通過(guò)微波定位焊接頭的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在工件（14）上方定位機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊炬（7）的方法。為了進(jìn)行位置確定，以微波形式從布置在焊接頭上的發(fā)射器向所述工件（14）發(fā)出測(cè)量信號(hào)，在所述工件（14）上反射的微波被布置在所述焊接頭上的至少一個(gè)接收器接收，且所接收的微波由評(píng)估模塊來(lái)評(píng)估以確定所述工件（14）的邊緣（26）的位置。為了提供精確、對(duì)干擾敏感的位置確定，所述微波是從位于所述焊接頭上的不同位置的至少一個(gè)發(fā)射器發(fā)出的，并且反射微波在極化改變的情況下由布置在所述焊接頭上的至少一個(gè)接收器接收，所述至少一個(gè)接收器具有相對(duì)于所述發(fā)射器的極化平面成角度布置的極化平面，并且所述邊緣（26）的位置由所述評(píng)估模塊至少基于在所述不同位置處反射的各個(gè)微波的相位改變來(lái)確定。本發(fā)明還涉及一種用于在工件（14）上方以模型支撐的方式定位機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊接頭的方法，其中為了進(jìn)行位置確定，以微波形式從布置在所述焊接頭上的發(fā)射器向所述工件（14）發(fā)出測(cè)量信號(hào)，在所述工件（14）上反射的微波被布置在所述焊接頭上的至少一個(gè)接收器接收，且所接收的微波由評(píng)估模塊來(lái)評(píng)估以確定所述工件（14）的邊緣（26）的位置；所評(píng)估的測(cè)量信號(hào)被從所述評(píng)估模塊轉(zhuǎn)發(fā)至模型計(jì)算模塊；包含多個(gè)規(guī)定參數(shù)的存儲(chǔ)模塊通過(guò)該模型計(jì)算模塊而啟動(dòng)，所述模型通過(guò)由輸入和/或輸出裝置（18）輸入的焊縫幾何形狀來(lái)選擇，并且通過(guò)修改預(yù)定的參數(shù)將所計(jì)算的模型與所評(píng)估的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較直到能獲得規(guī)定的一致性。
【專利說(shuō)明】通過(guò)微波定位焊接頭的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于將機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊接頭定位在工件上方的方法，其中為了進(jìn)行位置確定，以微波形式從布置在焊接頭上的發(fā)射器向工件發(fā)出測(cè)量信號(hào)，并且在該工件上反射的微波由布置在該焊接頭上的至少一個(gè)接收器接收，所接收到的微波由評(píng)估模塊進(jìn)行評(píng)估以確定工件的邊緣的位置。
【背景技術(shù)】
[0002]用于熱結(jié)合和切削的裝置的定位對(duì)于接頭的質(zhì)量或切削過(guò)程十分重要，而且定位不得不在煙塵、濺射、高溫、高水平UV輻射、電磁場(chǎng)等條件下進(jìn)行。
[0003]定位需要合適的傳感器，其中雷達(dá)傳感器相對(duì)來(lái)說(shuō)不易受到上述條件的影響。在焊接方法中使用雷達(dá)傳感器測(cè)量焊縫的幾何形狀或檢測(cè)邊緣，這是通過(guò)進(jìn)行連續(xù)波(CW)測(cè)量以確定所需距離變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0004]在這種情況下，雷達(dá)傳感器通過(guò)天線輻射直徑通常為若干厘米的區(qū)域。這將導(dǎo)致由天線接收的反射波構(gòu)成在被照射區(qū)域中發(fā)生的反射覆蓋(lay-over)。結(jié)果,在接收天線處總是存在覆蓋，使得距離的變化嚴(yán)重模糊，并且更難以確定位置。具體地說(shuō)，不可能通過(guò)測(cè)量距離來(lái)追蹤對(duì)接接頭的焊縫，這是因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，間隙的寬度比部件的被照射區(qū)域的直徑小得多，從而其由于平均化而消失在噪音中。
[0005]根據(jù)EP 1094 913 BI，具有作為發(fā)射器和接收器工作的天線的雷達(dá)傳感器被示例性地描述為用于在焊接過(guò)程中監(jiān)測(cè)焊縫。由于雷達(dá)傳感器布置在下游，其無(wú)法用于焊縫的跟蹤。此外，雷達(dá)傳感器由于其布置在熱的焊縫上方而暴露于高的熱應(yīng)力。而且，精確測(cè)量焊縫的幾何形狀需要非常寬的信號(hào)帶寬。
[0006]通常，窄帶連續(xù)波(CW)雷達(dá)系統(tǒng)是不利的，這是因?yàn)橐环矫嫠鼈儫o(wú)法用來(lái)獲得關(guān)于距離的絕對(duì)信息，另一方面它們需要被強(qiáng)烈聚焦以提供高空間分辨率。
[0007]這里，缺點(diǎn)在于，使用窄帶信號(hào)將使系統(tǒng)對(duì)由于不期望反射引起的擾動(dòng)的敏感性增加，并且必需的聚焦需要使用昂貴的大型天線。所必需的相對(duì)運(yùn)動(dòng)需要用于產(chǎn)生傳感器的振動(dòng)的附加驅(qū)動(dòng)單元。
