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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung.
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Die
Bearbeitung von Werkstücken
mit Laserstrahlung ist seit langem bekannt. Zu den Bearbeitungsverfahren
zählen
das Schneiden und Schweißen
von Werkstücken
sowie das Härten
von Oberflächen.
Kleine Werkstücke,
die z. B. durch Auftragschweißen
miteinander verbunden werden sollen, werden dabei häufig gegen
einen feststehenden Laser bewegt. Hierzu können sie auf einem entsprechenden
Tisch eingespannt sein, der zur Durchführung des Schweißvorgangs
im Raum bewegbar ist.
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Bei
sehr großen
Werkstücken,
wie beispielsweise Autokarosserien, werden stationäre Schweißroboter
eingesetzt, denen das zu bearbeitende Werkstück mittels eines Fließbandes
zugeführt wird.
Der gesamte Bearbeitungsvorgang ist dabei jedoch weitestgehend automatisiert,
so dass nur Bearbeitungen nach einem vorgegebenen Programm möglich sind.
Weiter ist ein aufwendiges Fließband zum
Transport der großen
und schweren Werkstücke notwendig.
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Aus
DE 195 16 589 A1 ist
ein Verfahren zur Reinigung von Schalungsmaterial bekannt, bei dem die
zu reinigenden Oberflächenbereiche
mit Laserstrahlung eines gepulsten Lasers beaufschlagt werden. Der
Bearbeitungskopf der hierzu offenbarten Vorrichtung ist mit einer
Farbkamera versehen. Mit dieser Farbkamera soll erkannt werden,
ob ein Oberflächenbereich
eines zur Herstellung von Betonbaumassen dienenden Formkörpers verschmutzt
ist. Wird eine solche Verschmutzung erkannt, wird der Laser aktiviert,
um diese Verschmutzung zu beseitigen.
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US 5,643,476 beschreibt
ein Lasersystem zur Graffiti-Beseitigung mit einer mobilen Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung.
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WO 99/52670 A1 offenbart
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenstrukturierung von verlegten
Fußbodenbelägen. Diese
bekannte Vorrichtung ist mit einem steuerbaren Fahrantrieb versehen.
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Aus
EP 0 901 875 A1 ist
eine Roboterhand für
die Bearbeitung von Werkstücken
mit Laserstrahlung bekannt, bei welcher der Laser in einem Arm angeordnet
ist.
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Aus
JP 05 245 681 A (Abstract)
ist eine Laserstrahlvorrichtung bekannt, bei welcher ein Laser an
einem Arm angeordnet ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung
zu schaffen, mit der eine flexible Bearbeitung auch großer Werkstücke einfach
möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1.
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Die
erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung,
die einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstückbereichs
mittels eines von dem Laserbearbeitungskopf abgegebenen Laserstrahls
sowie eine Positionierungs- und Orientierungseinrichtung zur Positionierung
und Orientierung des Laserbearbeitungskopfes, die den Laserbearbeitungskopf
trägt und
eine Antriebseinrichtung zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs
aufweist, und eine Steuereinheit zur Steuerung der Antriebseinrichtung
in Abhängigkeit
von Eingaben einer Bedienperson über
ein Eingabegerät
und/oder von gespeicherten Daten aufweist, ist als mobile Einheit
ausgebildet, d.h. sie weist Einrichtungen auf, mittels derer die
Vorrichtung verfahrbar ist.
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Die
Vorrichtung muss dabei nicht mit einem eigenen Antrieb verfahrbar
sein, es genügt,
dass die Laserbearbeitungsvorrichtung als ganze mit nur geringem
Aufwand von einem Ort an den anderen fahrbar ist.
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Die
Verfahrbarkeit ermöglicht
es, mit einer solchen Laserbearbeitungsvorrichtung auch große Werkstücke zu bearbeiten,
die nicht über
eine sehr teure und große
Handhabungseinrichtung in den Bereich der Laserbearbeitungsvorrichtung
gebracht werden müssen.
Vielmehr kann eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung
einfach in den Bereich eines zu bearbeiteten Werkstücks gefahren werden.
