DE10157891A1

DE10157891A1 - Laser processing device has robot arm with joint arrangement with at least three degrees of freedom, laser processing head, laser in arm, radiation guidance system with deflection element(s)

Info

Publication number: DE10157891A1
Application number: DE10157891A
Authority: DE
Inventors: Georg Meyndt; Hans-Juergen Penser; Wolfgang Seifert
Original assignee: ALPHA LASER GmbH
Current assignee: ALPHA LASER GmbH
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2003-06-18
Also published as: DE20122510U1

Abstract

The device has a robot arm (12) with a joint arrangement (14,16) with at least three degrees of freedom, a laser processing head (18) on the arm, a laser (22) in a section of the arm to which the joint arrangement is attached and a radiation guidance system with at least one laser radiation deflection element and with which the laser radiation can be deflected into the processing head.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung. The present invention relates to a laser processing device.

Die Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung ist schon lange bekannt. Zu den typischen Bearbeitungsverfahren gehören u. a. das Schneiden und das Schweißen von Werkstücken sowie das Härten von Oberflächen. Zur Führung des Laserstrahls über das Werkstück wird dazu in der Regel nicht der Laser selbst bewegt, da dieser meist zu groß ist, um auch an schlecht zugängliche Stellen eines Werkstücks zu gelangen. Die von dem Laser emittierte Strahlung wird daher meist einem Laserbearbeitungskopf zugeführt, der den Laserstrahl auf das Werkstück lenkt. Da zur Bearbeitung von Werkstücken der Laserbearbeitungskopf möglichst flexibel positionierbar und orientierbar sein muss, ist dieser meistens an einem Roboterarm gehalten, wohingegen der Laser raumfest angeordnet ist. Die von dem Laser emittierte Laserstrahlung wird dann mittels Lichtwellenleitern an den Laserbearbeitungskopf übertragen, so dass dessen Beweglichkeit nur wenig eingeschränkt ist. The processing of workpieces with laser radiation has long been known. Typical machining processes include a. the Cutting and welding workpieces and hardening Surfaces. To guide the laser beam over the workpiece usually the laser itself does not move because it is usually too large is to be able to access even difficult to access areas of a workpiece reach. The radiation emitted by the laser is therefore mostly one Laser processing head fed that the laser beam onto the workpiece directs. The laser processing head is used to machine workpieces must be positioned and orientated as flexibly as possible mostly held on a robot arm, whereas the laser is fixed in space is arranged. The laser radiation emitted by the laser is then transmitted to the laser processing head by means of optical fibers, so that its mobility is only slightly restricted.

Die Verwendung von Lichtleitern, insbesondere auch als Bündel, hat jedoch den Nachteil, dass zum einen die verfügbare Pulsspitzenleistung des Lasers bedingt durch die Eigenschaften der Lichtleiter beschränkt ist und zum anderen die Strahlqualität, beispielsweise ausgedrückt durch das Strahlparameterprodukt, verschlechtert wird. Diese Verschlechterung führt zu einer ungünstigeren Fokussierbarkeit des aus den Lichtleitern austretenden Laserstrahls, wodurch die auf dem Werkstück erzielbare Intensität unter Umständen herabgesetzt ist. The use of light guides, especially as a bundle, has however, the disadvantage that, on the one hand, the available peak pulse power of the laser is limited due to the properties of the light guide and secondly the beam quality, for example expressed by the beam parameter product is deteriorated. This deterioration leads to an unfavorable focusability of the light guides emerging laser beam, whereby the achievable on the workpiece Intensity may be reduced.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu schaffen, die hohe Pulsspitzenleistungen und eine gute Strahlqualität erlaubt. The present invention has for its object a To create laser processing device, the high pulse peak power and a good beam quality allowed.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The task is solved by a laser processing device with the Features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Roboterarm, der eine Gelenkanordnung mit wenigstens zwei Gelenkfreiheitsgraden aufweist, einen von dem Roboterarm gehaltenen Laserbearbeitungskopf, einen in einem Abschnitt des Roboterarms, an dem die Gelenkanordnungen befestigt ist, angeordneten Laser, und ein Strahlführungssystem, das wenigstens ein Strahlung des Lasers reflektierendes Element aufweist und mit dem Strahlung des Lasers in den Laserbearbeitungskopf lenkbar ist. The laser processing device according to the invention comprises a Robotic arm that has a joint arrangement with at least two Having degrees of joint freedom, one held by the robot arm Laser machining head, one in a section of the robot arm on which the Joint assemblies is attached, arranged laser, and a Beam guidance system that has at least one radiation from the laser has reflective element and with the radiation of the laser in the laser processing head is steerable.

Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung weist einen Laserbearbeitungskopf auf, der dazu dient, ihm zugeführte Laserstrahlung auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu lenken. Bevorzugt weist der Laserbearbeitungskopf dazu eine Fokussierungseinrichtung auf, mittels derer der dem Laserbearbeitungskopf zugeführte Laserstrahl auf das Werkstück fokussierbar ist. The laser processing device according to the invention has one Laser processing head on, which serves to supply it with laser radiation to steer the workpiece to be machined. Preferably, the Laser processing head to a focusing device, by means of which the Laser processing head fed laser beam onto the workpiece is focusable.

Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung weist weiterhin zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs einen, vorzugsweise bewegbaren, Roboterarm auf, der eine Gelenkanordnung mit wenigstens zwei Gelenkfreiheitsgraden, d. h. zwei zueinander nicht parallelen, bevorzugt zueinander senkrechten Dreh- bzw. Schwenkachsen, aufweist und den Laserbearbeitungskopf hält. Durch die Gelenkanordnung mit wenigstens zwei Gelenkfreiheitsgraden kann der Laserbearbeitungskopf in verschiedene Orientierungen im Raum geschwenkt werden. The laser processing device according to the invention also assigns Movement of the laser processing head a, preferably movable, Robotic arm that has a joint arrangement with at least two Degrees of joint freedom, d. H. two not parallel to each other, preferred mutually perpendicular axes of rotation or pivoting, and the Laser processing head holds. Through the joint arrangement with at least two The laser machining head can have different degrees of joint freedom Orientations in space are swiveled.

Erfindungsgemäß ist einem Abschnitt des Roboterarms, an dem die Gelenkanordnung befestigt ist, ein Laser angeordnet, dessen Strahlung über ein Strahlführungssystem, das wenigstens ein Strahlung des Lasers reflektierendes Element aufweist, in den Laserbearbeitungskopf lenkbar ist. Der Laser kann dabei im sichtbaren Bereich arbeiten, im Hinblick auf Anwendungen bei der Werkstückbearbeitung jedoch vorzugsweise im infraroten Bereich. Insbesondere können Festkörper- oder Diodenlaser Verwendung finden. According to the invention, a section of the robot arm on which the Joint arrangement is attached, a laser is arranged, the radiation of which a beam guidance system that has at least one radiation from the laser has reflective element into which the laser processing head can be steered. The laser can work in the visible range with regard to Applications in workpiece machining, however, preferably in infrared range. In particular, solid-state or diode lasers Find use.

Das Strahlführungssystem kann noch weitere abbildende Elemente wie Spiegel oder Linsen aufweisen, jedoch keine Lichtleiter zur Führung des Laserstrahls. The beam guidance system can also include other imaging elements such as Have mirrors or lenses, but no light guide to guide the Laser beam.

Die Anordnung des Lasers in dem Roboterarm, der zweckmäßigerweise noch zusätzlich schwenkbar ist, widerspricht zunächst dem Prinzip, dass der Roboterarm sowie davon getragene Teile möglichst leicht sein sollten, um die bei einer Bewegung des Roboterarms auftretenden Trägheitskräfte bzw. Trägheitsmomente klein halten zu können, so dass zum Antrieb des Roboterarms nur weniger leistungsfähige Motoren ausreichend sind und der Roboterarm nicht sehr massiv ausgelegt sein muss. The arrangement of the laser in the robot arm, which is convenient is additionally pivotable, contradicts the principle that the robot arm and parts carried by it should be as light as possible, the inertial forces that occur when the robot arm moves or to keep moments of inertia small, so that to drive the Robotic arms are only sufficient and less powerful motors the robot arm does not have to be very massive.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Lasers in einem Abschnitt des Roboterarms zusammen mit der Verwendung des Strahlführungssystems erlaubt jedoch zum einen die Vermeidung von Lichtleitern und damit die Vermeidung einer Verschlechterung des Strahlparameterprodukts und eine Begrenzung der Pulsspitzenleistung. The arrangement of the laser according to the invention in a section of the Robot arm together with the use of the beam guidance system on the one hand, however, allows the avoidance of optical fibers and thus the Avoid deterioration of the beam parameter product and a limitation of the peak pulse power.

Weiter ergibt sich der Vorteil, dass der so erzielte Roboterarm sehr kompakt ist und insbesondere keinen an ihm außen befestigten Lichtleiter aufweisen muss. Another advantage is that the robot arm achieved in this way is very good is compact and in particular no light guide attached to it on the outside must have.

Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass für viele Anwendungen bei der Laserbearbeitung sehr schnelle Bewegungen des Roboterarms nicht notwendig sind, so dass die zusätzliche Masse in dem Roboterarm nicht zu wesentlichen Problemen im Hinblick auf die Stabilität des Roboterarms und/oder der Leistungsfähigkeit des Antriebs führt. In addition, it has been shown that for many applications in the Laser processing does not make very fast movements of the robot arm are necessary so that the additional mass in the robot arm does not increase major problems with regard to the stability of the robot arm and / or the performance of the drive leads.

Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen beschrieben. Preferred embodiments and developments of the invention are described in the description, the claims and the drawings.

Bevorzugt weist der Roboterarm über die Gelenkanordnung hinaus weitere Gelenkfreiheitsgrade auf, mittels derer der Laserbearbeitungskopf wenigstens in einer Ebene, vorzugsweise im Raum positionierbar ist. Die Gelenkanordnung, an der der Laserbearbeitungskopf befestigt ist, dient dabei in erster Linie der Orientierung des Laserbearbeitungskopfs. The robot arm preferably points beyond the joint arrangement further degrees of joint freedom, by means of which the laser processing head can be positioned at least in one plane, preferably in space. The Joint arrangement to which the laser processing head is attached is used primarily the orientation of the laser processing head.

Besonders bevorzugt wird als Roboterarm ein schwenkbarer Knickarm verwendet, der zusätzlich die Gelenkanordnung mit zwei Gelenkfreiheitsgraden aufweist. A pivotable articulated arm is particularly preferred as the robot arm used, the joint arrangement with two Has degrees of joint freedom.

