CN104684679B - 借助激光束加工非旋转对称的工件的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助激光束加工工件(5、6)的设备和方法。该设备具有用于将工件(5、6)进给到第一加工位置(8.1)的进给装置(3)；并且具有加工装置(2)，该加工装置具有至少一个用于加工被进给到第一加工位置(8.1)的工件(5、6)的加工头(2.1)。进给装置(3)是带抓取设备(3.2)的抓取机器人。带保持件(4.1)的提供装置(4)布置在该进给装置的触及范围中，其保持件(4.1)的构造和规格以如下方式来选择，即，使至少一个保持在保持件(4.1)中的工件(5、6)以限定的空间取向和位置提供给进给装置(3)，用于从保持件(4.1)中取出。此外，布置有至少一个用于容纳通过进给装置(3)进给的工件(5、6)的夹紧装置(9、10)，其中，通过每个夹紧装置(9、10)分别限定出一个加工位置。加工头(2.1)能进给到每个加工位置，用以对工件(5、6)进行加工。

Description

借助激光束加工非旋转对称的工件的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种方法，利用该方法可以借助激光束加工非旋转对称的工件，并且考虑到了在加工非旋转对称的工件时的特殊的技术要求。本发明还涉及一种用于借助激光束加工非旋转对称的工件的设备。
背景技术
由现有技术公开了借助激光束加工工件的解决方案，其中，在此仅示例性地列出文献US 6,335,508 B1。在该文献中说明了一种用于管的进给设备，其可以在借助激光束加工管时使用。旋转对称的管借助多个运输设备来保持并且沿着其纵轴线进行运输。管绕其纵轴线的额外的受控的旋转允许了管可以借助激光加工头以不同的切割引导部来加工。
如果要加工非旋转对称的工件，则对方法控制和用于激光加工的设备的设计提出了特殊要求。为了能够控制沿着预定的加工线进行的切割，除了位置外还必须已知工件的准确的空间取向。例如对于加工旋转对称的工件来说，工件的纵向中轴线处在特定的X-Y平面中就足够了，但在非旋转对称的工件的情况下，还必须已知其在X-Y平面中的定向(例如工件的前端或后端的定向)以及工件在Z方向上的取向。
此外，公知的是，在非旋转对称的工件上、例如在弯管(例如DE36 19 634 A1)上加工出记号，以便标记出稍后要安设在管上的对象的位置。在此，可以在借助弯曲机对管进行弯曲期间或在其之后加工出记号，只要管还处在弯曲机中并且因此准确地已知弯管的位置和空间取向。稍后再作记号仅当管在已知的路段长度上并且以已知的转动角进行运输，并且由此进一步地准确地已知非旋转对称的管(工件)的位置和空间取向的情况下才是可行的。在从弯曲机取出工件后，工件的空间取向以及进而例如加工线的位置和方向只能通过高成本的测量技术(例如3D扫描)来获知。工件的随后的进一步的加工因此需要对工件空间取向的高成本、耗时且计算复杂的测定，由此提高了用于加工单个工件所需的生产周期。
发明内容
本发明的任务在于，提出一种加工非旋转对称的工件的方案，其中，除了能实现低的测量技术成本之外，还能实现短的生产周期。
这个任务通过借助激光束来加工工件的设备来解决，该设备具有用于将工件进给到第一加工位置的进给装置；并且具有加工装置，其具有至少一个用于加工已进给到第一加工位置的工件的加工头。根据本发明的设备的特征在于，进给装置是带有抓取设备的抓取机器人，加工头能以至少三个自由度运动，并且带保持件的提供装置布置在进给装置的触及范围中，并且保持件的构造和规格以如下方式来选择，即，使至少一个保持在保持件中的工件以限定的空间取向和提供位置提供给进给装置，用于从保持件中取出。该设备的特征还在于，布置有至少一个用于容纳通过进给装置进给的工件的夹紧装置，其中，通过每个夹紧装置分别限定出一个加工位置，并且加工头可以进给到每个加工位置，用以对工件进行加工。
在本说明书中，工件一般性地理解为待加工的材料，例如像板材、管或型材这样的原材料，以及半成品和成品。
在一种简单的实施方案中，提供装置通过保持件的布置来形成，这些保持件以如下方式成形和布置，即，使工件仅能以唯一的空间取向置入到保持件中。因为保持件的位置是已知的，所以置入到保持件中的工件的空间取向和提供位置也是唯一确定的。
