DE102004009882A1

DE102004009882A1 - Machining robot has a machining laser, lens arrangement for focusing a machining laser beam and a turning device generally useful for laser machining

Info

Publication number: DE102004009882A1
Application number: DE102004009882A
Authority: DE
Inventors: Stefan Maier; Thomas Wechs
Original assignee: ROBOT TECHNOLOGY GmbH; ROBOT-TECHNOLOGY GmbH
Current assignee: ROBOT TECHNOLOGY GmbH; ROBOT-TECHNOLOGY GmbH
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-22

Abstract

Machining robot has a machining laser (1), and a lens arrangement (4) for focusing a machining laser beam (5) between the penultimate (19) and last (2) head axes. The last head axis (2) includes a laser nozzle (7) for the laser outlet. The effective focal length (9) of the lens selected so that the radiation cross-section (11) at the last turning surface (12) of the turning device (6) in front of the laser nozzle (7) is more than 20% of the incident radiation cross-section (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungsroboter mit einem Bearbeitungslaser und mit einer Kopfachse, die zumindest eine einen Bearbeitungsfokus erzeugende Linsenanordnung zur Fokussierung eines Bearbeitungslaserstrahls aufweist, mit einer Umlenkeinrichtung für den Bearbeitungslaserstrahl zwischen einer vorletzten und einer letzten Kopfachse, wobei die letzte Kopfachse als Laserstrahlausgang eine Laserdüse aufweist.The The invention relates to a processing robot with a processing laser and with a head axis that has at least one processing focus generating lens arrangement for focusing a processing laser beam comprising, with a deflection device for the processing laser beam between a penultimate and a last Kopfachse, wherein the Last Kopfachse as a laser beam output has a laser nozzle.

Bekannt sind Bearbeitungsroboter mit Bearbeitungslasern, wobei die Laserstrahlen durch komplexe, große Linsenanordnungen in einer letzten Kopfachse zu einer Laserdüse hin zur Bearbeitung eines Werkstücks kollimiert werden.Known are processing robots with processing lasers, where the laser beams through complex, big Lens arrangements in a last Kopfachse to a laser nozzle towards the Machining a workpiece be collimated.

Nachteilig ist, dass diese Linsenanordnungen sehr aufwendig aufgebaut sind und viel Raum in der letzten Kopfachse einnehmen. Dies führt zudem dazu, dass die letzte Kopfachse einen großen Durchmesser aufweist und somit unhandlich wird und die Flexibilität des Roboters einschränkt.adversely is that these lens arrays are very complicated and occupy a lot of space in the last Kopfachse. This also leads to that the last Kopfachse has a large diameter and thus becomes unwieldy and limits the flexibility of the robot.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bearbeitungsroboter mit einem Bearbeitungslaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der verringerte Störkonturen unter Gewährleistung einer guten Kollimierung des Laserstrahls aufweist.task The present invention is a machining robot with to provide a processing laser according to the preamble of claim 1, the reduced interference contours under warranty has a good collimation of the laser beam.

Die Aufgabe wird durch einen Bearbeitungsroboter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Linsenanordnung in Strahlrichtung gesehen vor der Umlenkeinrichtung angeordnet ist, an die sich die Laserdüse anschließt, und wobei die effektive Brennweite der Linsenanordnung unter Berücksichtigung des Einfall-Strahl querschnitts auf die Linsenanordnung derart ausgewählt ist, dass der Strahlquerschnitt an einer letzten Umlenkfläche der Umlenkeinrichtung vor der Laserdüse größer als etwa 20% des Einfall-Strahlquerschnitts ist.The Task becomes by a processing robot after the generic term of claim 1 solved, wherein the lens arrangement seen in the beam direction in front of the deflecting device is arranged, which adjoins the laser nozzle, and wherein the effective Focal length of the lens arrangement taking into account the incident beam cross section is selected on the lens arrangement such that the beam cross section on a last deflection surface the deflection device in front of the laser nozzle greater than about 20% of the incident beam cross section is.