Grundsätzlich kann der Abschnitt des Roboterarms an einer beliebigen Stelle vor dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Insbesondere kann der Laser zwischen zwei Gelenken der Gelenkanordnung in dem Roboterarm befestigt sein. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Laserbearbeitungskopf von der Gelenkanordnung gehalten ist. Diese Anordnung lässt eine hohe Beweglichkeit des Laserbearbeitungskopfs zu, ohne viel Platz zu beanspruchen, der sonst ggf., beispielsweise bei Verwendung von zwei Schwenkgelenken an den Enden des Abschnitts des Roboterarms, insbesondere bei einer Schwenkbewegung durch den Roboterarmabschnitt mit dem Laser eingenommen würde. Basically, the section of the robot arm can be on any Place in front of the laser processing head. In particular, can the laser between two joints of the joint arrangement in the Be attached to the robot arm. However, it is preferred that the Laser processing head is held by the joint arrangement. This arrangement leaves one high mobility of the laser processing head without taking up too much space claim otherwise, for example when using two Swivel joints at the ends of the section of the robot arm, especially with a pivoting movement through the robot arm section would be taken by the laser.

Bei der Gelenkanordnung kann es sich um eine grundsätzlich beliebige Anordnung handeln, die wenigstens zwei Gelenkfreiheitsgrade aufweist. Beispielsweise kann ein Kugelgelenk verwendet werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Gelenkanordnung ein Dreh- und ein Schwenkgelenk umfasst, die miteinander verbunden sind. Eine solche Gelenkanordnung erlaubt einen einfachen Antrieb für die Orientierung des Laserbearbeitungskopfes im Raum. Darüber hinaus kann die Orientierung mit größerer Genauigkeit eingestellt werden. The joint arrangement can be any one in principle Act arrangement that has at least two degrees of joint freedom. For example, a ball joint can be used. However, it is preferred that the hinge arrangement a swivel and a swivel joint includes, which are interconnected. Such a joint arrangement allows a simple drive for the orientation of the Laser processing head in the room. In addition, the orientation with greater accuracy can be set.

Weiter ist es bevorzugt, dass das Schwenk- und/oder Drehgelenk wenigstens einen Kanal aufweist, der wenigstens teilweise entlang der geometrischen Schwenk- bzw. Drehachse ausgebildet ist, und dass das Strahlführungssystem ein System von Spiegeln aufweist, von denen wenigstens einzelne so angeordnet sind, dass Strahlung des Lasers durch den Kanal zu dem Laserbearbeitungskopf lenkbar ist. Vorzugsweise wird der Laserstrahl nur durch den Kanal geleitet, so dass keine Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Kanaloberfläche auftritt. Kanalabschnitte, die sich nicht entlang der Dreh- oder Schwenkachse erstrecken, können zur Zu- bzw. Wegführung des Strahls zu bzw. von dem entlang der Dreh- bzw. Schwenkachse verlaufenden Kanalabschnitt vorgesehen sein. Weiterhin können reflektierende Elemente vorgesehen sein, um den Laserstrahl von einem Kanalabschnitt in den nächsten umzulenken. It is further preferred that the swivel and / or swivel joint has at least one channel at least partially along the Geometric pivot or rotation axis is formed, and that the Beam guidance system has a system of mirrors, at least of which individual ones are arranged so that radiation from the laser through the channel is steerable to the laser processing head. Preferably the Laser beam only passed through the channel, so no interaction occurs between the laser beam and the channel surface. Channel sections that are do not extend along the axis of rotation or swivel, can or routing of the beam to or from which along the rotary or Channel section extending pivot axis may be provided. Farther reflective elements can be provided to the laser beam from to divert one channel section into the next.

Der entlang der Dreh- bzw. Schwenkachse verlaufende Kanalabschnitt erlaubt eine Drehung bzw. Schwenkung des Gelenks bei gleichzeitiger Umlenkung des Laserstrahls. Durch diese Ausgestaltung wird weiter erreicht, dass der Strahl in der Gelenkanordnung und damit in bereits vorhandenen Bauteilen zu dem Laserbearbeitungskopf lenkbar ist, so dass nur wenige bzw. keine zusätzlichen Einbauteile für das Strahlführungssystem außerhalb des Roboterarms notwendig sind, wodurch sich ein sehr kompakter und robuster Aufbau ergibt. Darüber hinaus ist ein Austreten des Laserstrahls aus dem Strahlführungssystem und eine damit verbundene Gefährdung von Personen im Bereich der Laserbearbeitungsvorrichtung weitgehend ausgeschlossen. The channel section running along the axis of rotation or swivel allows a rotation or pivoting of the joint at the same time Deflection of the laser beam. This configuration will continue achieved that the beam in the joint arrangement and thus in already existing components can be steered to the laser processing head, so that only a few or no additional installation parts for the Beam guidance system outside the robot arm are necessary, which results in a very compact and robust construction results. In addition, there is a leak of the laser beam from the beam guidance system and one with it associated risk to persons in the area of Laser processing device largely excluded.

Bevorzugt weist das Strahlführungssystem der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung höchstens drei Spiegel zwischen dem Laser und dem Austritt des Laserstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf auf. Die geringe Anzahl von Spiegeln erlaubt eine einfache Justierbarkeit des Strahlführungssystems sowie geringe Intensitätsverluste durch Reflexionen. The beam guidance system preferably has the inventive Laser processing device at most three mirrors between the laser and the exit of the laser beam from the laser processing head. The small number of mirrors allows easy adjustment of the Beam guidance system and low intensity losses Reflections.

