DE102004002590A1 - Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Laserschweißen von Blechen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, bei der die Flexibilität der Positionierung eines Bearbeitungskopfes verbessert ist. Die Erfindung besteht darin, dass bei einer Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, mit einem an einem Arm befestigten Bearbeitungskopf, mit einem Antrieb zur Bewegung des Armes im Raume, mit einem am Bearbeitungskopf befestigten Werkzeug, welches in einem Arbeitsbereich auf die Werkstücke gerichtet ist, mit Mitteln zum Ändern der Richtungseinstellung des Werkzeugs relativ zu den Werkstücken, mit einem am Arm befestigten Spannkopf mit einem Spannwerkzeug zum Fixieren einer gewünschten Lage der Werkstücke relativ zueinander vor dem Bearbeiten in der Umgebung der Bearbeitungsstelle, wobei das Spannwerkzeug relativ zum Bearbeitungskopf beweglich ist, mit einem Betätigungsglied für das Spannwerkzeug und mit einer Programmsteuerung für die Bewegung des Armes, die Richtungseinstellung und das Aktivieren des Werkzeuges und die Bewegung und das Betätigen des Spannwerkzeuges, bei auf die Werkstücke (6, 7) aufgesetztem Spannwerkzeug (8) der Arm (16) in mindestens zwei Freiheitsgraden relativ zum Spannwerkzeug (8) positionierbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Beim Laserschweißen im Rohbau von Karosserien wird ein Schweißkopf mit Hilfe eines Roboters entlang zu verbindender Bauteile geführt. Beim Aktivieren und Fokussieren eines Lasers entstehen zwischen den Bauteilen punkt- oder linienförmige Verbindungen. Im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen bestehen höhere Anforderungen an die Spanntechnik für die Bauteile. Während beim Widerstandsschweißen die Werkstücke durch eine Schweißzange selbst gespannt werden, sind beim Laserschweißen eine größere Anzahl von Spannpunkten erforderlich. Weil beim Laserschweißen der verwendbare Fokusabstand des Lasers beschränkt ist, müssen die Bauteile lagegenau und reproduzierbar zueinander gespannt werden. Insbesondere beim Laserschweißen beschichteter Bauteile müssen eng tolerierte Spaltmaße zwischen den Bauteilen eingehalten werden.
• Um beim Laserschweißen die Flexibilität bei der Positionierung des Laserfokus relativ zu Werkstücken und bei der Formgebung der Schweißnaht zu verbessern, kommen so genannte Laserscannersysteme zum Einsatz. Ein mit einem Laserscanner ausgerüsteter Schweißkopf ermöglicht es, einen Laserstrahl unabhängig von der vergleichsweise trägen Bewegung eines Roboterarmes in einem bestimmten Arbeitsfeld frei zu positionieren. Damit sind die Bewegung des Roboters und die Positionierung des Laserstrahls in Grenzen voneinander entkoppelt. Durch die freie Positionierbarkeit des Laserstrahls im Arbeitsfeld steigen die Anforderungen an ein Spannsystem für die Werkstücke im Vergleich zu Schweißköpfen ohne Laserscanner.
• Bei herkömmlichen Schweißvorrichtungen werden die zu verbindenden Werkstücke vor dem Schweißen in einer Spannvorrichtung aufgenommen, zueinander positioniert und fixiert. Sollen die Werkstücke durch Laserschweißen verbunden werden, sind eine Vielzahl von Spannelementen vorzusehen. Aufgrund des begrenzten Bauraumes können die Spannelemente nicht in erforderlich geringem Abstand zueinander angeordnet werden. Zudem muss berücksichtigt werden, dass ein Laserstrahl nicht durch ein Spannelement abgeschattet wird. Eine Vielzahl von Spannstellen führt zu einer starken Überbestimmung bei den Spannkräften. Derartige Spannvorrichtungen sind material- und kostenaufwendig.
• Es sind weiterhin Schweißvorrichtungen bekannt, die mit wenigen Spannelementen die zu verbindenden Werkstücke grob zueinander fixieren und die mit einem gesonderten Spannelement in der Umgebung des Fügepunktes die Werkstücke feinpositionieren. Das zusätzliche Spannelement wird gemeinsam mit dem Schweißkopf positioniert, d.h., Schweißkopf und Spannelement haben eine feste Lagebeziehung zueinander. Bei diesen Schweißvorrichtungen besteht das Problem, dass das Spannelement einer hohen Fügegeschwindigkeit beim Laserschweißen nicht folgen kann. Aus diesem Grund werden derartige Schweißvorrichtungen bevorzugt an geometrisch einfachen Fügestellen, wie zum Beispiel im Dachbereich einer Karosserie, eingesetzt.