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Durch
die Verwendung einer Positionierungs- und Orientierungseinrichtung,
deren Bewegungen über
eine von einer Steuereinheit angesteuerten Antriebseinrichtung bewirkt
werden, ist darüber hinaus
eine gegenüber
einer rein manuellen Bewegung sehr genaue Führung des Laserbearbei tungskopfes
und damit des Laserstrahls auf einem zu bearbeitenden Werkstück durch
Eingaben einer Bedienperson oder von einer Steuereinrichtung möglich.
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Mit
der erfindungsgemäßen mobilen
Laserbearbeitungsvorrichtung können
somit auch an sehr großen
Werkstücken
individuell sehr genau Bearbeitungsvorgänge, insbesondere das Härten einer Werkstückoberfläche und/oder
das Schweißen
von Werkstücken,
insbesondere auch Auftragsschweißen, durchgeführt werden.
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Weiterhin
ist eine erfindungsgemäße mobile Laserbearbeitungsvorrichtung
leicht auf ein Kraftfahrzeug fahrbar, so dass sie einfach auch an
ganz verschiedenen Orten, insbesondere auch zur Bearbeitung raumfester
Werkstücke
eingesetzt werden kann.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung, den
Ansprüchen
und der Zeichnung beschrieben.
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Die
mobile Laserbearbeitungsvorrichtung kann beispielsweise hängend an
Rädern
verfahrbar sein, wozu jedoch ein Gerüst mit beispielsweise Trageschienen
notwendig ist. Für
eine besonders flexible Handhabung und einen sehr einfachen Transport, beispielsweise
in einem Lastkraftwagen, ist es bevorzugt, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung
von einem Fahrwerk getragen wird, mittels dessen die Vorrichtung
fahrbar ist. Bei diesem Fahrwerk, das fest mit der Laserbearbeitungsvorrichtung
verbunden ist, kann es sich um ein Fahrwerk mit Raupen und/oder Rädern und/oder
Rollen und/oder Walzen handeln, wobei wenigstens einige der Rollen
oder Räder
jeweils lenkbar ausgeführt
sein können.
Das Fahrwerk kann als tragendes Element einen Rahmen aufweisen.
Das tragende Element kann jedoch auch durch entsprechende Elemente
der Positionierungs- und Orientierungseinrichtung oder ein Gehäuse gebildet sein.
Ein solches Fahrwerk erlaubt es, die erfindungsgemäße mobile
Laserbearbeitungsvorrichtung einfach auf einem hinreichend ebenen
Boden ohne großen
Kraftaufwand verschieben zu können.
Darüber
hinaus ist eine solche Vorrichtung leicht mit einem Lastkraftwagen
transportierbar.
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Besonders
bevorzugt ist das Fahrwerk so ausgebildet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung vollständig darauf
ruht. Hierzu können
beispielsweise mindestens zwei Walzen oder mindestens drei Räder oder
Rollen vorgesehen sein.
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Weiter
ist es bevorzugt, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung wenigstens
eine Feststellbremse aufweist, mit der eine Bewegung der Laserbearbeitungsvorrichtung
während
der Bearbeitung verhinderbar ist.
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Um
die Laserbearbeitung ohne großen
Kraftaufwand, insbesondere auch bei unebenem Boden genau bewegen
zu können,
ist es bevorzugt, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung einen steuerbaren Fahrantrieb,
und besonders bevorzugt auch eine Lenkung aufweist, mit der die
Laserbearbeitungsvorrichtung bewegbar ist.
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Bei
der Laserbearbeitungsvorrichtung ist vorgesehen, dass die Positionierungs-
und Orientierungseinrichtung einen bewegbaren, den Laserbearbeitungskopf
tragenden Arm mit einem Gelenk umfasst, wodurch der Laserbearbeitungskopf
besonders flexibel an dem Einsatzort der Laserbearbeitungsvorrichtung
positionier- und orientierbar ist.