[0008]因此，通過(guò)窄帶CW雷達(dá)信號(hào)不可能進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。
[0009]如果僅僅通過(guò)測(cè)量距離即掃描過(guò)程來(lái)確定幾何形狀，則不可能將雷達(dá)傳感器的微波輻射聚焦得足夠強(qiáng)。結(jié)果，由于最大可能頻率和由此產(chǎn)生的波長(zhǎng)引起的有限分辨能力將使得關(guān)于距離的信息模糊，并且導(dǎo)致不精確地確定邊緣的幾何形狀和/或邊緣的位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此，本發(fā)明的目的是提供一種如上所述的跟蹤焊縫的方法，該方法對(duì)擾動(dòng)不敏感并且提供聞精度。現(xiàn)有技術(shù)的缺陷將被減少和/或避免。
[0011]本發(fā)明的目的將通過(guò)如上所述的方法實(shí)現(xiàn)，其中所述微波是從位于所述焊接頭上的不同位置的至少一個(gè)發(fā)射器發(fā)出的，并且反射微波在極化變化的情況下由布置在所述焊接頭上的至少一個(gè)接收器接收，所述至少一個(gè)接收器具有相對(duì)于所述發(fā)射器的極化平面成角度布置的極化平面，并且所述邊緣的位置由所述評(píng)估模塊至少基于在所述不同位置處反射的各個(gè)微波的相位變化來(lái)確定。通過(guò)評(píng)估所反射的微波的極化，可以區(qū)分工件的邊緣，即從導(dǎo)電和/或反射背景到絕緣環(huán)境和/或空氣的過(guò)渡，從而允許可靠地檢測(cè)工件的邊緣。
[0012]該用于定位和/或測(cè)量的方法特別適合于用來(lái)從導(dǎo)電背景區(qū)分工件的邊緣，這是因?yàn)闃O化變化主要受到該邊緣的影響。通過(guò)將發(fā)射器和接收器相對(duì)于彼此成角度地布置，可極大地簡(jiǎn)化信號(hào)的評(píng)估，這是由于可以借助于天線的布置將導(dǎo)電背景從期望的測(cè)量信號(hào)區(qū)分開(kāi)。
[0013]有利地，在所述焊接頭或焊炬上布置至少一個(gè)發(fā)射器一接收器對(duì)，其中一發(fā)射器和一接收器相對(duì)于另一個(gè)發(fā)射器和接收器以90°的角布置。這種線性極化天線的正交布置，即發(fā)射器天線和接收器天線之間的90°角，使得僅有所反射的微波的具有變化極化的那些部分被接收。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，發(fā)射器和接收器以線性或徑向方式一起圍繞所述焊接頭運(yùn)動(dòng)，并且在規(guī)定的測(cè)量位置處發(fā)出和接收測(cè)量信號(hào)。所述發(fā)射器和所述接收器的運(yùn)動(dòng)橫跨橫向于工件的被檢測(cè)邊緣的合成孔口。可以通過(guò)評(píng)估由該運(yùn)動(dòng)觸發(fā)的測(cè)量信號(hào)中的相位的分布圖而使用空間不同位置的測(cè)量來(lái)對(duì)邊緣進(jìn)行位置確定。這使得可以非常精確地檢測(cè)工件的邊緣的位置。
[0015]除了位置之外，還至少通過(guò)在所述測(cè)量位置處反射的微波的幅度來(lái)識(shí)別所述邊緣的方向。由工件的邊緣引起的極化變化取決于進(jìn)入微波的極化，因此可以使用該信息發(fā)現(xiàn)邊緣的取向。邊緣的方向只能借助于極化測(cè)定評(píng)估來(lái)可靠地檢測(cè)。
[0016]除了工件的位置和方向之外，還可以確定待焊接在一起的工件之間的間隙的寬度。確定間隙的寬度的優(yōu)點(diǎn)是已知工件的厚度。如果在發(fā)射器和接收器具有相同極化的情況下雷達(dá)天線在待焊接工件上方移動(dòng)，依賴距離的相位使得可以識(shí)別出距離的分布圖，因此如果片材金屬的厚度已知，則可以推導(dǎo)出工件之間的間隙的寬度。
[0017]有利地，在不同的測(cè)量位置中布置至少一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，其中測(cè)量信號(hào)由一發(fā)射器發(fā)出，而所反射的測(cè)量信號(hào)由位于測(cè)量位置的相對(duì)于該發(fā)射器成角度地布置的至少一個(gè)接收器接收和評(píng)估。
[0018]圍繞所述焊接頭布置的各個(gè)測(cè)量位置中的發(fā)射器可以被接連地啟動(dòng)，其中所反射的測(cè)量信號(hào)始終由至少一個(gè)接收器接收并轉(zhuǎn)送至所述評(píng)估模塊以進(jìn)行位置確定。
[0019]理想地，通過(guò)輸入和/或輸出裝置來(lái)設(shè)定焊接任務(wù)的類型，以進(jìn)行所述位置確定，所述焊接任務(wù)諸如用于I型焊縫的對(duì)焊接頭、用于V型焊縫的對(duì)焊接頭、用于角焊縫的搭接接頭或T型接頭。這使得可以基于最佳匹配識(shí)別出當(dāng)前參數(shù)(位置、取向、間隙等)。已知幾何形狀使得可以根據(jù)雷達(dá)天線的位置和取向以及焊接任務(wù)的位置計(jì)算期望的反射。
[0020]根據(jù)所輸入的焊接任務(wù)，檢索以所存儲(chǔ)的測(cè)量信號(hào)的形式設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)模型或用于計(jì)算該模型的存儲(chǔ)形式，以便通過(guò)所述評(píng)估模塊將其與所接收的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較。通過(guò)將該模型與所測(cè)量的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，能夠確定最佳描述所述位置的理想?yún)?shù)。