Die Linsenanordnung ist somit wesentlich weiter vorne im Laserstrahlengang, nämlich vor der Umlenkeinrichtung, angeordnet. Die Umlenkeinrichtung sorgt für die Umlenkung des Laserstrahls zwischen zwei aneinanderangrenzenden Achsen, insbesondere der letzten und vorletzten Kopfachse vor einem Austritt des Laserstrahls durch eine Laserdüse aus dem Bearbeitungsroboter. Die in der Kopfachse untergebrachte Linsenanordnung ist somit in eine neue, platzsparende Position gebracht. Die Linsenanordnung befindet sich nicht mehr im Bereich der Laserdüse sondern ist in einer weiter vorne angesetzten Kopfachse eingesetzt. Hierdurch kann die eigentliche, letzte Kopfachse wesentlich schmaler gestaltet werden. Ein erfindungsgemäßer Bearbeitungsroboter kann dann eine etwa faustgroße Kopfachse aufweisen. Zudem kann eine lange Brennweite der Linsenanordnung gewählt werden, die vorzugsweise so fokussiert, dass am Austritt der Laserdüse ein sehr kleiner Kollimationsbereich, ein nahezu punktförmiger Laserdurchmesser erreicht ist.The Lens arrangement is thus much further forward in the laser beam path, namely before the deflection, arranged. The deflection ensures for the Deflection of the laser beam between two adjoining ones Axes, especially the last and penultimate head axis in front of a Exit of the laser beam through a laser nozzle from the processing robot. The accommodated in the head axis lens assembly is thus in brought a new, space-saving position. The lens arrangement is no longer in the area of the laser nozzle but is in one inserted front axle inserted. As a result, the actual, Last Kopfachse be made much narrower. An inventive processing robot can then be about the size of a fist Have Kopfachse. In addition, a long focal length of the lens assembly chosen are preferably focused so that at the exit of the laser nozzle a very small Collimation, a nearly punctiform laser diameter reached is.

Die Umlenkanordnung ist aus einer oder mehreren Umlenkflächen für die Umlenkung des Laserstrahls aufgebaut. Die effektive Brennweite der Linsenanordnung, die sich zusammensetzt aus den jeweiligen Brennweiten und Eigenschaften der Komponenten der Linsenanordnung, wobei die Linsenanordnung auch aus einer einzelnen Linse bestehen kann, lenkt einen konvergierenden Strahl auf die Umlenkeinrichtung. Der auf die Linsenanordnung einfallende Laserstrahl ist bezüglich des Strahlquerschnitts und damit der Leistungsdichte auf die Eigenschaften der Linsenanordnung und insbesondere der Belastungsfähigkeit einer ersten Linsenfläche abgestimmt. Zur Gewährleistung eines sicheren, dauerhaften Betriebs der Umlenkeinrichtung wird der Durchmesser des auf die Umlenkflächen der Umlenkeinrichtung geleiteten Laserstrahls auf die Eigenschaften der Umlenkeinrichtung abgestimmt. Der Strahlquerschnitt wird lediglich so weit verringert, dass die Umlenkfläche nicht beschädigt wird, insbesondere also der Strahlquerschnitt auf der letzten Umlenkfläche größer als etwa 20% des Einfall-Strahlquerschnitts auf die Linsenanordnung ist. Je nach Material der Umlenkanordnung kann aber auch ein kleinerer Querschnitt, insbesondere 10% und kleiner, möglich sein.The Deflection arrangement is made of one or more deflection surfaces for the deflection built up of the laser beam. The effective focal length of the lens arrangement, which is composed of the respective focal lengths and properties the components of the lens assembly, wherein the lens assembly also can consist of a single lens, directs a converging Beam on the deflector. The incident on the lens assembly Laser beam is re the beam cross-section and thus the power density on the properties the lens arrangement and in particular the load capacity a first lens surface Voted. To guarantee a safe, permanent operation of the deflection is the diameter of the deflection of the deflection guided laser beam on the properties of the deflection Voted. The beam cross-section is only reduced so far that the deflection surface not damaged is, in particular so the beam cross section on the last deflection larger than about 20% of the incident beam cross section on the lens array is. Depending on the material of the deflection but can also be a smaller Cross section, in particular 10% and smaller, may be possible.