Weiter ist es bevorzugt, dass das Schwenkgelenk an dem Abschnitt des Roboterarms befestigt ist, in dem der Laser angeordnet ist, und dass der Laser so angeordnet ist, dass ein von diesem abgegebener Laserstrahl an einer gegen die Längsachse des Abschnitts des Roboterarms versetzten Position in einen in dem Schwenkgelenk zur Strahlführung ausgebildeten Kanal eintritt. Unter der Längsachse des Abschnitts des Roboterarms ist dabei die geometrische Achse zu verstehen, die zur kinematischen Beschreibung der Bewegung des Roboterarms mit dem Laserbearbeitungskopf dient. Sie wird daher insbesondere durch die Lage der Gelenke und die Befestigungsposition des Roboterarms an den Gelenken bestimmt. Durch die Versetzung der Eintrittsposition des Laserstrahls gegen die Längsachse des Abschnitts des Roboterarms ist der Strahl direkt in einen zur Strahlführung ausgebildeten, sich entlang der Schwenkachse erstreckenden Kanal oder Kanalabschnitt des Schwenkgelenks mit nur einem Spiegel umlenkbar, wodurch insgesamt ein Strahlführungssystem mit nur drei Spiegeln ermöglicht wird. It is further preferred that the swivel joint on the section of the Robot arm is attached, in which the laser is arranged, and that the Laser is arranged so that a laser beam emitted by it one offset against the longitudinal axis of the section of the robot arm Position in one formed in the swivel joint for beam guidance Channel enters. Below the longitudinal axis is the section of the robot arm to understand the geometrical axis that leads to the kinematic Description of the movement of the robot arm with the Laser processing head is used. It is therefore particularly the position of the joints and determines the attachment position of the robot arm on the joints. By shifting the entry position of the laser beam against the Longitudinal axis of the section of the robot arm is the beam directly into one trained for beam guidance, along the swivel axis extending channel or channel section of the swivel joint with only one Mirror deflectable, which means a beam guidance system with only three mirrors is made possible.

Hierzu kann der Laser parallel zu der Längsachse des Roboterarmabschnitts versetzt in dem Roboterarmabschnitt angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist jedoch der Laser in dem Abschnitt des Roboterarms so angeordnet, dass die Strahlrichtung des Lasers mit der Längsachse des Abschnitts des Roboterarms einen spitzen Winkel bildet. Diese Anordnung des Lasers erlaubt es, dessen Schwerpunkt auf oder nahe der Längsachse des Abschnitts des Roboterarms anzuordnen, so dass sich geringe oder überhaupt keine Drehmomente um die Längsachse des Abschnitts des Roboterarms ergeben, so dass entsprechende Kräfte auf die Gelenke vermieden werden können. Darüber hinaus ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau insbesondere dann, wenn der Durchmesser des Roboterarms im Wesentlichen durch die Dimensionen des Schwenkgelenks bestimmt ist. For this purpose, the laser can be parallel to the longitudinal axis of the Robot arm section may be arranged offset in the robot arm section. Especially however, the laser in the section of the robot arm is preferred arranged that the beam direction of the laser with the longitudinal axis of the Section of the robot arm forms an acute angle. This arrangement The laser allows its focus to be on or near the longitudinal axis to arrange the section of the robot arm so that there is little or no torque at all about the longitudinal axis of the section of the Robotic arms result in corresponding forces on the joints can be avoided. In addition, there is a special compact structure especially when the diameter of the Robotic arm essentially by the dimensions of the swivel joint is determined.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Drehgelenk mit dem Abschnitt des Roboterarms verbunden ist, und die Spiegel an oder in dem an dem Drehgelenk gehaltenen Schwenkgelenk bzw. dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sind. Der gegenüber der Drehachse des Drehgelenks versetzt aus dem Schwenkgelenk austretende Laserstrahl kann dabei besonders bevorzugt durch eine geeignete Anordnung eines Spiegels in dem Laserbearbeitungskopf so umgelenkt werden, dass im Hinblick auf die Lage des Fokus des Laserstrahls dieser Versatz ausgeglichen wird. In another preferred embodiment it is provided that the swivel is connected to the section of the robot arm, and the mirrors on or in the swivel held on the swivel or the laser processing head are arranged. The opposite of the The axis of rotation of the swivel joint is offset from the swivel joint Laser beam can be particularly preferably by a suitable Arrangement of a mirror in the laser processing head can be deflected so that in terms of the location of the focus of the laser beam this offset is balanced.

Um die auf die Spiegel auftreffenden Intensitäten des Laserstrahls zu reduzieren, ist es bevorzugt, dass in dem Abschnitt des Roboterarms zwischen dem Laser und der Gelenkanordnung eine optische Einrichtung zur Aufweitung des Laserstrahls angeordnet ist. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Teleskop handeln. Zur Fokussierung des aufgeweiteten Laserstrahls weist der Laserbearbeitungskopf dann besonders bevorzugt eine Fokussierungsoptik auf, um den aufgeweiteten Laserstrahl wieder auf einem zu bearbeitenden Werkstückbereich zu fokussieren. To the intensities of the laser beam impinging on the mirrors reduce, it is preferred that in the section of the robot arm an optical device between the laser and the joint arrangement is arranged to expand the laser beam. It can be act in particular a telescope. To focus the The laser processing head then has a particularly widened laser beam preferably focusing optics around the expanded laser beam to focus again on a workpiece area to be machined.