[0021]有利地，所述評(píng)估模塊利用所接收的測(cè)量信號(hào)的功率和/或強(qiáng)度來(lái)確定所述焊接頭相對(duì)于所述工件的大體位置。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，所述目的還通過(guò)一種以模型支撐的方式定位機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊接頭的方法實(shí)現(xiàn)，其中所評(píng)估的測(cè)量信號(hào)被從所述評(píng)估模塊轉(zhuǎn)送至模型計(jì)算模塊，包含多個(gè)規(guī)定參數(shù)的存儲(chǔ)模塊通過(guò)該模型計(jì)算模塊而啟動(dòng)，所述模型通過(guò)由輸入和/或輸出裝置輸入的焊縫幾何形狀來(lái)選擇，并且通過(guò)修改預(yù)定的參數(shù)將所計(jì)算的模型與所評(píng)估的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較直到能獲得規(guī)定的一致性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]下面將通過(guò)所附示意圖更詳細(xì)地討論本發(fā)明。在附圖中:
[0024]圖1示出了焊接裝置的示意性表示；
[0025]圖2示出了位于工件前面的焊接頭上的根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)的示意性表示；
[0026]圖3示出了相對(duì)于工件的邊緣具有扭轉(zhuǎn)角的天線系統(tǒng)的示意性表示；
[0027]圖4示出了天線系統(tǒng)的第二實(shí)施方式的示意性表示；
[0028]圖5示出了天線系統(tǒng)的第三實(shí)施方式的示意性表示；
[0029]圖6示出了天線系統(tǒng)的反射波的幅度的評(píng)估；以及
[0030]圖7示出了天線系統(tǒng)的反射波的相位的評(píng)估。
【具體實(shí)施方式】
[0031]圖1示出了用于多種不同過(guò)程和/或方法的焊接裝置1，所述不同過(guò)程和/或方法例如是MIG/MAG焊接和/或TIG焊接或電極焊接操作、雙焊絲/串列焊接操作、等離子操作或銅焊或釬焊操作等。焊接裝置I包括其中布置有功率元件3的電源2、控制單元4和諸如開(kāi)關(guān)構(gòu)件、控制閥等其他部件和導(dǎo)線(未示出)?？刂茊卧?可連接至控制閥，該控制閥在用于氣體5特別是諸如CO2、氦氣或氬氣等保護(hù)氣體的供應(yīng)線路中布置在氣體存儲(chǔ)器6和(焊接)焊炬7之間。另外，如對(duì)MIG/MAG焊接來(lái)說(shuō)公知的，控制單元4還可以用來(lái)控制焊絲供送單元8，其中附加材料和/或焊絲9從供應(yīng)輥10和/或焊絲線卷經(jīng)由供應(yīng)線路供應(yīng)至焊炬7的區(qū)域。當(dāng)然，還可以將焊絲供送單元8集成在焊接裝置I中，具體是集成在電源2的殼體11內(nèi)，而不是作為位于小車12上的附加裝置，如圖1中所示。此外，還可以將焊絲供送單元8直接放置在焊接裝置I的上面，即電源2的殼體11形成為用于在頂表面上收納焊絲供送單元8，從而可以將小車12省略。
[0032]對(duì)于焊絲供送單元8來(lái)說(shuō)，還可以從焊炬7外部將焊絲9供應(yīng)至處理地點(diǎn)，在這種情況下，像TIG焊接中通常的那樣優(yōu)選將非熔性電極布置在焊炬7內(nèi)。
[0033]用于在電極和/或焊絲8與工件14之間產(chǎn)生電弧13的電流由電源2的功率元件3經(jīng)由焊接線路(未示出)供應(yīng)至焊炬7，具體是供應(yīng)至電極和/或焊絲9，其中待焊接的工件14借助于用于電位的另一個(gè)焊接線路特別是回路導(dǎo)線連接至電源2，從而通過(guò)電弧13能夠形成電回路。
[0034]為了冷卻焊炬7，可以借助于冷卻裝置15和可能的中間部件(諸如流動(dòng)控制器)將焊炬7連接至液體箱，具體是具有水位指示器17的水箱16。焊接設(shè)備的各個(gè)部件，即電源
2、焊絲供送單元8和冷卻裝置15以這樣的方式形成，即它們都具有相對(duì)應(yīng)的凸起和/或凹部，從而它們能夠安全地堆疊在彼此之上。
[0035]焊接裝置I具體是電源2進(jìn)一步包括用于設(shè)定和/或檢索和顯示焊接裝置I的全部各種焊接參數(shù)、操作模式或焊接程序的輸入和/或輸出裝置18。已經(jīng)通過(guò)輸入和/或輸出裝置18設(shè)定的焊接參數(shù)、操作模式或焊接程序被傳送至控制單元4，該控制單元4然后啟動(dòng)焊接裝置I的各個(gè)部件并且/或者限定用于調(diào)節(jié)或控制的適當(dāng)設(shè)定點(diǎn)。這里，當(dāng)使用合適的焊炬7時(shí)還可以借助于該焊炬7來(lái)執(zhí)行設(shè)定過(guò)程，在這種情況下，焊炬7配備有焊炬輸入和/或輸出裝置19。在這種情況下，焊炬7優(yōu)選借助于數(shù)據(jù)總線具體是串行數(shù)據(jù)總線連接至焊接裝置I，具體是連接至電源2或焊絲饋送單元8。為了開(kāi)始焊接過(guò)程，焊炬7通常包括起動(dòng)開(kāi)關(guān)(未示出)，因此通過(guò)啟動(dòng)該起動(dòng)開(kāi)關(guān)可以點(diǎn)燃電弧13。為了防止用戶受到電弧13的巨大熱輻射，焊炬7可以配備有熱防護(hù)罩20。
