der Scankopf 102 (Laserstrahlleistung und Laserstrahlpositionierung) und die Einspannmechanik 103 von der SPS-Steuerung 104 gesteuert bzw. geregelt. Dazu wird zunächst die Einspannmechanik 103 derartig von der SPS-Steuerung 104 gesteuert bzw. geregelt, dass das zu schweißende Werkstück 200 fest eingespannt und bestimmungsgemäß angeordnet wird. Anschließend wird der Sechs-Achs-Industrieroboter 101 von der SPS-Steuerung 104 derartig gesteuert bzw. geregelt, dass der Scankopf 102 bestimmungsgemäß über dem Werkstück 200 angeordnet wird. Die Anordnung mittels des Sechs-Achs-Industrieroboters 101 entspricht einer Grobanordnung. Anschließend werden die Scanspiegel (nicht gezeigt) im Scankopf 102 von der SPS-Steuerung 104 derartig gesteuert bzw. geregelt, dass der Laserstrahl auf die beabsichtigte Schweißstelle gerichtet wird. Schließlich wird die Laserstrahlleistung von der SPS-Steuerung 104 derartig gesteuert bzw. geregelt, dass die erwünschte Schweißleistung in einem erwünschten Zeitraum bereitgestellt wird.
  • Es handelt sich bei den eben genannten Funktionen um zeitkritische Funktionen, deren Echtzeitfähigkeit durch die Steuerung mittels der SPS-Steuerung 104 gewährleistet werden kann.
  • In 2 ist eine zweite bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Karosserierohbau-Laserschweißsystems (im folgenden System) schematisch dargestellt und insgesamt mit 110 bezeichnet. Gleiche Elemente wie in 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im folgenden werden nur die Unterschiede zu dem System 100 gemäß 1 erläutert. Der Betrieb und die Steuerung des Systems 110 erfolgt ansonsten analog zu dem System 100.
  • Das System 110 weist ebenfalls den als Sechs-Achs-Industrieroboter 101 ausgebildeten Maschinenarm auf. Im Gegensatz zu 1 wird bei dem System 110 allerdings der Scankopf 102 als externes Werkzeug des Maschinenarms 101 betrieben. Der Scankopf 102 ist dazu stationär angeordnet. Die zu schweißenden Werkstücke 200 sind mittels der am Sechs-Achs-Industrieroboter 101 angeordneten Einspannmechanik 103 eingespannt und werden von dem Sechs-Achs-Industrieroboter 101 grob bezüglich des Scankopfes 102 positioniert. Die Steuerung des Maschinenarms 101, des Scankopfes 102 (Scanspiegel, Laserleistung) und der Einspannmechanik 103 erfolgt durch die SPS-Steuerung 104.
  • Es versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur besonders bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Karosserierohbau-Laserschweißsystems dargestellt sind. Daneben ist jede andere Ausführungsform denkbar, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.
    • 100, 110
    Karosserierohbau-Laserschweißsystem (System)
    101
    Sechs-Achs-Industrieroboter
    102
    Scankopf (Laserquelle, Kippspiegel)
    103
    Einspannmechanik
    104
    SPS-Steuerung
    105a–105c
    Verbindungen
    106
    Verbindung
    107
    Computer
    200
    Werkstück

Claims (7)

  1. Verfahren zum Steuern eines Karosserierohbau-Laserschweißsystems (100, 110), bei dem ein Scankopf (102) an einem Maschinenarm (101) angebracht ist oder als externes Werkzeug des Maschinenarms betrieben wird, wobei der Scankopf (102) wenigstens einen Scanspiegel zum Positionieren eines Laserstrahls auf einem zu schweißenden Werkstück (200) aufweist, wobei der Betrieb des Laserschweißsystems (100, 110) zeitkritische Funktionen beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der zeitkritischen Funktionen ein Embedded Steuerungssystem oder ein SPS-System (104) verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zeitkritische Funktion der wenigstens einen Scanspiegel gesteuert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als zeitkritische Funktion eine Leistung des Laserstrahls gesteuert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zeitkritische Funktion eine Einspannmechanik (103) gesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zeitkritische Funktion der Maschinenarm (101) gesteuert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine als zeitkritische Funktion implementierte Beobachtung/Rekonstruktion der Bewegung des Maschinenarms (101) gesteuert wird.
  7. Karosserierohbau-Laserschweißsystem (100, 110), bei dem ein Scankopf (102) an einem Maschinenarm (101) angebracht ist oder als externes Werkzeug des Maschinenarms betrieben wird, wobei der Scankopf (102) wenigstens einen Scanspiegel zum Positionieren eines Laserstrahls auf einem zu schweißenden Werkstück (200) aufweist, wobei der Betrieb des Laserschweißsystems (100, 110) zeitkritische Funktionen beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der zeitkritischen Funktionen ein Embedded Steuerungssystem oder ein SPS-System (104) vorgesehen ist.
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