提供装置可以具有一定数量的可以同时保持多个工件的保持件。保持件也可以被设计成可以保持不同类型的工件。例如当由作为第一工件的半成品通过加工产生一个或多个第二工件，并且这些第二工件随后应当同样通过根据本发明的设备来加工时，后一种实施方案是有利的。
在另一实施方案中，保持件也可以被构造成能够保持不通过加工步骤彼此分开的工件。
加工头优选与加工装置的激光源形成连接，并且具有用于光束引导和光束成形的装置。加工头可以通过马达和控制机构受控地运动。在根据本发明的设备的另一实施方案中，加工头能够以最多6个自由度，亦即沿着笛卡尔坐标系的X轴、Y轴、Z轴运动，并且能够绕提到的轴转动。也就是说，加工头可以是能转动且能摆动的。
进给装置、特别是抓取设备优选能在6个自由度上受控地运动。
夹紧装置可以是任意的适用于保持工件的装置。夹紧装置例如可以是用于保持工件的夹盘、锥形容纳部或者其他力锁合的(kraftschlüssig)和/或形状锁合的(formschlüssig)装置。在根据本发明的设备的其他实施方案中可以布置有多个夹紧装置。在一种优选的实施方案中，存在有两个夹紧装置。一个或多个夹紧装置可以是能旋转的，也就是说，夹紧的工件能绕夹紧装置的至少一个轴线旋转。
根据本说明书，加工位置被理解为如下区域，在该区域上可以通过加工头对工件进行加工。例如，对保持在夹紧装置中的工件的加工可以沿着工件的加工线进行。
第一加工位置优选通过抓取设备的限定的空间取向和位置给出。例如可以通过抓取设备来保持工件，该工件应当通过加工头沿着加工线进行加工，例如切断、穿孔、钻孔或塑形。这些加工线虽然可以与抓取设备相间隔(例如20cm至100cm)，但由于工件相对抓取设备的空间取向和位置是已知的，所以也准确地已知每条加工线的空间取向和位置。
因此，根据本发明的设备的优点是，可以取消测量技术装置，通过该测量技术装置例如可以在进给期间或者在加工位置处检测、控制并且在必要时校正工件的空间取向。
通过根据本发明的设备，有利的是为仅一个加工头提供至少两个不同的加工位置。由此，能够实现将加工头进给到一个加工位置，而通过进给装置将工件进给到另一加工位置。
在该设备的适宜的实施方案中，可以存在有输送装置，通过该输送装置运走加工好的工件。工件可以在设备之外被输送给后续的加工。但这些工件也可以通过该设备被再次提供给后续的加工。
在该设备的另一实施方案中，也可以存在有多个进给装置、加工装置或夹紧装置以及它们的组合。它们可以彼此并行地运行。但是它们也可以受控地相互作用，从而例如可以通过一个进给装置将工件进给给多个或者变化的夹紧装置，或者可以将一个加工头进给到变化的加工位置。由此，提高了设备的使用灵活度。
优选的是，存在有控制机构，通过该控制机构至少能操控进给装置和加工装置。适宜的是，进给装置和加工装置的运行状态彼此相协调，以便在更长的方法执行时间段内也能确保所有运动和方法步骤的保持不变地高的精确度。
根据本发明的设备可以用于借助激光束加工非旋转对称的工件。
此外，该任务还通过一种借助激光束加工非旋转对称工件的方法来解决。该方法包含下列步骤：
a)以限定的空间取向和提供位置提供半成品作为第一工件；
b)借助进给装置的抓取设备来抓握第一工件；
c)借助抓取设备将第一工件进给到第一加工位置，其中，第一工件在空间上保持自由；
d)将加工装置的加工头进给到第一加工位置并对第一工件进行加工，其中，可以多次执行步骤c)和步骤d)；
e)释放加工好的第一工件；
f)在限定的空间取向和提供位置中提供至少一个第二工件；
g)借助抓取设备抓握第二工件并且将第二工件进给到另一加工位置，其中，第二工件借助夹紧装置保持在另一加工位置处；
h)将加工头进给到另一加工位置并对第二工件进行加工；
i)释放加工好的第二工件。
步骤a)至步骤i)不强制必须以上述顺序执行。在不违背根据本发明方法的无错误的技术运转的情况下，也可以一次或多次地重复单个或多个步骤。也可以同时实施根据本发明的方法的步骤，由此能够实现生产周期时间的减少，和/或能够实现用于执行方法的设备的改善的负荷。
优选的是，工件和加工头以小于0.1mm的容差进给到加工位置。