Somit kann der Kopf des Bearbeitungsroboters sowohl im Bereich der vorletzten Kopfachse, insbesondere der vierten Achse, als auch der letzten Kopfachse, insbesondere der fünften Achse, und der Laserdüse wesentlich kleiner gebaut werden, wodurch geringere Störkonturen im Bereich der Bauteile erreicht werden. Durch eine kürzere Laserdüse wird die Handlänge des Bearbeitungsroboters, d.h. der Mittelpunkt der vierten Achse bis zum Laserdüsenaustritt verkürzt erden. Hierdurch ist eine schnellere Umorientierung sowie ein exakteres Bahnverhalten des Bearbeitungsroboters möglich.Consequently the head of the machining robot can be both in the area of penultimate Kopfachse, in particular the fourth axis, as well as the last Kopfachse, especially the fifth Axis, and the laser nozzle be built much smaller, resulting in less interference contours be achieved in the field of components. By a shorter laser nozzle is the hand length of the processing robot, i. the center of the fourth axis until the laser nozzle exit shortened earth. This is a faster reorientation and a more precise Path behavior of the processing robot possible.

Wenn der Ort der Linsenanordnung vor der Umlenkeinrichtung und deren Brennweite so gewählt ist, dass der Bearbeitungsfokus annähernd am Ende der Laserdüse entsteht, können Werkstückoberflächen sehr nah an die Laserdüse herangeführt und dort sehr exakt und mit einer hohen Leistungsdichte bearbeitet werden. Dies ist insbesondere für Laserschweißen oder -schneiden wichtig.If the location of the lens assembly in front of the deflection and their Focal length is chosen so that the machining focus approximates at the end of the laser nozzle arises, can Workpiece surfaces very close to the laser nozzle brought and processed there very precisely and with a high power density become. This is especially for laser welding or cutting important.

Ein einfacher Aufbau liegt vor, wenn die Linsenanordnung im wesentlichen eine fokussierende Linse aufweist. Die Brennweite der Linse entspricht dann der effektiven Brennweite der Linsenanordnung. Der einfache Aufbau ermöglicht eine leichte und kostengünstige Montage. Zudem ist eine einfache Justage der Vorrichtung möglich. Die Linse liegt bei der Einrichtung des Bearbeitungsroboters vor den Spiegeln. Somit wird der Strahl mit einem durch die Fokussierung bereits kleineren Durchmesser auf die Spiegel gelenkt. Die Spiegel sind somit einfacher einzurichten, da insbesondere eine geringere Verstellung zur Justage notwendig ist.A simple structure is when the Lin senanordnung essentially having a focusing lens. The focal length of the lens then corresponds to the effective focal length of the lens array. The simple design allows easy and cost-effective installation. In addition, a simple adjustment of the device is possible. The lens lies in the device of the processing robot in front of the mirrors. Thus, the beam is directed with an already smaller diameter by the focusing on the mirror. The mirrors are thus easier to set up, since in particular a lower adjustment for adjustment is necessary.

Eine Einstellung unterschiedlicher Fokuspositionen ist leicht möglich, wenn die Position der Linsenanordnung zu verändern ist, wobei insbesondere eine Verschiebung der Linsenanordnung parallel zur Strahlrichtung vorgesehen ist. Durch eine Verstellung der Linsenposition wird auch der Brennpunkt und damit der Fokus in dieselbe Richtung verschoben. Durch eine Verlegung des Brennpunkts vor die Laserdüse wird beispielsweise ein tieferes Schweißen oder eine Bearbeitung dickerer Materialien möglich. Durch eine einfache Verstellung der Linse können verschjedene Materialien bearbeitet werden.A Setting different focus positions is easily possible when the position of the lens arrangement is to be changed, wherein in particular a Displacement of the lens arrangement provided parallel to the beam direction is. An adjustment of the lens position also becomes the focal point and thus the focus shifted in the same direction. By a Laying the focal point in front of the laser nozzle, for example, a deeper welding or a processing of thicker materials possible. By a simple Adjustment of the lens can be different Materials are processed.