[0036]此外，在所示的示例性實(shí)施方式中，焊炬7借助于軟管組件21連接至焊接裝置1，所述軟管組件21通過(guò)反扣緊裝置22附接至焊炬7。在軟管組件21中，諸如供應(yīng)線路和/或用于焊絲9、用于氣體5、用于冷卻回路、用于數(shù)據(jù)傳送等線路之類的各種線路從焊接裝置I布置至焊炬7，而回路導(dǎo)線優(yōu)選單獨(dú)連接至電源2。
[0037]—般來(lái)說(shuō)，應(yīng)注意到，對(duì)于不同的焊接操作和/或焊接裝置1，例如TIG裝置或MIG/MAG裝置或等離子裝置，不必使用和/或結(jié)合上述所有部件。例如，可以將焊炬7形成為空冷焊炬7，從而可以將例如冷卻裝置15省略。因此，可以說(shuō)焊接裝置I至少由電源2、焊絲供送單元8和冷卻裝置15形成，它們也可以布置在公共殼體11中。而且，還可以布置和/或包括其他零件和/或部件，諸如焊絲供送單元8上的拖拽保護(hù)裝置23或用于氣體存儲(chǔ)器6的支座25上的可選托架24。
[0038]根據(jù)本發(fā)明，在圖2至圖7中可一起看出，測(cè)量信號(hào)由位于焊接頭或焊炬7上的不同位置的至少一個(gè)發(fā)射器發(fā)出，并且所反射的測(cè)量信號(hào)由布置在焊炬7上的至少一個(gè)接收器接收。接收器的極化平面相對(duì)于發(fā)射器的極化平面成角度布置。最后，評(píng)估單元將執(zhí)行評(píng)估以確定工件14的邊緣26的位置和取向，沿著該邊緣26進(jìn)行焊接過(guò)程。由此，可以使得關(guān)于將被立即焊接的幾何形狀的輪廓的信息一一即焊縫的追蹤一一對(duì)于焊接機(jī)器人來(lái)說(shuō)可用。這樣也還避免焊接機(jī)器人的突然校正。
[0039]優(yōu)選地，使用天線28來(lái)發(fā)送波，該天線28用作發(fā)射器和接收器，因而構(gòu)成了發(fā)射器一接收器單元。例如，可以使用線性極化天線28。由于接收器相對(duì)于發(fā)射器成角度布置，對(duì)于焊接頭或焊炬7上的天線系統(tǒng)27來(lái)說(shuō)需要至少兩個(gè)發(fā)射器一接收器單元。在下文中將發(fā)射器一接收器單元稱為天線28。通過(guò)該布置，接收器能夠接收從工件14反射的波，該波與發(fā)射波相比具有不同的極化。波的這種極化變化將受到工件14的邊緣26的影響，這代表從電導(dǎo)體(工件)到非電導(dǎo)體(例如空氣)的過(guò)渡。由于發(fā)射波，形成了撞擊導(dǎo)電工件14的電場(chǎng)，因此在工件14上產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電流密度。感應(yīng)電流的方向取決于發(fā)射波的極化平面和工件14的材料的電導(dǎo)率的分布。這說(shuō)明，由于電導(dǎo)體和非電導(dǎo)體之間的過(guò)渡，工件的邊緣26對(duì)電流密度的方向具有影響。反射波的極化因而取決于工件14的邊緣26和發(fā)射波的極化平面之間的扭轉(zhuǎn)角31 (圖2)。
[0040]如果發(fā)射波是以平行于工件的邊緣26的極化平面(即以0°的扭轉(zhuǎn)角31)發(fā)射的，則反射波的極化不發(fā)生變化。如果發(fā)射波是以扭轉(zhuǎn)角31高于或低于0°的極化平面發(fā)射的，則進(jìn)入場(chǎng)的強(qiáng)度和感應(yīng)電流的傳播緊鄰邊緣26不同，這是由于在邊緣26的位置，感應(yīng)電流密度會(huì)基本僅沿著邊緣26傳播。因此，進(jìn)入電場(chǎng)的強(qiáng)度的方向與邊緣26的附近的電流密度的方向不同。對(duì)方向的這種影響取決于邊緣26和發(fā)射波的極化平面之間的扭轉(zhuǎn)角31。這說(shuō)明，如果邊緣26的輪廓與發(fā)射波的極化不同并且扭轉(zhuǎn)角31不是90°，則反射波的極化發(fā)生變化。扭轉(zhuǎn)角31是通過(guò)發(fā)射波并限定波的極化的天線的取向相對(duì)于工件14的邊緣26限定的。為此，天線系統(tǒng)27可以沿著布置在焊炬7上的導(dǎo)軌29移動(dòng)，該導(dǎo)軌29限定了運(yùn)動(dòng)方向30。天線系統(tǒng)27的這些運(yùn)動(dòng)可以是線性的或徑向的，并且/或者沿著圍繞焊炬7的圓形路徑，即基本橫向于邊緣26。
[0041]為了使接收器只接收具有變化極化的反射波而不接收具有發(fā)射器極化的波，將接收器天線的極化平面以基本正交方式即相對(duì)于發(fā)射器(發(fā)射器天線)的極化平面成90°的角布置和/或取向。然而，具有發(fā)射器極化的反射波將由發(fā)射器天線接收。
[0042]這說(shuō)明，由第一天線28發(fā)射的波由工件14反射并由第一天線28和第二天線28接收，其中第二天線28的接收器接收具有變化極化的波部分，而第一天線28的接收器接收具有未變化極化的波部分。因而，反過(guò)來(lái)這也適用，因此第一天線28接收第二天線28的發(fā)射器信號(hào)的波，該波被反射成具有變化極化。第二天線28像之前一樣接收具有相同極化的波部分。
[0043]這樣，由工件14反射的波作為已經(jīng)根據(jù)變化和未變化極化而被分離的波來(lái)接收。