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Besonders
bevorzugt umfasst die Positionierungs- und Orientierungseinrichtung
einen Knickarmroboter, der eine praktisch beliebige Positionierung
des Laserbearbeitungskopfes im Raum erlaubt. Die Verfahrbarkeit
der mobilen Laserbearbeitungsvorrichtung und die hohe Flexibilität bei der
Positionierung mittels des Knickarmroboters erlauben Laserbearbeitungen
auch an ansonsten nur schwer zugänglichen
Stellen von großen
Werkstücken.
Darüber
hinaus kann durch die Verfahrbarkeit der mobilen Laserbearbeitungsvorrichtung
mit nur einem Knickarmroboter ein Werkstück von verschiedenen Seiten aus
bearbeitet werden, so dass eine Bewegung eines sehr großen Werkstücks, beispielsweise
einer großen
Form im Formenbau, nicht notwendig ist.
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Für bestimmte
Bearbeitungsarten ist es nicht notwendig, dass die konkret bearbeitete
Stelle von einer Bedienperson laufend beobachtet wird, um den Laser
zu führen,
wie dies beispielsweise beim Auftragsschweißen der Fall ist, bei dem ein
Schweißdraht
laufend über
die zu bildende Schweißnaht
geführt
werden muss. Es ist daher bevorzugt, dass die Steuereinheit einen
Speicher zur Speicherung von Parametern zur Darstellung einer Kurve
umfasst und so ausgebildet ist, dass der Laserbearbeitungskopf entlang
einer Kurve, die durch in der Steuereinheit gespeicherte Parameter
beschrieben ist, bewegbar ist. Hierdurch wird die Bearbeitung von
Werkstücken beispielsweise
in Kleinstserien mit einem hohen Grad an Automatisierung ermöglicht,
ohne dass eine aufwendige Handhabungsvorrichtung für große Werkstücke erforderlich
wäre. Vielmehr
genügt
es, die erfindungsgemäße mobile
Laserbearbeitungsvorrichtung nur in eine vorgegebene Position zu
dem Werkstück
zu verfahren, um die Verarbeitung mit dem Laserstrahl entlang der
durch die gespeicherten Parameter dargestellten Kurve durchführen zu
können.
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Besonders
bevorzugt ist die Steuereinheit so ausgebildet, dass eine in Abhängigkeit
von Eingaben einer Bedienperson erfolgte Bewegung des Laserbearbeitungskopfes
in Form von entsprechenden Parametern speicherbar ist.
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Grundsätzlich muss
die erfindungsgemäße mobile
Laserbearbeitungsvorrichtung selbst nicht unbedingt einen Laser
aufweisen. Dieser kann beispielsweise als separate Einheit fest
montiert oder auch fahrbar vorgesehen sein, wobei die von dem Laser
abgegebene Laserstrahlung beispielsweise über Lichtleiter dem Laserbearbeitungskopf
zugeführt
werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung,
vorzugsweise die Positionierungs- und Orientierungseinrichtung,
einen Laser sowie Einrichtungen zur Übertragung des von dem Laser
abgegebenen Laserstrahls an den Laserbearbeitungskopf aufweist.
Damit wird eine mobile Laserbearbeitungsvorrichtung erhalten, die
bis auf die grundsätzlich
notwendige Energieversorgung eine autarke Einheit bildet, und daher
besonders einfach und flexibel einsetzbar ist.
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Der
Laser kann grundsätzlich
an einer beliebigen Stelle der mobilen Laserbearbeitungsvorrichtung
angeordnet sein. Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass die Positionierungs-
und Orientierungseinrichtung einen Arm umfasst, der den Laserbearbeitungskopf
trägt und
in oder an dem der Laser angeordnet ist. Die von dem Laser abgegebene
Strahlung kann dabei über
Lichtleiter oder, besonders bevorzugt, über ein Strahlführungssystem
mit reflektierenden Elementen, beispielsweise Spiegeln, dem Laserbearbeitungskopf
zugeführt
werden. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der
mobilen Laserbearbeitungsvorrichtung, da eine Übertragung der Laserstrahlung über den
gesamten Arm, die ein kompliziertes Strahlführungssystem erfordern würde, vermieden
werden kann. Darüber
hinaus können
die Nachteile der Verwendung von Lichtleitern, eine Verschlechterung
des Strahlparameterprodukts, d.h. der Strahlqualität, und eine
Begrenzung der maximal übertragbaren
Pulsspitzenleistung, vermieden werden.