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Roboterarm eignet sich insbesondere auch für visuell von einer Bedienperson kontrollierte Laserbearbeitungsverfahren wie z. B. die Oberflächenhärtung und insbesondere das Auftragsschweißen von Werkstücken, bei dem ein Schweißdraht über die zu erstellende Schweißnaht zu führen ist. Es ist daher bevorzugt, dass eine Beobachtungseinrichtung zur Beobachtung eines zu bearbeitenden Bereichs vorgesehen ist, dass in dem Laserbearbeitungskopf eine Fokussierungseinrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls auf ein Werkstück angeordnet ist, und dass im Weg eines aus dem in Strahlrichtung letzten Gelenk austretenden Laserstrahls ein halbdurchlässiger Spiegel zur Umlenkung des aus dem in Strahlrichtung letzten Gelenk austretenden Laserstrahls auf die Fokussierungseinrichtung auf diese ausgerichtet und im Strahlengang einer Beobachtungseinrichtung angeordnet ist. A laser processing device with a robot arm is suitable especially for those who are visually controlled by an operator Laser processing methods such. B. surface hardening and in particular the build-up welding of workpieces, in which a welding wire over the weld seam to be created is to be carried out. It is therefore preferred that an observation device for observing one to be processed Area is provided that in the laser processing head Focusing device for focusing a laser beam on a Workpiece is arranged, and that in the path one out of the beam direction last joint emerging laser beam a semi-transparent mirror to redirect the last joint in the beam direction emerging laser beam aligned to the focusing device on this and is arranged in the beam path of an observation device.

Bei dem halbdurchlässigen Spiegel kann es sich insbesondere um einen für Infrarotstrahlung des Lasers reflektierenden, aber für Licht im sichtbaren Bereich transparenten Spiegel handeln. Diese Ausbildungen und Anordnungen des Spiegels erlaubt es, den Laserbearbeitungskopf besonders kompakt aufzubauen. The semi-transparent mirror can in particular be one for infrared radiation of the laser reflecting, but for light in visible area act transparent mirror. These trainings and Arrangements of the mirror allow the laser processing head particularly compact to build.

Besonders bevorzugt ist dabei wenigstens ein lichtempfangender Teil der Beobachtungseinrichtung entgegen der Strahlrichtung eines auf die Fokussierungsrichtung gelenkten Laserstrahls hinter dem halbdurchlässigen Spiegel angeordnet. Der Strahlengang der Beobachtungseinrichtung verläuft dann im Bereich des an dem Spiegel reflektierten Laserstrahls parallel zu der des Laserstrahls, so dass der Laserstrahl sehr genau mit der Beobachtungseinrichtung führbar ist. At least one light-receiving part of the is particularly preferred Observation device counter to the beam direction on the Direction of focus directed laser beam behind the semi-transparent Arranged mirrors. The beam path of the observation device then runs in the region of the laser beam reflected on the mirror parallel to that of the laser beam so that the laser beam is very accurate with the Observation device is feasible.

Insbesondere kann der Schärfentiefenbereich der Beobachtungseinrichtung so gewählt sein, dass er innerhalb des Fokusbereichs des Laserstrahls liegt, so dass eine Fokussierung des Laserstrahls auf eine Werkstückoberfläche erfolgen kann, indem das Bild der Werkstückoberfläche im sichtbaren Bereich in der Beobachtungseinrichtung scharf eingestellt wird. Dazu kann die Fokussierungseinrichtung des Laserbearbeitungskopfes als Achromat ausgebildet sein und im sichtbaren Bereich als Objektiv für die Beobachtungseinrichtung und beispielsweise im infraroten Bereich zur Fokussierung des Laserstrahls dienen. In particular, the depth of field of the Observation device should be selected so that it is within the focus range of the Laser beam lies, so that a focusing of the laser beam on a Workpiece surface can be done by the image of the workpiece surface in focus in the visible area in the observation device becomes. For this purpose, the focusing device of the Laser processing head to be designed as an achromatic and in the visible range as Objective for the observation device and for example in the infrared Serve the area for focusing the laser beam.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: A preferred embodiment of the invention will now be given by way of example explained in more detail with reference to the drawings. Show it:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einen Laserbearbeitungskopf tragenden Knickarmroboters einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Fig. 1 is a perspective view of an articulated arm robot carrying a laser processing head of a laser processing device according to a preferred embodiment of the invention

Fig. 2 eine schematische teilweise geschnittene Draufsicht auf einen Teil des Roboterarms mit dem Laserbearbeitungskopf in Fig. 1, und Fig. 2 is a schematic partially sectioned plan view of a part of the robot arm with the laser processing head in Fig. 1, and

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht des Teils des Roboterarms in Fig. 2 von der Seite. Fig. 3 is a schematic sectional view of the part of the robot arm in Fig. 2 from the side.

In Fig. 1 weist ein Knickarmroboter 10 einer sonst nur grob schematisch gezeigten Laserbearbeitungseinrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen schwenkbaren Knickarm 12 auf, an dem eine Gelenkanordnung gehalten ist, die ein an dem Roboterarm angebrachtes Schwenkgelenk 14 sowie ein Drehgelenk 16 aufweist und einen Laserbearbeitungskopf 18 trägt. In Fig. 1, 10 comprises an articulated arm robot of a laser processing device usually only very schematically shown according to a preferred embodiment of the invention, a pivotable bending arm 12, on which a joint arrangement is held, having an attached to the robot arm pivot 14 and a pivot joint 16, and a laser processing head 18 wears.