[0044]根據(jù)該實(shí)施方式的由彼此正交布置的至少兩個(gè)天線28形成的天線系統(tǒng)27使得能夠容易地確定邊緣26的位置、取向和幾何形狀數(shù)據(jù)(諸如工件14的零件之間的空隙)，因而能夠容易地確定待焊接的金屬邊緣26的輪廓。為了精確確定邊緣26的位置和取向，還可以圍繞焊接頭7移動(dòng)天線系統(tǒng)27，從而改變天線系統(tǒng)27和邊緣26之間的扭轉(zhuǎn)角31，并觸發(fā)接收器之間的反射波的“串?dāng)_”。該“串?dāng)_”是由上面已經(jīng)描述的反射波的分布引起的。這里，相對(duì)于接收具有變化極化的反射波的天線28的角度保持不變并基本為90°。通過(guò)評(píng)估已經(jīng)被接收在相應(yīng)接收器中的至少一定部分由“串?dāng)_”引起的波部分，可以在該“串?dāng)_”中檢測(cè)邊緣26的取向和位置。
[0045]天線系統(tǒng)27在工件14上方沿著運(yùn)動(dòng)方向30的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得天線系統(tǒng)27圍繞焊炬7和/或焊接頭采取不同測(cè)量位置。在這些測(cè)量位置，記錄并存儲(chǔ)工件14在不同頻率時(shí)的反射行為，以便提高測(cè)量方法的穩(wěn)定性。為此，從每個(gè)測(cè)量位置發(fā)射波，該波的極化根據(jù)測(cè)量位置的扭轉(zhuǎn)角31而改變。因而，反射波的分布和極化也改變，因而導(dǎo)致“串?dāng)_”強(qiáng)度的波動(dòng)。
[0046]在這種情況下，具有變化極化的反射波的強(qiáng)度顯著低于發(fā)射波的強(qiáng)度。這就是為什么有利地將接收器天線相對(duì)于發(fā)射器天線正交取向以確保對(duì)于具有其高強(qiáng)度和原始極化的發(fā)射波的任何部分都不會(huì)發(fā)生串?dāng)_的原因。這還使得可以將評(píng)估模塊中的放大級(jí)調(diào)節(jié)至最低強(qiáng)度。
[0047]有利地，將測(cè)量位置基本布置在相對(duì)于邊緣26以對(duì)稱方式定位的半圓上，因此測(cè)量位置位于邊緣26的左側(cè)和右側(cè)的四分之一圓上。這使得評(píng)估模塊可從所存儲(chǔ)的不同測(cè)量位置的反射行為發(fā)現(xiàn)與邊緣26的位置和取向?qū)?yīng)的測(cè)量位置。當(dāng)然，也可以在測(cè)量位置之間執(zhí)行例如插值，從而從插值的測(cè)量位置推導(dǎo)出邊緣26的位置和取向。
[0048]借助于各種構(gòu)造，天線系統(tǒng)27能夠在不同的測(cè)量位置執(zhí)行測(cè)量。另外，天線系統(tǒng)27可以以旋轉(zhuǎn)方式運(yùn)動(dòng)以便增加測(cè)量數(shù)量。
[0049]在第一實(shí)施方式中，天線系統(tǒng)27可以形成一組件，其中兩個(gè)天線28 (優(yōu)選偏移90° )如以上已經(jīng)描述的那樣布置。通過(guò)該布置，整個(gè)組件圍繞焊炬7運(yùn)動(dòng)，或者多個(gè)組件圍繞焊炬7和/或電弧部件和/或焊接頭布置，且扭轉(zhuǎn)角31改變并且最大“串?dāng)_”可調(diào)。[0050]在根據(jù)圖4的第二實(shí)施方式中，天線系統(tǒng)27由多個(gè)天線28構(gòu)成，其中每個(gè)天線28都可用作發(fā)射器一接收器單元。這里，天線28以相對(duì)于彼此限定的距離和/或角度圍繞焊接7布置。基本上，每個(gè)天線28都與偏移90°的對(duì)應(yīng)天線28相關(guān)。在該實(shí)施例中，七個(gè)天線28布置在半圓上，每個(gè)都偏移30°。兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的天線28總是同時(shí)被啟動(dòng)。推薦使天線28移動(dòng)，但是在這里并非一定必須這樣。換言之，為了提供所需要的測(cè)量位置，在這種布置中可以使用任何數(shù)量的天線28。
[0051]在第三實(shí)施方式中，具有變化極化的反射波可以通過(guò)在測(cè)量位置以電力方式改變天線28的扭轉(zhuǎn)角31來(lái)接收。反射波與發(fā)射波的極化以及反射波的變化極化一起來(lái)接收。為此，天線28的接收器包括兩個(gè)輸出端，從而可以對(duì)具有不同極化的反射波進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)圖5，這通過(guò)以實(shí)際上不存在的虛線繪出的天線28表示，這是因?yàn)闃O化的切換是以電力方式進(jìn)行的。這里，使用例如圓形波導(dǎo)作為天線28。天線28圍繞焊炬7以如下方式運(yùn)動(dòng)，即，天線28圍繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)和橫向于邊緣26運(yùn)動(dòng)并且/或者圍繞焊炬7旋轉(zhuǎn)。