• In der DE 102 03 467 A1 ist eine Vorrichtung zum Laserschweißen von Blechen beschrieben, bei der neben einer Laserschweißvorrichtung eine durch Druckmittel beaufschlagbare Spannzange vorgesehen ist. Die Aufnahmen der Spannzange und der Laserschweißvorrichtung sind an einem Roboterarm relativ zueinander unbeweglich angeordnet. In einer besonderen Ausführungsform ist die Spannzange mit einer Verfahreinheit relativ zur Laserschweißvorrichtung in einer Geradführung bewegbar. Dadurch ist es möglich, mangels eines Laserscannersystems die vorgespannten Bleche relativ zur Laserschweißvorrichtung zu bewegen, und so die Schweißnahtlänge und -ausbildung zu variieren. Die Werkstücke mit der Spannzange relativ zur Laserschweißvorrichtung zu bewegen, bedingt zusätzlichen Aufwand zur Führung der Bleche. Weiterhin besteht die Gefahr, dass bei der Positionierung der Bleche deren relative Lage zueinander unerwünscht verändert wird.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken zu entwickeln, bei der die Flexibilität der Positionierung eines Bearbeitungskopfes verbessert ist.
• Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Unter Bearbeiten im Sinne der Erfindung sollen insbesondere Verfahren der Fügetechnik, wie Schweißen oder Kleben, Verfahren der Oberflächenbehandlung, wie Beschichten oder Auftragen, und Fertigungsverfahren, wie Schneiden oder Wärmebehandeln, verstanden werden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung beim scannerbasierten Laserschweißen von Karosserieblechen anwendbar.
• Gemäß der Erfindung soll ein Spannwerkzeug, welches mindestens ein Werkstück in Spannposition hält, in mindestens zwei Freiheitsgraden relativ zu einem Arm eines Roboters beweglich sein, an dem ein Bearbeitungskopf und das Spannwerkzeug angeordnet sind. Damit kann ein mitlaufendes Spannsystem realisiert werden, bei dem ein Spannpunkt nicht ortsfest zum Befestigungsflansch am Roboter ist, sondern mit dem Bearbeitungskopf flexibel in mehreren Freiheitsgraden positionierbar ist. Dadurch, dass das am Roboterarm montierte Spannwerkzeug mit zusätzlichen Freiheitsgraden ausgestattet ist, ist das Spannwerkzeug unabhängig von der überlagerten Roboterbewegung im Arbeitsraum des Bearbeitungskopfes positionierbar. Damit wird es möglich, ein Spannwerkzeug mit hoher Geschwindigkeit an einer beliebigen Stelle im Arbeitsraum des Bearbeitungskopfes zu bringen. Weiterhin wird die Bewegung des Roboters unter geeigneten Randbedingungen so kompensiert, dass sich das Spannwerkzeug gegenüber dem Werkstück zumindest kurzzeitig in relativer Ruhelage befindet, wobei in dieser Phase der Spannvorgang unter kontrollierten Bedingungen ausgeführt wird.
• Bei Verwendung der Erfindung beim Laserschweißen mit einem Laserscanner kann sowohl die relative Lage eines Spannwerkzeuges zu einem Laserstrahl als auch die relative Lage von Spannwerkzeug und Laserstrahl zur Bewegung des Roboterarms kontrolliert werden. Das hat den Vorteil, dass der Roboter mit seiner relativ großen Masse bei tastenden Spannwerkzeugen nicht in jedem Schweißpunkt gestoppt und wieder gestartet werden muss, um das Spannwerkzeug in relativer Ruhe zu den Werkstücken zum Einsatz bringen zu können.
• Für diese Form der mitlaufenden Spanntechnik sind eine Reihe von Ausprägungsvarianten möglich, die im Folgenden näher erläutert werden.
• Die Bewegungskompensation zwischen Roboterarm und Spannwerkzeug kann in zwei oder mehr Freiheitsgraden erfolgen. Diese können als rotatorische oder translatorische Freiheitsgrade ausgelegt sein. Für eine vollständige Bewegungskompensation wird eine Bewegungsrestriktion des Roboters in den nichtkompensierbaren Freiheitsgraden und ein steuerungstechnischer Abgleich der Bewegung des Roboters vorgenommen.
• Die zur Bewegungskompensation und zum Aufbringen der Spannkräfte verwendeten Komponenten können aktiv, z.B. mit Hilfe von elektromechanischen, pneumatischen, hydraulischen oder ähnlichen Antriebsmitteln, realisiert werden. Beim Steuern der Roboterbewegung kann bei Bedarf eine Vorsteuerung vorgesehen werden, um einem Aufschwingen der Gesamtanordnung regelungstechnisch vorzubeugen.
• Weiterhin kann die Bewegungskompensation passiv erfolgen. In diesem Fall überfährt der Roboter mit einem in Ruheposition befindlichen Spannwerkzeug einen Spannpunkt an, wobei beim Erreichen des Spannpunktes das Spannwerkzeug aktiviert wird, so dass zwischen den Werkstücken Spannkräfte bestehen. Das Spannwerkzeug besitzt in Bezug zum Flansch am Roboterarm eine freie Beweglichkeit in mindestens einem Freiheitsgrad und bleibt in relativer Ruhe zum Spannpunkt während sich der Roboterarm kontinuierlich weiterbewegt. Das Spannwerkzeug kann z.B. auf einen federbelasteten Schwimmschlitten angeordnet sein. Während sich der Roboterarm weiterbewegt, erfolgt der eigentliche Bearbeitungsvorgang mit dem Bearbeitungskopf. Beim Aufheben des Kraftschlusses bewegt sich das Spannwerkzeug, z.B. über Federkräfte, in eine Ausgangsposition zurück, und der Zyklus kann erneut beginnen.