In einem Abschnitt 20 des Roboterarms 12 ist ein Infrarot-Festkörperlaser 22 angeordnet. An infrared solid-state laser 22 is arranged in a section 20 of the robot arm 12 .

Der Knickarm weist ein Drehgelenk 24 und zwei Schwenkgelenke 26 und 28 auf, deren Achsen parallel zueinander und senkrecht zu der Drehachse des Drehgelenks 24 verlaufen. Die Gelenkanordnung mit dem Laserbearbeitungskopf 18 ist durch Bewegung um die Gelenke 24, 26 und 28 des Knickarms 12 im Raum positionierbar, wozu der Knickarmroboter 10 in den Figuren nicht gezeigte Stellmotoren aufweist. The articulated arm has a swivel joint 24 and two swivel joints 26 and 28 , the axes of which run parallel to one another and perpendicular to the axis of rotation of the swivel joint 24 . The joint arrangement with the laser processing head 18 can be positioned in space by movement around the joints 24 , 26 and 28 of the articulated arm 12 , for which purpose the articulated arm robot 10 has servomotors, not shown in the figures.

Durch die Kombination des Schwenkgelenks 14 mit dem Drehgelenk 16, dessen Drehachse senkrecht zu der Schwenkachse des Schwenkgelenks 14 verläuft, ist der Laserbearbeitungskopf 18 um zwei Gelenkfreiheitsgrade und damit in nur durch die maximale Schwenk- bzw. Drehwinkel der Gelenke 14 und 16 beschränkten, sonst aber beliebigen Richtungen im Raum orientierbar. By combining the swivel joint 14 with the swivel joint 16 , the axis of rotation of which is perpendicular to the swivel axis of the swivel joint 14 , the laser processing head 18 is limited by two joint degrees of freedom and thus only by the maximum swivel or rotation angle of the joints 14 and 16 , but otherwise can be oriented in any direction in space.

Der Rotoberarmabschnitt 20 weist, wie in Fig. 2 gezeigt, an seiner einen Seite eine Gelenkaufnahme 30 auf, die einen Teil des Schwenkgelenks 28 bildet und die Schwenkachse des anderen, in Fig. 1 nicht gezeigten Teils des Schwenkgelenks 28 aufnimmt. Um diese Schwenkachse ist der Roboterarmabschnitt 20 zusammen mit den Gelenken 14 und 16 sowie dem Laserbearbeitungskopf 18 relativ zu dem anderen Roboterarmabschnitt schwenkbar. The Rotoberarmabschnitt 20, as shown in Fig. 2, on one side thereof a joint receptacle 30 which forms a part of the pivot joint 28 and the pivot axis of the other, in Fig. Part of the swivel joint 28 is not shown 1 receives. The robot arm section 20 together with the joints 14 and 16 and the laser processing head 18 can be pivoted about this pivot axis relative to the other robot arm section.

Das Schwenkgelenk 14 ist mit seinem Gabelelement 32 an dem Roboterarmabschnitt 20 befestigt. Das Gabelelement 32 weist einen L-förmigen Kanal 34 mit kreisförmigem Querschnitt auf. Die Zylinderachse des einen Schenkels des Kanals 34 stimmt mit der Schwenkachse überein, um die das Drehgelenk 16 mit dem Laserbearbeitungskopf 18 schwenkbar ist. The swivel joint 14 is fastened to the robot arm section 20 with its fork element 32 . The fork element 32 has an L-shaped channel 34 with a circular cross section. The cylinder axis of one leg of the channel 34 coincides with the pivot axis about which the swivel joint 16 can be pivoted with the laser processing head 18 .

In einem schwenkbaren Element 36 des Schwenkgelenks 14, das gleichzeitig ein Element des Drehgelenks 16 bildet, ist ebenfalls ein L-förmiger Kanal 38 ausgebildet, dessen Querschnitt mit dem des Kanals 34 übereinstimmt und der sich direkt an den Kanal 34 anschließt, so dass bei einer beliebigen Schwenkbewegung des Schwenkgelenks 14 durch die Kanäle 34 und 38 ein durchgehender Kanal gebildet wird. In a pivotable element 36 of the swivel joint 14 , which at the same time forms an element of the swivel joint 16 , an L-shaped channel 38 is also formed, the cross section of which corresponds to that of the channel 34 and which directly adjoins the channel 34 , so that in one any pivoting movement of the swivel joint 14 through the channels 34 and 38, a continuous channel is formed.

In den Ecken der L-förmigen Kanäle sind jeweils für die Laserstrahlung reflektierende Spiegel 40 und 42 angeordnet, die durch den Kanaleingang des Kanals 34 eintretende Laserstrahlung entlang des Kanals umlenken. In the corners of the L-shaped channels, reflectors 40 and 42 are arranged for the laser radiation, which deflect laser radiation entering through the channel entrance of the channel 34 along the channel.

In dem in dem Drehgelenk 16 drehbaren Element 44 des Drehgelenks, das fest mit dem Laserbearbeitungskopf 18 verbunden ist, ist ebenfalls ein Kanal 46 ausgebildet, dessen Querschnitt dem der Kanäle 34 und 38 entspricht, womit sich insgesamt ein bei jeder Stellung der Gelenke 14 und 16 durchgehender Kanal von dem Abschnitt 20 des Roboterarms zu dem Laserbearbeitungskopf ergibt. In the rotatable in the swivel joint 16 member 44 of the swivel joint, which is fixedly connected with the laser processing head 18, is also a channel 46 is formed, whose cross-section corresponds to that of the channels 34 and 38, bringing overall at each position of the joints 14 and 16 through channel from section 20 of the robot arm to the laser processing head.