[0052]天線28產(chǎn)生電磁波，該電磁波根據(jù)所述天線的頻率和形狀輻射工件14的區(qū)域，該區(qū)域比焊縫跟蹤系統(tǒng)的所需分辨率和/或精度大得多。例如，在77GHz的頻率時(shí)，對(duì)輻射能量的98%來(lái)說(shuō)該區(qū)域的最小可能直徑為近似1.5cm。然而，對(duì)于該過(guò)程來(lái)說(shuō)，需要亞毫米(例如0.1mm)范圍的分辨率，該分辨率通過(guò)評(píng)估多個(gè)空間位置的極化的變化和測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在少數(shù)波長(zhǎng)上的所需聚焦可通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定頻率和直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果發(fā)射波撞擊工件14的平坦表面而不是邊緣26，則反射波將具有與發(fā)射波一樣的極化。
[0053]然而，在工件14的邊緣26處，反射波的極化與發(fā)射波相比發(fā)生變化。極化的這種變化是由于邊緣26和極化平面之間的扭轉(zhuǎn)角31產(chǎn)生的，并且可以通過(guò)發(fā)射器和接收器的成角度布置來(lái)接收。因而，只有具有反向極化的反射波被相對(duì)于發(fā)射器的天線28成角度布置的接收器的天線28接收。
[0054]在該評(píng)估中，將針對(duì)不同測(cè)量位置記錄的不同反射行為組合，并在此基礎(chǔ)上確定邊緣26的位置和取向以及幾何形狀數(shù)據(jù)(諸如間隙的寬度)。測(cè)量位置可以例如每隔2ms改變。這里，焊炬7的前向運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果僅具有微小影響。
[0055]依賴于位置和極化平面來(lái)觀察反射波的幅度和相位的分布圖。根據(jù)不同測(cè)量位置的電流的方向的分布，各個(gè)波被反射為具有不同幅度和相位。據(jù)此，通過(guò)反射波的幅度和相位的評(píng)估能夠識(shí)別出位置(相位)和方向(幅度)。
[0056]通過(guò)借助于運(yùn)動(dòng)方向30移動(dòng)天線系統(tǒng)27，輻射區(qū)域33 (被照射區(qū)域)也移位，因此邊緣26在被輻射區(qū)域即被照射區(qū)域中的位置相對(duì)于邊緣26也移位。因而，根據(jù)相對(duì)于邊緣26的扭轉(zhuǎn)角31，接收波的強(qiáng)度也發(fā)生變化。扭轉(zhuǎn)角31的變化導(dǎo)致波傳播的分布也發(fā)生改變，因而導(dǎo)致反射波的幅度發(fā)生變化。根據(jù)天線系統(tǒng)27，兩個(gè)不同的天線28的發(fā)射器和接收器彼此偏移90°，因此如果天線系統(tǒng)27基本沿著半圓移動(dòng)，則扭轉(zhuǎn)角31可在一 90°和+90。之間。
[0057]如果工件14的邊緣26在半圓的0°線上，則一個(gè)天線28也布置在0°位置，并且第二天線28布置在一 90°位置或+90°位置。在這種情況下，波的極化保持基本不變，這是因?yàn)橛捎诎l(fā)射器和邊緣26平齊對(duì)準(zhǔn)沒(méi)有極化沒(méi)有發(fā)生任何變化。這里，扭轉(zhuǎn)角31為0°。
[0058]然而，如果每個(gè)天線28以45°的扭轉(zhuǎn)角31朝向邊緣26取向，即一個(gè)天線28以45°朝向邊緣26取向，而第二天線28以一 45°朝向邊緣26取向，則極化變化將實(shí)現(xiàn)反射波的最大幅度，如在根據(jù)圖6的幅度圖中所示。
[0059]因而，借助于由于反射波的不同幅度引起的極化測(cè)定評(píng)估可毫無(wú)疑義地確定邊緣26的方向。評(píng)估模塊至少通過(guò)使用例如具有最大幅度的測(cè)量位置之間的中央的測(cè)量位置作為用于方向的測(cè)量而從具有最大幅度的測(cè)量位置識(shí)別出該方向。當(dāng)然，也可以對(duì)測(cè)量位置之間的幅度的分布圖進(jìn)行插值，從而也可以將插值分布圖上的位置看作用于方向的測(cè)量。
[0060]另一方面，如已經(jīng)提到的且能夠在圖7中看到的，邊緣26的位置通過(guò)反射波的相位的分布圖來(lái)識(shí)別。因此，在每個(gè)測(cè)量位置捕獲并存儲(chǔ)反射波的相位，從而能夠評(píng)估測(cè)量位置之間的相位變化。這里，相位變化發(fā)生在變量26處，這是由于距離因?yàn)椴煌臏y(cè)量位置而發(fā)生變化，因而反射波被延時(shí)接收。然而，這種改變不會(huì)突然發(fā)生，而是根據(jù)曲線逐漸地發(fā)生，這是因?yàn)楦鶕?jù)各個(gè)測(cè)量位置的被照射區(qū)域的表面，波以不同的延遲反射，從而相位與邊緣26在被照射區(qū)域中的位置一起改變。當(dāng)邊緣26位于被照射區(qū)域的中央?yún)^(qū)域中時(shí)，反射波的相位具有其最小值。
[0061]在極化測(cè)定評(píng)估中，可以從所存儲(chǔ)的相位值識(shí)別出最小值，并且能夠據(jù)此通過(guò)將由評(píng)估評(píng)模識(shí)別的最小值與測(cè)量位置相關(guān)聯(lián)來(lái)確定邊緣26的位置。當(dāng)然，代替或除了極化測(cè)定評(píng)估之外，也可以采用單靜態(tài)評(píng)估。
[0062]為了加速評(píng)估和/或更快地獲得極化變化，天線系統(tǒng)27優(yōu)選相對(duì)于邊緣26以45°的扭轉(zhuǎn)角布置，特別是根據(jù)圖2。這防止了反射波的極化不改變。同樣，焊接任務(wù)的類型(諸如用于I型焊縫的對(duì)焊接頭、用于V型焊縫的對(duì)焊接頭、用于角焊的搭接接頭或T型接頭)可以通過(guò)焊接裝置I的輸入和/或輸出裝置19針對(duì)該位置確定來(lái)設(shè)置。這允許進(jìn)行更快的評(píng)估，因?yàn)轭A(yù)期的反射波使得可以將反射波更快且更容易地關(guān)聯(lián)。