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Besonders
bevorzugt sind Laserbearbeitungskopf und Arm durch ein Dreh- und
ein Schwenkgelenk verbunden, wobei das Strahlführungssystem vorzugsweise drei
Spiegel aufweist und die Dreh- und die Schwenkachse vorzugsweise
senkrecht zu einander ausgerichtet sind. Damit ergibt sich ein besonders
einfacher Aufbau des optischen Systems bei gleichzeitiger vollständiger Orientierbarkeit
des Laserbearbeitungskopfs im Raum.
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Für bestimmte
Bearbeitungstypen, beispielsweise das Auftragsschweißen, ist
es notwendig, dass eine Bedienperson den zu bearbeitenden Bereich während der
eigentlichen Bearbeitung beobachten kann. Es ist daher vorgesehen,
dass eine Beobachtungseinrichtung zur Erzeugung eines Bildes eines mit
dem Laserstrahl zu bearbeitenden Werkstückbereichs und eine Eingabevorrichtung, über die
Positionierungssignale für
die Positionierung des Laserbearbeitungkopfes in die Steuereinheit
eingebbar sind, vorgesehen sind und dass die Steuereinheit zur Positionierung
des Laserbearbeitungskopfes entsprechend den Positionierungssignalen
ausgebildet ist.
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Besonders
bevorzugt ist der Schärfentiefenbereich
der Beobachtungseinrichtung dabei innerhalb des Fokusbereichs des
von dem Laserbearbei tungskopf abgegebenen Laserstrahls, so dass
der Laserstrahl allein durch Scharfstellen des Bildes in der Beobachtungseinrichtung
auf die Werkstückoberfläche fokussierbar
ist.
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Die
Verwendung einer Eingabevorrichtung, der damit verbundenen Steuereinheit
und der davon gesteuerten Antriebseinrichtung erlaubt eine sehr präzise Führung des
Laserbearbeitungskopfes, so dass auch diffizile Oberflächenbearbeitungen
leicht durchführbar
sind.
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Die
Beobachtungseinrichtung umfasst ein Mikroskop, vorzugsweise ein
Stereomikroskop.
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Als
Eingabegeräte
können
analoge oder auch digitale Eingabegeräte zum Einsatz kommen. Um eine
möglichst
intuitive Bedienung der erfindungsgemäßen mobilen Laserbearbeitungsvorrichtung
zu ermöglichen
umfasst das Eingabegerät
bevorzugt einen Joystick.
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Besonders
bevorzugt ist es, dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass
ein Laserstrahl mit vorgegebener Geschwindigkeit entlang einer vorgegebenen
Kurve, insbesondere einer Geraden, bewegbar ist, wobei entsprechend
Eingaben einer Bedienperson über
die Eingabevorrichtungen der Laserstrahl in Richtungen, die nicht
tangential zu der Kurve sind, ausführbar sind. Dies ermöglicht es
insbesondere, den Laserkopf mittels des Eingabegeräts entlang
einer Geraden zu bewegen, wenn als vorgegebene Geschwindigkeit die
Geschwindigkeit Null gewählt
wird.
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Besonders
bevorzugt weist die Beobachtungseinrichtung eine richtungsdefinierende
Einrichtung auf, mit der in einer Ansicht des zu bearbeitenden Werkstücksbereichs
zwei Bezugsrichtungen definierbar sind. Die Steuereinheit ist dann
so ausgebildet, dass die Positionierungssignale als Signale in Bezug
auf die Bezugsrichtungen verarbeitet werden. Die Verwendung einer
solchen richtungsdefinierenden Einrichtung ermöglicht es dem Benutzer seine Eingaben
entsprechend der in der Ansicht definierbaren Bezugsrichtungen über die
Eingabevorrichtung zu machen, wodurch eine leichte Orientierung
für die Bedienperson
gegeben ist. Als richtungsdefinierende Einrichtung kann hierbei
beispielsweise bei Verwendung von optischen Instrumenten mit einem
Okular wie z. B. einem Mikroskop ein Okular mit Strichmarkierungen,
beispielsweise einem Fadenkreuz, eingesetzt werden. Weiter kann
jegliche nicht rotationssysmmetrische Feldblende verwendet werden.