• Das Spannwerkzeug kann einseitig oder zweiseitig auf die Werkstücke wirken. Ein Spannwerkzeug kann als Spannfinger, Spanngabel, Andruckrolle, Rollenpaar, Doppelfinger, Doppelgabel, Doppelrolle oder Doppelrollenpaar ausgebildet sein. Insbesondere bei der Verwendung von Rollen muss nicht zwingend eine vollständige Bewegungskompensation vorgenommen werden. Es ist insbesondere auch möglich, eine Teilkompensation der Bewegung des Roboters mit dem Ziel durchzuführen, den Spannpunkt in relativer Nähe zum aktuellen Bearbeitungspunkt zu halten. Bei Verwendung von Rollen kann darüber hinaus der Kontakt zu den Werkstücken durchgängig aufrecht erhalten bleiben, ohne ständig Spannkräfte auf die Werkstücke auszuüben. Der Aufbau der eigentlichen Spannkräfte ist nur temporär erforderlich.
• Die Flexibilität einer Schweißvorrichtung kann noch verbessert werden, wenn das Spannwerkzeug optional auch als Widerstandspunktschweißzange betrieben wird.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, es zeigen:
• 1: ein Schema einer Schweißvorrichtung mit einem mitlaufenden Spannkopf,
• 2: ein Schema eines in zwei Freiheitsgraden steuerbaren Laserspiegels, und
• 3: ein Schema einer Fokuseinstellung eines Laserstrahls.
• In 1 ist eine Laserschweißvorrichtung dargestellt. Die Laserschweißvorrichtung umfasst einen Laserkopf 1 mit einer Laserlichtquelle 2, einem beweglichen Umlenkspiegel 3 und einem Fokussystem 4. Die fokussierten Laserstrahlen 5 sind auf Karosserieteile 6, 7 gerichtet, die mit einer Spannzange 8 zusammengehalten sind. Ein Noppen 9 hält die Karosserieteile 6, 7 auf Distanz. Die Wärmewirkung der Laserstrahlen 5 erzeugt eine Schweißnaht 10, die die Teile 6, 7 verbindet. Die Spannzange 8 besteht aus zwei Spannbacken 11, 12, wobei der Spannbacken 11 mit einem Getriebe 13 und einem Motor 14 in Richtung des zweiten Spannbackens 12 beweglich ist. Der Laserkopf 1 ist an einem Flansch 15 eines Roboterarms 16 befestigt. Zwischen der Spannzange 8 und dem Flansch 15 ist eine mehrgelenkige Mechanik 17 angeordnet. Diese Mechanik 17 ermöglicht es, dass, während die Spannzange 8 die Teile 6, 7 zusammenhält, der Flansch 15 mit dem Laserkopf 1 fortbewegt werden kann. In 1 ist eine zweite Position des Flansches 15 in gestrichelter Form dargestellt. Drei Gelenke 18–20 der Mechanik 17 verbinden den Flansch 15 und die Spannzange 8, so dass der Flansch 15 und die Spannzange 8 in mehreren Freiheitsgraden zueinander beweglich sind.
• Die Ausführung der Mechanik 17 ist hier nur schematisch dargestellt. Die Ausführung der Mechanik 17 ist der Art des Roboters angepasst. Die Mechanik 17 kann mit passiven Bauelementen, wie Führungen und Federn, ausgeführt sein. Ebenso kann die Mechanik 17 aktive, steuerbare Komponenten, wie Schrittmotoren oder Linearmotoren, umfassen.
• Neben dem Roboterarm 16 umfasst der Roboter einen weiteren Arm 21 und eine Säule 22, die durch Drehgelenke 23–25 miteinander verbunden sind. An jedem Drehgelenk 23–25 befindet sich ein Motor 26–28 und ein Drehgeber 29–31. Zur Steuerung der Bewegung der Säule 22, der Arme 21, 16, des Spannbackens 11, des Umlenkspiegels 3 und des Fokussystems 4 sind die Motoren 28, 27, 26, 14, und die Stellantriebe des Umlenkspiegels 3 und des Fokussystems 4 mit einer Steuereinrichtung 32 verbunden. Ebenso steht der Laserkopf 1 zur Aktivierung der Laserlichtquelle 2 mit der Steuereinrichtung 32 in Verbindung.
• Der Laserkopf 1 beinhaltet ein Scannersystem zur Ablenkung des Laserstrahls 5 in einer Arbeitsebene. Hierzu ist, wie in 2 näher gezeigt, der Umlenkspiegel 3 mit zwei separat ansteuerbaren Motoren 33, 34 um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen 35, 36 schwenkbar. Das Fokussystem 4 enthält mindestens eine Linse 37, die in einer Führung 38 mit einem Motor 39 in Richtung der optischen Achse 40 der Laserstrahlen 5 verschiebbar ist, was in 3 näher gezeigt ist.
• Aus den Signalen der Drehgeber 23–25 ergeben sich die Winkelpositionen der Säule 22 und der Arme 21, 16 in einem Basiskoordinatensystem x, y, z. Mittels eines Programms in der Steuereinrichtung 32 wird die Position des Fokuspunktes der Laserstrahlen 5 auf dem Teil 6 und die Position eines Spannpunktes der Spannzange 8 errechnet, angesteuert und gegebenenfalls korrigiert. Dabei wird berücksichtigt, dass der Spannpunkt während der Bewegung des Flansches 15 kurzzeitig erhalten bleibt. Die Spannzange 8 befindet sich während dieser Zeit in einer relativen Ruhelage zu den ortsfesten Karosserieteilen 6, 7.