Vorteilhaft ist es, wenn der Strahlquerschnitt an der in Strahlrichtung gesehen letzten Umlenkfläche vorzugsweise zwischen etwa 30 und 80 %, insbesondere zwischen etwa 40 und 60 %, weiter insbesondere etwa 50%, des Einfall-Strahiquerschnitts beträgt.Advantageous it is when the beam cross-section as seen in the beam direction last deflection surface preferably between about 30 and 80%, in particular between about 40 and 60%, more particularly about 50%, of the incidence beam cut is.

Ein einfacher Aufbau zur Laserumlenkung liegt vor, wenn die Umlenkeinrichtung ein Spiegelsystem aus mehreren Spiegelflächen aufweist, wobei die Spiegelflächen vorzugsweise hochpolierte Kupferspiegel sind. Durch den Aufbau aus Spiegelflächen ist die Vorrichtung leicht zu justieren und sehr flexibel auch im Einsatz an einer Drehverbindung zwischen zwei Achsen.One simple structure for laser deflection is present when the deflection a mirror system comprising a plurality of mirror surfaces, wherein the mirror surfaces preferably highly polished copper mirrors are. By the construction of mirror surfaces is The device is easy to adjust and very flexible even in use at a rotary connection between two axles.

Vorteilhaft ist es, wenn die Laserdüse am Ende der letzten Kopfachse längs verschieblich angeordnet ist, so dass eine Abstandseinstellung des Bearbeitungsfokus zur Werkstückoberfläche vorzunehmen ist. Wenn die Düsenposition verändert werden kann, kann der Abstand des Bearbeitungsfokus des Laserstrahls zur Werkstückoberfläche angepasst an einen Bearbeitungsmodus oder ein Werkstückmaterial eingestellt werden.Advantageous is it when the laser nozzle along the end of the last head axis is arranged displaceably, so that a distance adjustment of the machining focus to the workpiece surface is. When the nozzle position changed can be the distance of the machining focus of the laser beam adapted to the workpiece surface a machining mode or a workpiece material can be set.

Ein sehr kompakter und flexibel einsetzbarer Bearbeitungsroboter liegt vor, wenn die vorletzte Kopfachse einer vierten Achse und die letzte Kopfachse einer fünften Achse des Bearbeitungsroboters entspricht.One very compact and flexible machining robot is before, if the penultimate head of a fourth axis and the last Head of a fifth Axis of the machining robot corresponds.

Vorteilhaft ist es, wenn ein Eintritt von Prozessgas im Bereich der Linsenanordnung in Strahlrichtung gesehen annähernd unmittelbar hinter der Linsenanordnung vorgesehen ist. Das durch die Achsen am Laserstrahl entlangströmende Prozessgas entfernt Staub von der Linsenanordnung, Umlenkeinrichtung und aus dem Strahlenweg und hält die Laserdüse frei von Partikeln. Im Strahlengang des Laserstrahls wird das Prozessgas nach vorne aus der Laserdüse herausgedrückt. Darüber hinaus bewirkt es eine Prozessbeschleunigung oder Dämpfung an dem Werkstück und auch dort eine Reinigung. Die Einkopplung des Prozessgases muss nicht mehr durch die Achsen hindurch bis in die vorderste Achse erfolgen und das Prozessgas muss nicht mehr dort an der Linse vorbei geleitet werden. Hierdurch wird zudem Platz eingespart und es kann eine weitere Reduzierung der Baugröße erreicht werden.Advantageous it is when an entrance of process gas in the area of the lens arrangement Approximately seen in the beam direction is provided immediately behind the lens assembly. That through the axes flowing along the laser beam process gas removes dust from the lens assembly, deflector and beam path and stops the laser nozzle free of particles. In the beam path of the laser beam, the process gas forward from the laser nozzle pushed out. About that it also causes process acceleration or damping on the workpiece and also a cleaning there. The coupling of the process gas must no longer through the axes through to the foremost axis and the process gas no longer needs to be routed past the lens become. This also saves space and it can be another Reduction of size achieved become.