Die Markierungen bzw. die Blende können jedoch auch durch entsprechend
angesteuerte, im Strahlengang des Mikroskops angeordnete LCD-Anzeigen
gebildet sein.
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Bei
einer Bewegung des Laserbearbeitungskopfes mittels beispielsweise
eines Knickarmroboters, kann sich durch eine Schwenkbewegung des Knickarms
eine Drehung der richtungsdefinierenden Einrichtung mit dem Laserbearbeitungskopf
ergeben, was für
die Bedienperson irritierend wäre.
Es ist daher bevorzugt, dass die richtungsdefinierende Einrichtung
so ausgebildet ist, dass die durch sie definierbaren Richtungen
entsprechend einer Ansteuerung bewegbar sind und dass die Steuereinheit
so ausgebildet ist, dass durch Bewegung des Laserbearbeitungskopfs
und Ansteue rung der richtungsdefinierenden Einrichtung die Blickrichtung
der Beobachtungseinrichtung und die Bezugsrichtungen konstant haltbar
sind. Die Ansteuerung der richtungsdefinierenden Einrichtung kann
hierbei mechanisch durch einen entsprechenden Stellantrieb oder
je nach Ausbildung der richtungsdefinierenden Einrichtung, beispielsweise
als LCD-Element,
mit einem elektrisch ansteuerbaren Fadenkreuz im Strahlengang der
Beobachtungseinrichtung, elektrisch erfolgen. Dadurch, dass die
Blickrichtung und die Bezugsrichtungen konstant gehalten werden,
ist es für
eine Bedienperson einfach, den Laserbearbeitungskopf mit der Eingabevorrichtung
fehlerfrei und einfach zu bewegen.
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Besonders
bevorzugt kann die richtungsdefinierende Einrichtung mit der Beobachtungsrichtung verbunden
sein, wobei diese relativ zu dem Laserbearbeitungskopf bewegbar
ist.
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Bevorzugt
wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Laserhärten
von Werkstückoberflächen und
zum Auftragsschweißen
verwendet.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft anhand der einzigen Zeichnung näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt eine mobile Laserbearbeitungsvorrichtung nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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In
der Figur umfasst eine mobile Laserbearbeitungsvorrichtung 10 ein
Fahrwerk 12, einen Knickarmroboter 14, der einen
Knickarm 16 sowie eine Antriebseinrichtung aufweist, die
teilweise in einem Gehäuse 17 und
teilweise in dem Knickarm 16 angeordnete und daher in der
Figur nicht sichtbare Stellmotoren aufweist und daher in der Figur
nur grob schematisch durch die Komponente 18 angedeutet
ist, einen an dem Knickarm 16 angeordneten Laserbearbeitungskopf 20,
einen in einem Abschnitt 22 des Knickarms 16 angeordneten
Laser 24, eine Steuereinheit 26 zur Steuerung
der Antriebseinrichtung sowie einen mit der Steuereinheit verbunden
Joystick 28.
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Das
Fahrwerk 12 weist zwei Lenkrollen 30 und 30' sowie zwei
Räder auf,
deren Drehachse parallel verläuft
und von denen in der Figur nur das Rad 32 sichtbar ist.
Die Lenkrollen 30 und 30' sowie die Räder 32 sind an einem,
in der Figur nicht separat gezeigten Rahmen befestigt. Durch die
Lenkrollen ist die mobile Laserbearbeitungsrichtung nicht nur leicht lenkbar,
sondern praktisch auch auf der Stelle drehbar, so dass die Laserbearbeitungsvorrichtung
auch bei sehr beengten Verhältnissen
gut verfahrbar und positionierbar ist.