1

Laserkopf

2

Laserlichtquelle

3

Umlenkspiegel

4

Fokussystem

5

Laserstrahl

6, 7

Karosserieteil

8

Spannzange

9

Noppen

10

Schweißnaht

11, 12

Spannbacken

13

Getriebe

14

Motor

15

Flansch

16

Roboterarm

17

Mechanik

18–20

Gelenk

21

Arm

22

Säule

23–25

Drehgelenk

26–28

Motor

29–31

Drehgeber

32

Steuereinrichtung

33, 34

Motor

35, 36

Achse

37

Linse

38

Führung

39

Motor

40

Achse

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, mit einem an einem Arm befestigten Bearbeitungskopf, mit einem Antrieb zur Bewegung des Armes im Raume, mit einem am Bearbeitungskopf befestigten Werkzeug, welches in einem Arbeitsbereich auf die Werkstücke gerichtet ist, mit Mitteln zum Ändern der Richtungseinstellung des Werkzeugs relativ zu den Werkstücken, mit einem am Arm befestigten Spannkopf mit einem Spannwerkzeug zum Fixieren einer gewünschten Lage der Werkstücke relativ zueinander vor dem Bearbeiten in der Umgebung der Bearbeitungsstelle, wobei das Spannwerkzeug relativ zum Bearbeitungskopf beweglich ist, mit einem Betätigungsglied für das Spannwerkzeug, mit einer Programmsteuerung für die Bewegung des Armes, die Richtungseinstellung und das Aktivieren des Werkzeuges und die Bewegung und das Betätigen des Spannwerkzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass bei auf die Werkstücke (6, 7) aufgesetztem Spannwerkzeug (8) der Arm (16) in mindestens zwei Freiheitsgraden relativ zum Spannwerkzeug (8) positionierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Relativbewegung des Armes (16) zum Spannwerkzeug (8) ein aktives Stellelement vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromechanisch oder pneumatisch oder hydraulisch betätigtes Stellelement vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerung (32) ein Programm zur Vorsteuerung der Roboterbewegung vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Relativbewegung des Armes (16) zum Spannwerkzeug (8) ein passives Stellelement vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Spannwerkzeug (8) und dem Arm (16) eine Rückstellfeder vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannwerkzeug (8) auf einen federbelasteten Schlitten angeordnet ist
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannwerkzeug (8) mit einer Vorrichtung zum Widerstandsschweißen baulich vereinigt ist.