根据本发明的方法优选被设计成使步骤a)至c)以及步骤h)和i)同时执行。由此有利地实现了在通过抓取机器人将第一工件进给到第一加工位置期间，加工和释放位于另一加工位置中的第二工件。通过这种方法控制减少了加工装置的非生产性的停机时间。
如果在加工装置中提供了多个第一工件，或者例如在进行步骤c)至e)之一的期间就已经进行了步骤a)，那么步骤b)和步骤c)可以与步骤h)和步骤i)同时实施。
此外，在存在至少两个另外的加工位置并且抓取装置和加工装置的运动过程不冲突时，可以同时执行步骤g)和步骤h)。于是，第二工件可以被进给到另一加工位置，而另一第二工件在另一个另外的加工位置处通过加工头进行加工。
此外，适宜的是，在执行具有重复的步骤a)至i)的方法之前，已经实施了一次步骤g)，以便能提前装备好夹紧装置。
附图说明
以下结合实施例和附图详细阐述本发明。其中：
图1以俯视图示意性地示出具有在第一运行状态下的根据本发明的设备的实施方案的加工室；
图2示意性地示出具有第一工件的提供装置；
图3以俯视图示意性地示出具有在第二运行状态下的根据本发明的设备的实施方案的加工室。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的设备的实施方案，其主要元件为带有加工头2.1的加工装置2、带有抓取设备3.2的进给装置3、提供装置4以及第一夹紧装置9和第二夹紧装置10。
设备的主要元件都布置在加工室1中，加工室的壁1.1被构造成防止激光束向外射出。进给装置3被设计成带有抓取臂3.1和抓取设备3.2的抓取机器人。抓取臂3.1具有多个关节(示意性示出)并且能沿着所有的三个空间轴线运动。通过进给装置的实际上可能的运动和可及范围，给出了进给装置3的触及范围，在该触及范围内，能够通过抓取设备3.2抓握、保持第一和第二工件5、6以及使它们运动。在图1中，抓取臂3.1和抓取设备3.2指向加工室1。第一工件5保持在抓取设备3.2中。该第一工件5通过进给装置3被保持在运行室1中，从而使其仅与抓取设备3.2形成接触，并且第一工件5被进给到第一加工位置8.1(以虚线表示)，从而将第一工件5的第一加工线14.1(见图2)引到第一加工位置8.1处。第一加工线14是虚拟的线，沿着该虚拟的线通过加工头2.1借助于激光束(未示出)来切断第一工件5。因为第一工件5是弯管，所以实际的切口必然围绕第一工件5的周边引导，其中，第一加工线1.4可以理解为该切口的投影。
加工头2.1被进给到第一加工位置8.1。可以在第一加工位置8.1处进行对第一工件5的加工。通过布置在加工室1外部的激光源11提供激光束。经由光缆形式的射束输入装置12将激光束从激光源11引导至加工头2.1，以便可以在那里朝向第一工件5定向。
大致在第一加工位置8.1的水平高度上，在壁1.1上相对置地布置有第一夹紧装置9和第二夹紧装置10。其中每个夹紧装置9、10都具有夹紧机构(仅示意性示出)，利用这些夹紧机构可以分别保持第二工件6。通过第一夹紧装置9限定出第二加工位置8.2，并且通过第二夹紧装置10限定出第三加工位置8.3。
在第一和第二夹紧装置9、10以及第一加工位置8.1下方存在有作为输送装置7的输送带，其输送方向(通过箭头示出)从第一夹紧装置9朝着第二夹紧装置10的方向指向。输送带在输送方向上以不对称的V形下沉地设计。由此，在下沉部的最深的点处构造出在输送方向上延伸的输送槽7.1。在图1中，不对称的设计通过输送槽7.1的不对称的姿态示出。下落到输送带上的物体由于重力运动到输送槽7.1中，并且可以从那里在壁1.1的穿通部处从加工室1.1排出。输送带在加工室1内循环。
在根据本发明的设备的其他实施方案中，输送装置7也可以对称地设计。输送装置7还可以被引导穿过壁1.1的穿通部。
在进给装置3的触及范围内布置有提供装置4。该提供装置通过其延伸部的一部分穿过壁1.1中的穿通部(示意性示出)进入加工室1中。在提供装置4上存在有保持件4.1(仅示出了一些)，这些保持件的布置和规格被选择成在保持件4.1中，使第一工件5和第二工件6可以保持在准确已知的提供位置以及空间取向中(参见对图2的说明)。
在图2中示出了提供装置4的实施方案。保持件4.1实施为带有半圆形的容纳区域(未示出)的接片。容纳区域的规格以及保持件4.1在其相应的位置和取向方面的布置允许第一工件5仅能在正好一个提供位置中并且以正好一个空间取向置入保持件4.1中。通过抓取设备3.2(参见图1和图3)，第一工件5例如能在处于中央保持件4.1之间的区域中被抓握。