Der Laser 22 ist in einem spitzen Winkel zu der Längsachse 48 des Roboterarms angeordnet, die in Bezug auf die Gelenkaufnahme 30 und das Schwenkgelenk 14 definiert ist. The laser 22 is arranged at an acute angle to the longitudinal axis 48 of the robot arm, which is defined in relation to the joint receptacle 30 and the swivel joint 14 .

In Strahlrichtung vor dem Laser 22 ist ein Teleskop 50 angeordnet. das den Strahldurchmesser eines aus dem Laser 22 austretenden Laserstrahls auf einem größeren Strahldurchmesser aufweitet. A telescope 50 is arranged in front of the laser 22 in the beam direction. that expands the beam diameter of a laser beam emerging from the laser 22 to a larger beam diameter.

Der aufgeweitete Strahl tritt aufgrund der Neigung des Lasers gegen die Längsachse 48 versetzt gegen die Längsachse 48 des Roboterarmabschnitts 20 in den Kanal 34 des Schwenkgelenks 14 ein. Due to the inclination of the laser against the longitudinal axis 48 , the expanded beam enters the channel 34 of the swivel joint 14 offset against the longitudinal axis 48 of the robot arm section 20 .

Der Laserbearbeitungskopf 18, der dazu dient, einen ihm zugeführten Laserstrahl als fokussierten Laserstrahl 56 auf ein Werkstück zu lenken, weist dazu einen halbdurchlässigen Spiegel 52 auf, der gegen die Strahlrichtung eines aus dem Kanal 46 in den Laserbearbeitungskopf 18 eintretenden wie auch die eines austretenden Laserstrahlstrahls um 45° geneigt ist. Der halbdurchlässige Spiegel 52 ist für infrarotes Licht des Lasers reflektierend und für sichtbares Licht transparent. For this purpose, the laser processing head 18 , which serves to direct a laser beam supplied to it as a focused laser beam 56 onto a workpiece, has a semi-transparent mirror 52 , which is directed against the beam direction of a laser beam beam entering and exiting the laser processing head 18 from the channel 46 is inclined by 45 °. The semi-transparent mirror 52 is reflective for infrared light from the laser and transparent for visible light.

Weiter umfasst der Laserbearbeitungskopf 18 ein achromatisches Objektiv 54 zur Fokussierung des Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück. The laser processing head 18 further comprises an achromatic objective 54 for focusing the laser beam on a workpiece to be processed.

Weiterhin ist in dem Laserbearbeitungskopf 18 als Beobachtungseinrichtung ein Stereomikroskop 58 ausgebildet, das durch ein Kopfteil 60 mit zwei Okularen 62 und 62' und das achromatische Objektiv 54 gebildet ist. Das achromatische Objektiv 54 ist so ausgelegt, dass es die infrarote Laserstrahlung auf ein Werkstück fokussiert und gleichzeitig im sichtbaren Bereich als Objektiv für das Stereomikroskop 58 dient. Furthermore, a stereomicroscope 58 is formed in the laser processing head 18 as an observation device, which is formed by a head part 60 with two eyepieces 62 and 62 'and the achromatic objective 54 . The achromatic objective 54 is designed such that it focuses the infrared laser radiation on a workpiece and at the same time serves as an objective for the stereomicroscope 58 in the visible range.

Von einem zu bearbeitenden Werkstückbereich ausgehendes Licht, in Fig. 2 durch weit gepunktete Linien angedeutet, tritt in das optische System 54 ein, und wird dort durch den halbdurchlässigen Spiegel 52 und das Kopfteil 60 in die Okulare 62 und 62' geführt. Der Strahlengang verläuft daher zwischen Werkstückbereich und dem halbdurchlässigen Spiegel 52im Wesentlichen parallel zu der Richtung des Laserstrahls, so dass eine gute Führung des Strahls auf dem Werkstück mittels des Stereomikroskops 58 möglich ist. Light emanating from a workpiece area to be machined, indicated by dotted lines in FIG. 2, enters the optical system 54 and is guided there through the semi-transparent mirror 52 and the head part 60 into the eyepieces 62 and 62 '. The beam path between the workpiece area and the semi-transparent mirror 52 therefore runs essentially parallel to the direction of the laser beam, so that the beam can be guided well on the workpiece by means of the stereomicroscope 58 .

Ein Strahlführungssystem für den aufgeweiteten Laserstrahl wird durch die drei Spiegel 40, 42 und 52 gebildet. A beam guidance system for the expanded laser beam is formed by the three mirrors 40 , 42 and 52 .

Ein von dem Laser abgegebener, von dem Teleskop 50 aufgeweiteter Laserstrahl, in Fig. 2 und 3 durch gepunktete Linien dargestellt, wird von dem Spiegel 40 in eine Richtung entlang der Schwenkachse des Schwenkgelenks 14 umgelenkt, wo er auf den Spiegel 42 trifft, der den Laserstrahl in eine Richtung entlang der Drehachse des Drehgelenks 16 reflektiert. Durch diese Anordnung der Spiegel 40 und 42 wird eine Führung des Laserstrahls bei beliebigen Orientierung des Laserbearbeitungskopfs 18 sichergestellt. A laser beam emitted by the laser, widened by the telescope 50 , represented by dotted lines in FIGS. 2 and 3, is deflected by the mirror 40 in a direction along the pivot axis of the swivel joint 14 , where it strikes the mirror 42 which meets the Laser beam reflected in a direction along the axis of rotation of the pivot joint 16 . This arrangement of the mirrors 40 and 42 ensures that the laser beam is guided with any orientation of the laser processing head 18 .