[0063]由于天線28圍繞焊炬7的組合的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(圖2)，工件14的邊緣26在一測(cè)量位置受到來(lái)自不同極化方向的發(fā)射波輻射，并且反射波被捕獲。為此，在一測(cè)量位置的扭轉(zhuǎn)角31通過(guò)將天線28扭轉(zhuǎn)而改變。天線的該附加運(yùn)動(dòng)增加了每個(gè)測(cè)量位置的測(cè)量精度，并且相應(yīng)地增加了評(píng)估模塊的結(jié)果。
[0064]基于對(duì)工件的邊緣26的位置和方向的評(píng)估，如果適當(dāng)?shù)脑捒蓪?duì)焊炬7和/或焊接頭的位置進(jìn)行校正。就結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，天線系統(tǒng)27的中央點(diǎn)與焊炬7的中心軸線齊平地對(duì)準(zhǔn)，因此對(duì)于焊炬7的校正位置來(lái)說(shuō)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量位置也必須齊平。為此，改變焊炬7的位置所需的距離借助于測(cè)量位置和中央點(diǎn)之間的角度與扭轉(zhuǎn)角31的差來(lái)確定。通過(guò)使用該評(píng)估的位置和方向，焊接機(jī)器人可以精確地定位在邊緣26處，通過(guò)所識(shí)別出的方向?qū)⑾乱粋€(gè)測(cè)量周期之前的焊接方向32上的偏差保持最小。
[0065]為了還檢測(cè)例如待焊接工件14之間的不期望間隙并且為了相應(yīng)地改變焊接過(guò)程的參數(shù)，需要關(guān)于高度的精確信息。根據(jù)本發(fā)明，該信息可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算，該數(shù)學(xué)模型改變參數(shù)以便模擬由評(píng)估模塊測(cè)量和/或提供的結(jié)果，因此能夠識(shí)別出間隙的幾何形狀。預(yù)先選定的焊縫幾何形狀用作用于該幾何形狀的基礎(chǔ)，因此與其一起存儲(chǔ)的模擬結(jié)果已經(jīng)類似于評(píng)估結(jié)果。通過(guò)相應(yīng)地改變參數(shù)，該結(jié)果被近似。該模型還可以將若干測(cè)量彼此關(guān)聯(lián)，并且例如以這種方式確定間隙的寬度。
[0066]在該模型中，對(duì)波的極化的反作用借助于沿著工件14的邊緣26的局部電流密度來(lái)捕獲，因此可對(duì)邊緣26進(jìn)行基于模型的檢測(cè)。
[0067]根據(jù)本發(fā)明，還可以訓(xùn)練該模型用于復(fù)雜幾何形狀。為此，改變并測(cè)量用于焊接過(guò)程的決定參數(shù)(例如邊緣位置、間隙寬度等)。為此，在該幾何形狀上方移動(dòng)天線系統(tǒng)28，并將反射作為測(cè)量數(shù)據(jù)捕獲。如果幾何形狀發(fā)生變化，所述反射也變化。所獲得測(cè)量數(shù)據(jù)可以作為反射圖案存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)。
[0068]在操作過(guò)程中，可以將當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器中的反射圖案進(jìn)行比較以推導(dǎo)出當(dāng)前參數(shù)。然而，因?yàn)檫@種訓(xùn)練過(guò)程所需的附加工作以及因?yàn)楦叽鎯?chǔ)要求，訓(xùn)練過(guò)程僅對(duì)復(fù)雜幾何形狀有用，復(fù)雜形狀將使得數(shù)學(xué)模型的建立耗費(fèi)大量勞動(dòng)。
[0069]利用用作發(fā)射器的每個(gè)天線28還可以用作反射器的事實(shí)而使得可在工件14的接頭處進(jìn)行粗定位。為此，發(fā)射波的輻射功率和反射波的輻射功率被監(jiān)測(cè)和比較。已知由發(fā)射器天線接收的輻射功率，可以正確地?fù)Q算出由接收器天線接收的輻射功率，以便避免評(píng)估誤差。毋庸置疑，當(dāng)使用分開(kāi)的發(fā)射器天線和接收器天線時(shí)也可以監(jiān)測(cè)輻射功率。
[0070]天線系統(tǒng)27還可以用來(lái)調(diào)節(jié)焊接系統(tǒng)的TCP (工具中心點(diǎn))。為此，例如在更換焊接頭7的消耗件之后，通過(guò)利用不同的工件密度和間隙寬度、在工件14的已知幾何形狀(諸如搭接接頭、T型接頭、角焊縫等)上方執(zhí)行焊接機(jī)器人的校準(zhǔn)運(yùn)行，通過(guò)天線系統(tǒng)27記錄用于位置、方向和幾何形狀的對(duì)應(yīng)測(cè)量來(lái)調(diào)節(jié)焊接系統(tǒng)的TCP。