第一工件5是弯管形式的半成品。第一工件非旋转对称地设计，也就是说，第一工件不能围绕其中轴线5.1旋转对称地转动。第一工件仅在中轴线也位于其中的平面中二维地弯曲。第一工件5相应仅以其半个横截面垂直于该平面地凸出。
在提供装置4的其他设计方案中，保持件4.1还可以被设计成使三维地成形的，例如弯曲的、压制的、注塑的或铸造的第一工件5可以在正好一个提供位置中并且以已知的空间取向被容纳和保持。
为了图示说明，示出了加工线14.1至14.4，第一工件5随后应当沿着它们借助激光束被分割。在第一工件5的两个端部处分别产生边沿件5.2。第一工件5的剩余长度被另两条加工线14.2和14.3划分为三个区段，它们可以在区段的切割之后作为第二工件6从设备被排出，并且被进一步的加工。
图3在所有示出的元件方面都与图1相对应。在图3中示出了设备的运行状态，在该运行状态中，在提供装置4上提供的第一工件5被进给装置3抓握。通过加工装置2对保持在第一夹紧装置9上的第二工件6进行加工。加工好的第二工件6被第一夹紧装置9释放并且处在输送装置7上。加工头2.1被进给到第三加工位置8.3。
借助与激光源11、进给装置3、加工装置2以及夹紧装置9、10连接的控制机构13，能对所有这些元件进行操控，并且能使它们当前的运行状态彼此相协调。
根据本发明的方法的可行实施方案应当参考图1和图2进行阐述。在第一步骤中，第一和第二工件5、6在提供装置4上被置入到相应的保持件4.1中，以便这些工件分别具有唯一的提供位置和空间取向。通过进给装置3，借助抓取臂3.1和抓取设备3.2抓握第二工件6并且进给到第二夹紧装置9，并且由该第二夹紧装置9保持。随后，再次抓握第二工件6并且进给到第二夹紧装置10，并且由该第二夹紧装置保持。在这段时间期间，加工头2.1处在不与抓取臂3.1以及抓取设备3.2发生碰撞的位置处。通过进给装置3，现在第一工件5从提供装置4处被抓握。因为第一工件5在提供位置和空间取向方面是已知的，并且借助抓取设备3.2抓握第一工件5也在第一工件5的已知区域上且从已知的预定方向进行，所以在抓取设备与工件之间也提供了已知的相对位置。第二工件5进给第一加工位置8.1并且在空间上保持自由。在此，在抓取设备3.2与工件之间5的相对位置不发生改变。由此，还已知第一工件5、第一工件5的加工线14和第一加工位置8.1之间的相对位置。通过抓取设备3.2，第二工件5以如下方式来保持，即，使第一加工线14.1处在第一加工位置8.1处。在将加工头2.1进给到第一加工位置8.1后，该加工头以激光束驶过第一加工线14.1并且从第一工件5上切下边沿件5.2。在此，加工头2.1沿一方向驶过第一加工线14.1的略多于一半的路段。随后，第一加工线14.1沿另一个方向行驶稍微超过第一加工线14.1一半的路段，其中，两个路段交错处彼此相叠，从而实现了将边沿件5.2从第一工件5上完全分离。边沿件5.2落到输送装置7上，通过重力运动到输送槽7.1中并且从加工室1被排出。随后，抓取设备3.2的位置发生改变，从而将第二加工线14.2进给到第一加工位置8.1。重复切断过程，并且第二工件6作为一个区段从第一工件5上被切下来。该第二工件同样从加工室1被排出，并且在加工室1之外被进一步加工。经进一步加工的第二工件6经由未示出的机构被再次置入到提供装置4中。
重复切割第一工件5，直到完全驶过所有的加工线14.1至14.4。在此，用于进给加工线14.3和14.4的抓取设备3.2以180度转动，从而加工头2.1可以保持在第一加工位置8.1处。如果完成了所有切割，那么抓取设备3.2释放第一工件5的还被保持的区段，并使其落到输送装置7上。
在此之后，通过进给装置再次抓握在提供装置4上的第一工件5并进给到第一加工位置8.1。在此期间，加工头2.1进给到第二加工位置8.2，并且加工位于那里的第二工件6。在加工结束后，第一夹紧装置9释放加工好的第二工件6，并且使其落到输送装置7上。