Der aus dem Kanal 46 des Drehgelenks austretende Laserstrahl wird dann an dem halbdurchlässigen Spiegel 52 reflektiert und von dem optischen System 54 fokussiert. The laser beam emerging from the channel 46 of the swivel joint is then reflected on the semitransparent mirror 52 and focused by the optical system 54 .

Die Laserbearbeitungseinrichtung gewährleistet daher eine hohe Strahlqualität und gleichzeitig einen sehr kompakten Aufbau, da außerhalb des Roboterarms keine Komponenten des Lasersystems sichtbar sind. Bezugszeichenliste 10 Knickarmroboter
12 Knickarm
14 Schwenkgelenk
16 Drehgelenk
18 Laserbearbeitungskopf
20 Roboterarmabschnitt
22 Laser
24 Drehgelenk
26 Schwenkgelenk
28 Schwenkgelenk
30 Gelenkaufnahme
32 Gabelelement
34 Kanal
36 schwenkbares Element
38 Kanal
40 Spiegel
42 Spiegel
44 drehbares Element
46 Kanal
48 Längsachse
50 Teleskop
52 halbdurchlässiger Spiegel
54 achromatisches Objektiv
56 fokussierter Laserstrahl
58 Stereomikroskop
60 Kopfteil
62, 62' Okular
The laser processing device therefore ensures a high beam quality and at the same time a very compact structure, since no components of the laser system are visible outside the robot arm. Reference list 10 articulated arm robots
12 articulated arm
14 swivel joint
16 swivel
18 laser processing head
20 robot arm section
22 lasers
24 swivel
26 swivel joint
28 swivel joint
30 joint admission
32 fork element
34 channel
36 swiveling element
38 channel
40 mirrors
42 mirrors
44 rotatable element
46 channel
48 longitudinal axis
50 telescope
52 semi-transparent mirror
54 achromatic lens
56 focused laser beam
58 Stereo microscope
60 headboard
62 , 62 'eyepiece

Claims

1. Laser processing device with
a robot arm ( 12 ) which has a joint arrangement ( 14 , 16 ) with at least two degrees of joint freedom, a laser processing head ( 18 ) held by the robot arm ( 12 ),
a laser ( 22 ) arranged in a section ( 20 ) of the robot arm ( 12 ) to which the joint arrangement ( 14 , 16 ) is fastened, and a beam guidance system which at least one element ( 40 , 42 , reflecting radiation from the laser ( 22 ), 52 ) and can be steered into the laser processing head ( 18 ) with the radiation from the laser ( 22 ).

2. Laser processing device according to claim 1, characterized in that the laser processing head ( 18 ) is held by the joint arrangement ( 14 , 16 ).

3. Laser machining apparatus as claimed in claim 1 or 2, that the joint arrangement (14, 16) comprises a rotary and a pivot joint (14, 16) which are connected together.

4. Laser processing device according to one of the preceding claims, characterized in that
that the swivel and / or swivel joint ( 14 , 16 ) has a channel ( 34 , 38 ) which is at least partially formed along the geometric swivel or rotation axis, and
that the beam guidance system has a system of mirrors ( 40 , 42 , 52 ),
at least individual mirrors ( 40 , 42 , 52 ) are arranged in such a way that radiation from the laser ( 22 ) can be directed through the channel ( 34 , 38 ) to the laser processing head ( 18 ).

5. Laser processing device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam guidance system has at most three mirrors ( 40 , 42 , 52 ).

6. Laser processing device according to one of claims 2 to 5, characterized in
that the swivel joint ( 14 ) is fastened to the section ( 20 ) of the robot arm ( 12 ) in which the laser ( 22 ) is arranged, and
that the laser ( 22 ) is arranged in such a way that a laser beam emitted by it enters a channel ( 34 ) formed in the swivel joint ( 14 ) for beam guidance in a position offset relative to the longitudinal axis of the section ( 20 ) of the robot arm ( 12 ).

7. Laser processing apparatus according to claim 6, characterized in that the beam direction of the laser ( 22 ) forms an acute angle with the longitudinal axis ( 48 ) of the section ( 20 ) of the robot arm ( 12 ).

8. Laser processing device according to one of the preceding claims, characterized in that an optical device ( 50 ) for expanding the laser beam is arranged in the section ( 20 ) of the robot arm ( 12 ) between the laser ( 22 ) and the joint arrangement ( 14 , 16 ) ,

9. Laser processing device according to one of claims 4 to 8, characterized in
that an observation device ( 58 ) is provided for observing an area to be processed,
that a focusing device ( 54 ) for focusing a laser beam onto a workpiece is arranged in the laser processing head ( 18 ), and
that in the path of a laser beam emerging from the last joint ( 16 ) in the beam direction, a semitransparent mirror ( 52 ) for deflecting the laser beam emerging from the last joint ( 16 ) in the beam direction onto the focusing device ( 54 ) and aligned in the beam path of the observation device ( 58 ) is arranged.

10. Laser processing device according to claim 9, characterized in that
that at least one light-receiving part ( 54 ) of the observation device ( 58 ) for observing an area to be processed is arranged behind the semitransparent mirror ( 52 ) against the beam direction of a laser beam directed onto the focusing direction ( 54 ).