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Der
Rahmen des Fahrwerks trägt
als Positionierungs- und Orientierungseinrichtung zur Positionierung
und Orientierung des Laserbearbeitungskopfes 20 den Knickarmroboter 14,
der, in der Figur nur schematisch gezeigt, fest mit dem Rahmen bzw.
dem Fahrwerk 12 verbunden ist. Der Arm 16 des
Knickarmroboters 14 ist über ein Drehgelenk 34 mit
der Antriebseinrichtung verbunden und damit als ganzer um eine senkrechte
Achse schwenkbar. Auf dem Drehgelenk 34 sitzt ein Schwenkgelenk 36 über das der
Knickarm 16 um eine horizontale Achse schwenkbar ist. Der
Knickarm 16 weist weiterhin ein Knickgelenk 38 auf, über das
der Abschnitt 22 des Knickarms 16 gegenüber dem
Abschnitt zwischen den Gelenken 36 und 38 schwenkbar
ist.
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Der
Laserbearbeitungskopf 20 ist über ein Schwenkgelenk 40 und
ein Drehgelenk 42, deren Schwenk- bzw. Drehachsen senkrecht
zueinander angeordnet sind, mit dem Abschnitt 22 des Roboterarms
verbunden.
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Die
Gelenke 34, 36 und 38 erlauben eine beliebige
Positionierung des Laserbearbeitungskopfs 20 in dem dreidimensionalen
Arbeitsbereich des Knickarmroboters 14.
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Das
Schwenkgelenk 40, dessen Schwenkachse parallel zu der Schwenkachse
des Gelenks 38 verläuft,
und das Drehgelenk 42, dessen Drehachse senkrecht zu der
Schwenkachse des Schwenkgelenks 40 verläuft, erlauben eine nur durch
den maximalen Schwenk- bzw. Drehwinkel beschränkte, aber sonst beliebige
Orientierung, d.h. Neigung, des Laserbearbeitungskopfs 20 im
Raum. Der Knickarm 16 einschließlich seiner Stellantriebe
und der Steuereinheit 26 ist dabei so ausgebildet, dass
bei einer Positionierungsbewegung des Laserbearbeitungskopfs 20 während eines
Bearbeitungsvorgangs der Winkel zwischen der Drehachse des Drehgelenks 42 in
Bezug auf die Drehachse des Drehgelenks 34 konstant haltbar
ist.
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Die
Bewegung des Knickarms 16 und des Laserbearbeitungskopfs 20 wird über die
Antriebseinrichtung bewirkt, die wiederum von der Steuereinheit 26 angesteuert
wird. Die Steuereinheit 26 ist mit dem Joystick 28 verbunden, über den
eine Orientierungsbewegung und eine Positionierungsbewegung des
Laserbearbeitungskopfs 20 steuerbar sind.
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Die
Steuereinheit 26 weist weiterhin einen in den Figuren nicht
gezeigten Speicher auf, in dem Parameter zur Beschreibung einer
Kurve speicherbar sind, entlang der der Laserbearbeitungskopf 20 automatisch
von der Steuereinheit 26 führbar ist.
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In
dem Abschnitt 22 des Knickarms 16 ist der Laser 24 angeordnet,
dessen Strahlung zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendbar ist. Bei dem
Laser 24 handelt es sich um einen Festkörperlaser, der zur Bearbeitung
von Werkstücken
geeignete Strahlung im Infrarotbereich emittiert. Der Laser 24 bzw. ein
von diesem abgegebener Laserstrahl bildet mit der Längsachse
des Abschnitts 22 des Knickarms 16 einen spitzen
Winkel, so dass die von dem Laser 24 emittierte Strahlung
gegen die Längsachse
versetzt in den Kanal des Schwenkgelenks eintreten kann.
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Der
Laser 24 weist noch ein in der Figur nicht gezeigtes Teleskop
zur Strahlaufweitung auf.
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Die
von dem Laser emittierte Strahlung wird über die Gelenke 40 und 42 dem
Laserbearbeitungskopf 20 zugeführt, indem sie dann auf einen
zu bearbeitenden Werkstückbereich
gelenkt wird. Dazu weisen die Gelenke 40 und 42 Kanäle zur Strahlführung auf,
die jeweils einen entlang der Drehachsen der Gelenke 40 und 42 verlaufenden
Abschnitt umfassen. Über
zwei in den Kanälen
angeordnete, in der Figur nicht gezeigte Spiegel wird die von dem
Laser 24 emittierte Strahlung in einer Richtung parallel
zur Drehachse des Drehgelenks 42 gelenkt.