加工头2.1再次进给到第一加工位置8.1，并且加工位于那里的第一工件5。在通过进给装置3重新从提供装置4抓握第一工件5期间，加工头2.1进给到第三加工位置8.3，并且加工位于那里的第二工件6。随后如上面所描述的那样再次进行第一工件5的加工。在这种加工之后，在第二和第三加工位置8.2和8.3处不再存在第二工件6。现在通过进给设备3再次分别将第二工件6进给到第二和第三加工位置8.2和8.3。在这段时间期间，加工头2.1静止不动。
附图标记列表
1 加工室
1.1 (加工室的)壁
2 加工装置
2.1 加工头
3 进给装置
3.1 抓取臂
3.2 抓取设备
4 提供装置
4.1 保持件
5 第一工件
5.1 中轴线
5.2 边沿件
6 第二工件
7 输送装置
7.1 输送槽
8.1 第一加工位置
8.2 第二加工位置
8.3 第三加工位置
9 第一夹紧装置
10 第二夹紧装置
11 激光源
12 射束输入装置
13 控制机构
14 加工线

Claims (5)

1.一种用于借助激光束加工工件(5、6)的设备，所述设备具有用于将所述工件(5、6)进给到至少一个第一加工位置(8.1)的进给装置(3)；并且具有加工装置(2)，所述加工装置具有至少一个用于加工被进给到所述至少一个第一加工位置(8.1)的工件(5、6)的加工头(2.1)，其特征在于，
-所述进给装置(3)是带抓取设备(3.2)的抓取机器人，所述抓取设备能进给到所述第一加工位置(8.1)，
-所述加工头(2.1)能以至少三个自由度运动，
-带保持件(4.1)的提供装置(4)布置在所述进给装置(3)的触及范围中，并且所述保持件(4.1)的构造和规格以如下方式来选择，即，使至少一个保持在所述保持件(4.1)中的工件(5、6)以限定的空间取向和位置提供给所述进给装置(3)，用于从所述保持件(4.1)中取出；
-布置有至少一个用于容纳通过所述进给装置(3)进给的工件(5、6)的夹紧装置(9、10)，其中，通过至少一个夹紧装置中的第一夹紧装置(9)限定第二加工位置(8.2)并且通过必要时需要的另外的第二夹紧装置(10)限定另外的加工位置(8.3、……)，并且
-所述加工头(2.1)能进给到第一、第二和必要时需要的每个另外的加工位置(8.1、8.2、8.3、……)，用以对所述工件(5、6)进行加工。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述保持件(4.1)实施为带有半圆形的容纳区域的接片，其中，所述容纳区域的规格和所述保持件(4.1)的布置使得呈弯管形式的所述工件(5、6)能够以正好一个空间取向置入到所述保持件(4.1)中。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，不存在如下的测量技术装置，通过所述测量技术装置能够在进给期间或者在其中一个加工位置(8.1、8.2、……)处检测、控制并且在必要时校正所述工件(5、6)的空间取向。
4.一种用于借助激光束加工三维的、非旋转对称的工件(5、6)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)以限定的空间取向和提供位置提供半成品作为第一工件(5)；
b)借助进给装置(3)的抓取设备(3.2)来抓握所述第一工件(5)；
c)借助所述抓取设备(3.2)将所述第一工件(5)进给到第一加工位置(8.1)，其中，所述第一工件(5)在空间上保持自由；
d)将加工装置(2)的加工头(2.1)进给到所述第一加工位置(8.1)，并且加工所述第一工件(5)，其中，能够多次执行步骤c)和步骤d)；
e)释放加工好的第一工件(5)；
f)在限定的空间取向和提供位置中提供至少一个第二工件(6)；
g)借助所述抓取设备(3.2)抓握所述第二工件(6)并且将所述第二工件(6)进给到另一加工位置(8.2、8.3)，其中，所述第二工件(6)借助夹紧装置(9、10)保持在所述另一加工位置(8.2、8.3)处；
h)将所述加工头(2.1)进给到所述另一加工位置(8.2、8.3)并且加工所述第二工件(6)；
i)释放加工好的第二工件(6)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤h)和i)与所述步骤a)至c)同时执行。
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