Vorteilhaft ist es, wenn der Eintritt des Prozessgases in die vorletzte Kopfachse, insbesondere vorletzte Kopfachse, erfolgt und eine freie Strömung des Prozessgases durch die letzte Kopfachse, bis zum Austritt der Laserdüse gewährleistet ist, insbesondere durch die Drehverbindung zwischen letzter und vorletzter Kopfachse. Eine Einleitung des Prozessgases direkt an oder kurz nach der Linse in der vierten Kopfachse erspart eine Drehdurchführung durch die Drehverbindung. Die Laserstrahlführung und Prozessgasdurchführung in die Kopfachse kann wesentlich vereinfacht werden, was eine höhere Prozesssicherheit und auch Kostenersparnis zur Folge hat. Eine weitere Dosierung des Prozessgases kann durch einfache Dichtungen erreicht werden.Advantageous it is when the entry of the process gas into the penultimate head axis, especially penultimate head axis, takes place and a free flow of the Process gas through the last Kopfachse guaranteed until the exit of the laser nozzle is, in particular by the rotational connection between last and penultimate head axis. An introduction of the process gas directly to or shortly after the lens in the fourth head axis saves a rotary feedthrough the rotary joint. The laser beam guidance and process gas feedthrough in the head axis can be considerably simplified, which means higher process reliability and also results in cost savings. Another dosage of Process gas can be achieved by simple seals.

Für unterschiedliche Anwendungen mit verschiedenen Werkstoffen vorteilhaft ist es, wenn das Prozessgas Luft oder Stickstoff oder Sauerstoff ist. Das Prozessgas Luft verhindert beispielsweise eine Flammenbildung auf Kunststoff. Sauerstoff verstärkt einen Laserschneidstrahl oder Schweißvorgang.For different Applications with different materials advantageous if it is the process gas is air or nitrogen or oxygen. The process gas For example, air prevents the formation of flames on plastic. Oxygen strengthens one Laser cutting beam or welding process.

Eine zuverlässige Laserbearbeitungsfunktion liegt vor, wobei zugleich die Laserablenkungsvorrichtungen nicht gefährdet sind, wenn bei einem Einfall-Strahlquerschnitt von etwa 3-12 mm, insbesondere etwa 8-12 mm oder etwa 4-5 mm, der Strahlquerschnitt im Bereich der Umlenkflächen etwa 1,5-6 mm, insbesondere etwa 4-6 mm bzw. etwa 2-2,5 mm ist. Der Einfall-Strahlquerschnitt ist somit am Eintritt in die Linsenanordnung etwa 8-12 mm, wobei der Strahl im weiteren Strahlverlauf nach der Linse so konvergiert, dass er im Bereich der Spiegel etwa 4-6 mm Durchmesser aufweist. Hierdurch ist verhindert, dass eine Beschädigung der Spiegel auftritt und zugleich sind die Bearbeitungseigenschaften des Strahls sehr gut.A reliable Laser processing function exists, at the same time the laser deflection devices not endangered are, if at an incident beam cross section of about 3-12 mm, in particular about 8-12 mm or about 4-5 mm, the beam cross-section in the area of the deflection surfaces about 1.5-6 mm, in particular about 4-6 mm or about 2-2.5 mm. The incident beam cross section is thus at the entrance to the lens array about 8-12 mm, the beam in the further beam path after the Lens converges so that it is about 4-6 mm in the area of the mirrors Diameter. This prevents damage to the Mirror occurs and at the same time are the editing properties the jet very well.

Vorteilhaft ist es, wenn die Linsenanordnung eine Brennweite von etwa 125-130 mm bzw. etwa 5 Zoll bis 7,5 Zoll, insbesondere etwa 127 mm hat. Hierdurch kann der gesamte Kopf etwa faustgroß ausgeführt werden, wodurch die zu tragende Last insbesondere der Hebel verringert wird.It is advantageous if the lens arrangement has a focal length of about 125-130 mm or about 5 inches to 7.5 inches, in particular about 127 mm. As a result, the entire head about fist-size be carried out, whereby the load to be supported in particular the lever is reduced.