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Der
Laserbearbeitungskopf 20 dient dazu, die aus dem Kanal
des Drehgelenks 42 austretende Laserstrahlung auf ein Werkstück zu lenken,
wozu er einen in der Figur nicht gezeigten, für Infrarotstrahlung reflektierenden, für sichtbares
Licht jedoch transmittierenden Spiegel aufweist, der gegen die Drehachse
des Drehgelenks 42 um 45° geneigt
ist.
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Der
Laserbearbeitungskopf weist weiterhin eine Fokussierungsoptik 44 auf,
die als achromatisches optisches System ausgebildet ist. Die umgelenkte
Laserstrahlung wird durch die Fokussierungsoptik 44 fokussiert
und als fokussierter Laserstrahl 46 auf einen Werkstückbereich
gelenkt.
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Der
Laserbearbeitungskopf 20 umfasst weiterhin als Beobachtungseinrichtung
zur Beobachtung eines zu bearbeitenden Werkstückbereichs ein Stereomikroskop 48,
das durch ein Kopfteil 50 mit zwei Okularen 52 und 52' und die Fokussierungsoptik 44 als
Objektiv gebildet ist, so dass die optische Achse des Stereomikroskops 48 mit
der Richtung des Laserstrahls hinter der Fokussierungsoptik 44 übereinstimmt.
Der Schärfentiefenbereich
des Stereomikroskops 48 ist dabei so gewählt, dass
er innerhalb des Fokusbereichs des Laserstrahls liegt, so dass der
Laserstrahl auf eine Werkstückoberfläche fokussierbar ist,
indem der durch das Stereomikroskop 48 beobachtete Werkstückbereich
scharf gestellt wird.
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Das
Stereomikroskop 48 weist weiterhin an den Okularen 52 und 52' als richtungsdefinierende Einrichtung
jeweils ein Fadenkreuz auf, durch das zwei Bezugsrichtungen in der
Ansicht des Werkstückbereichs
definiert werden. Eingaben über
den Joystick 28 beziehen sich auf diese Bezugsrichtungen.
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Der
Kopfteil 50 des Stereomikroskops 48 ist um die
optische Achse des Stereomikroskops 48 im Bereich der fokussierenden
Einrichtung 44, d.h. eine Längsachse des Laserbearbeitungskopfs 20 durch einen
Stellantrieb 54 drehbar, der, in der Figur nicht gezeigt, über ein
Ritzel einen an dem Kopfteil 50 angebrachten Zahnkranz
antreibt. Der Stellantrieb 54 wird von der Steuereinheit 26 angesteuert.
Insbesondere erfolgt die Steuerung derart, dass bei einer Positionierungsbewegung
des Laserbearbeitungskopfs durch Drehung des Kopfteils 50 und/oder
Drehung des Laserbearbeitungskopfs 20 um die Drehachse des
Drehgelenks 42 sowohl die Blickrichtung des Stereomikroskops 48 als
auch die Orientierung der durch die Fadenkreuze definierten Bezugsrichtungen im
Raum konstant bleiben.
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Zur
Bearbeitung eines Werkstücks
kann die mobile Laserbearbeitungsvorrichtung 10 dank des Fahrwerks
leicht zu dem Werkstück
hingefahren werden, wobei insbesondere die Lenkrollen 30 und 30' eine leichte
Positionierung der gesamten Laserbearbeitungsvorrichtung erlauben.
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Die
eigentliche Bearbeitung kann dabei in verschiedenen Betriebsarten
erfolgen, zu deren Durchführung
die Steuereinheit 26 entsprechend ausgebildet ist.