該TCP可以根據(jù)這些測(cè)量來(lái)設(shè)定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在工件(14)上方定位機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊接頭的方法，其中為了進(jìn)行位置確定，以微波形式從布置在所述焊接頭上的發(fā)射器向所述工件(14)發(fā)出測(cè)量信號(hào)，在所述工件(14)上反射的微波被布置在所述焊接頭上的至少一個(gè)接收器接收，且所接收的微波由評(píng)估模塊來(lái)評(píng)估以確定所述工件(14)的邊緣(26)的位置，其特征在于，所述微波是從位于所述焊接頭上的不同位置的至少一個(gè)發(fā)射器發(fā)出的，并且反射微波在極化變化的情況下由布置在所述焊接頭上的至少一個(gè)接收器接收，所述至少一個(gè)接收器具有相對(duì)于所述發(fā)射器的極化平面成角度布置的極化平面，并且所述邊緣(26)的位置由所述評(píng)估模塊至少基于在所述不同位置處反射的各個(gè)微波的相位變化來(lái)確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述焊接頭上布置至少一個(gè)發(fā)射器一接收器對(duì)，其中一發(fā)射器和一接收器相對(duì)于另一個(gè)發(fā)射器和接收器以90°的角布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，發(fā)射器和接收器以線性或徑向方式一起圍繞所述焊接頭運(yùn)動(dòng)，并且在規(guī)定的測(cè)量位置處發(fā)出和接收測(cè)量信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，除了位置之外，還至少通過(guò)在所述測(cè)量位置處反射的微波的幅度來(lái)識(shí)別所述邊緣(26)的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，另外確定待被焊接在一起的工件(14)之間的間隙的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，輸入所述工件(14)的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在不同的測(cè)量位置中布置至少一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，其中所述測(cè)量信號(hào)由一發(fā)射器發(fā)出，而所反射的測(cè)量信號(hào)由位于測(cè)量位置的相對(duì)于該發(fā)射器成角度地布置的至少一個(gè)接收器接收和評(píng)估。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，圍繞所述焊接頭布置的各個(gè)測(cè)量位置中的發(fā)射器被接連地啟動(dòng)，其中所反射的測(cè)量信號(hào)始終由至少一個(gè)接收器接收并轉(zhuǎn)送至所述評(píng)估模塊以進(jìn)行位置確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)輸入和/或輸出裝置(18)設(shè)定焊接任務(wù)的類型，以進(jìn)行所述位置確定，所述焊接任務(wù)諸如用于I型焊縫的對(duì)焊接頭、用于V型焊縫的對(duì)焊接頭、用于角焊縫的大叫接頭或T型接頭。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，根據(jù)所輸入的焊接任務(wù)，檢索以所存儲(chǔ)的測(cè)量信號(hào)的形式設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)模型或用于計(jì)算該模型的存儲(chǔ)形式，以便通過(guò)所述評(píng)估模塊將其與所接收的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述評(píng)估模塊利用所接收的測(cè)量信號(hào)的功率來(lái)確定所述焊接頭相對(duì)于所述工件(14)的大體位置。
12.一種用于在工件(14)上方以模型支撐的方式定位機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊接頭的方法，其中為了進(jìn)行位置確定，以微波形式從布置在所述焊接頭上的發(fā)射器向所述工件(14)發(fā)出測(cè)量信號(hào)，在所述工件(14)上反射的微波被布置在所述焊接頭上的至少一個(gè)接收器接收，且所接收的微波由評(píng)估模塊來(lái)評(píng)估以確定所述工件(14)的邊緣(26)的位置，其特征在于，所評(píng)估的測(cè)量信號(hào)被從所述評(píng)估模塊轉(zhuǎn)送至模型計(jì)算模塊，包含多個(gè)規(guī)定參數(shù)的存儲(chǔ)模塊通過(guò)該模型計(jì)算模塊而啟動(dòng)，所述模型通過(guò)由輸入和/或輸出裝置(18)輸入的焊縫幾何形狀來(lái)選擇，并且通過(guò)修改預(yù)定的參數(shù)將所計(jì)算的模型與所評(píng)估的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較直到能獲得規(guī)定的一致性。
【文檔編號(hào)】B23K9/095GK103501951SQ201280003807
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月12日
【發(fā)明者】安德烈亞·阿德雷, 安德烈亞·施特爾策 申請(qǐng)人:弗羅紐斯國(guó)際有限公司