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Bei
einem ersten Betriebsmodus, der beispielsweise zur Härtung von
Oberflächen
verwendet werden kann, wird der Laserbearbeitungskopf 20 automatisch
von der Steuereinheit 26 entlang einer Kurve bewegt, die
durch in den Speicher der Steuervorrichtung 26 gespeicherte
Parameter definiert ist. Diese Daten können entweder von außen eingegeben worden
sein oder bei einem "Teach-in"-Verfahren nach der
folgenden noch zu beschreibenden manuellen Steuerung gelernt, d.h.
während
einer manuellen Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 20 abgespeichert
worden sein.
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Bei
einem zweiten Betriebsmodus wird der Laserbearbeitungskopf entsprechend
Eingaben des Benutzers über
den Joystick 28 bewegt. Dabei entsprechen Auslenkungen
des Joysticks 28 in dessen zwei Richtungen Bewegungen des
Laserbearbeitungskopfs 20 entlang der Richtungen des in
dem Stereomikroskop 48 sichtbaren Fadenkreuzes. Hierzu
wird in der Steuervorrichtung eine entsprechende Koordinatentransformation
von einem mit dem Fadenkreuz verbundenen Koordinatensystem in ein
mit dem Fahrwerk 12 der Laserbearbeitungsvorrichtung verbundenen
Koordinatensystem durchgeführt.
Die Auslenkung des Joysticks 28 entspricht dabei einer Richtung
und Größe einer
Geschwindigkeit, mit der Laserbearbeitungskopf 20 bewegt
werden soll. Durch Druck auf den Steuerknüppel lassen sich auch Bewegungen
senkrecht zu dem Fadenkreuz, d.h. in Blickrichtung des Mikroskops 48 durchführen.
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In
einem dritten Bearbeitungsmodus positioniert der Benutzer den Laserbearbeitungskopf 20 zunächst in
einer Anfangsposition und -orientierung. Die Steuervorrichtung 26 bewegt
dann den Laserbearbeitungskopf 20 mit einer vorgegebenen
Geschwindigkeit entlang einer vorgegebenen Kurve, beispielsweise
einer Geraden, wobei der Benutzer durch Eingaben über den
Joystick 28 eine Bewegung des Laserbearbeitungskopfs in
einer Richtung senkrecht zu der vorgegebenen Kurve bewirken kann.
Zufällige
Bewegungen des Joysticks 28 in Richtung der vorgegebenen
Kurve werden nicht berücksichtigt. Die
Einstellung der vorgegebenen Geschwindigkeit kann dabei über ein
in der Figur nicht gezeigtes Eingabegerät erfolgen.
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Wie
zuvor erwähnt,
wird wenigstens in dem zweiten und dem dritten Betriebsmodus bei
den Positionierungsbewegungen während
der Bearbei tung mit dem Laser 24 die Orientierung des Fadenkreuzes im
Raum konstant gehalten.
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Bei
den letzten beiden Betriebsmodi ist weiterhin jeweils eine Abspeicherung
der bei der Bearbeitung verfolgten Kurve in Form von Parametern
in dem Speicher der Steuereinheit 26 möglich ("teach-in").
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Insgesamt
ergibt sich damit eine mobile Laserbearbeitungsvorrichtung, die
sehr einfach auch an große
Werkstücke
gefahren werden kann um dort auch an schwer zugänglichen Werkstückbereichen sehr
genau Oberflächenbearbeitungsvorgänge insbesondere
Oberflächenhärtung oder
Auftragsschweißen
durchführen
zu können.
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- 10
- mobile
Laserbearbeitungsvorrichtung
- 12
- Fahrwerk
- 14
- Knickarmroboter
- 16
- Knickarm
- 17
- Gehäuse
- 18
- Komponente
der Antriebseinrichtung
- 20
- Laserbearbeitungskopf
- 22
- Abschnitt
des Roboterarms
- 24
- Laser
- 26
- Steuereinheit
- 28
- Joystick
- 30,
30'
- Lenkrollen
- 32
- Rad
- 34
- Drehgelenk
- 36
- Schwenkgelenk
- 38
- Schwenkgelenk
- 40
- Schwenkgelenk
- 42
- Drehgelenk
- 44
- Fokussierungsoptik
- 46
- fokussierter
Laserstrahl
- 48
- Stereomikroskop
- 50
- Kopfteil
- 52,
52'
- Okular
- 54
- Stellantrieb