Eine sehr kompakte Ausführung des Kopfes liegt vor, wenn die letzte Umlenkfläche/Spiegel etwa im Abstand der Hälfte der Brennweite in Strahlrichtung von dem Einfall des Strahls in der Linsenanordnung mit der Brennweite angeordnet ist. Zudem ist hierdurch die Leistungsdichte des Laserstrahls an den Spiegel angepasst.A very compact design of the head is present when the last deflection / mirror approximately at a distance half the focal length in the beam direction of the incidence of the beam in the lens array is arranged with the focal length. In addition, this is matched the power density of the laser beam to the mirror.

Vorteilhaft ist es, wenn die Größe einer Drehdurchführung zwischen der vorletzten und der letzten Kopfachse im wesentlichen durch den Laserstrahldurchmesser bestimmt ist. Das Prozessgas kann nach der frei eingeführt werden und benötigt keinen zusätzlichen Leitungsplatz in der Drehdurchführung.Advantageous is it when the size of a Rotary union between the penultimate and the last head axis substantially is determined by the laser beam diameter. The process gas can after the free imported be and needed no additional Line station in the rotary feedthrough.

Eine große Bandbreite von Laseranwendungen ist möglich, wenn die Laserleistung/Strahlleistung weniger als etwa 200 Watt, insbesondere etwa 100 Watt beträgt. Durch angepasste Dimensionierung, Brennweite und Länge der LaserdüseA size Bandwidth of laser applications is possible when the laser power / beam power less than about 200 watts, in particular about 100 watts. By adapted dimensioning, focal length and length of the laser nozzle

Vorteilhaft ist es, wenn Parameter zur Lasereinstellung, insbesondere Strahldurchmesser, Laserleistung und Laserspektrum, so gewählt sind, dass sie für die Bearbeitung von Kunststoff geeignet sind, insbesondere zum Laserschneiden und -fügen von Kunststoff. Die für die Kunststoffbearbeitung notwendige geringe Laserleistung ist erfindungsgemäß verbunden mit einer geringen Störkontur.Advantageous it is when parameters for laser adjustment, in particular beam diameter, Laser power and laser spectrum, so chosen that they are suitable for machining are suitable for plastic, in particular for laser cutting and -put of plastic. The for the plastic processing necessary low laser power is connected according to the invention with a low interference contour.

Da die Linsenanordnung und der Prozessgaseintritt im wesentlichen die vorletzte Achse betreffen, ist es möglich, dass die letzte Kopfachse einen kleineren effektiven Innenquerschnitt als der effektive Durchmesser einer üblichen Linsenanordnung aufweist. Auf diese Weise können die Störkonturen des Bearbeitungsroboters sehr gering gehalten werden und sehr wendige Bearbeitungen stattfinden.There the lens arrangement and the process gas inlet substantially the penultimate axis, it is possible that the last head axis a smaller effective internal cross-section than the effective diameter a usual one Lens arrangement has. In this way, the interference contours of the machining robot be kept very low and very maneuverable edits take place.

Vorteilhaft ist es, wenn die Länge der letzten Kopfachse kleiner als die Brennweite der Linsenanordnung ist, insbesondere kleiner als etwa 60% der Brennweite, insbesondere etwa 50% der Brennweite. Wenn die Linsenanordnung im Bereich der vorletzten Kopfachse vorhanden ist, kann die letzte Kopfachse, die Laserdüse umfasst, sehr kurz ausfallen. Dies verbessert wiederum die Flexibilität des Bearbeitungsroboters und verringert die Störkonturen.Advantageous is it when the length the last Kopfachse smaller than the focal length of the lens assembly in particular less than about 60% of the focal length, in particular about 50% of the focal length. When the lens array is in the range of penultimate head axis is present, the last Kopfachse, the laser nozzle includes, very short. This in turn improves the flexibility of the processing robot and reduces the interference contours.

Eine gute Fokussierung und zugleich geringe Kopfgröße ist möglich, wenn der Linsendurchmesser etwa 27-28 mm beträgt.A good focus and at the same time small head size is possible if the lens diameter about 27-28 mm.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert sind.Further Features and advantages of the invention will be apparent from the claims and the description below, in the embodiments of the subject matter the invention in conjunction with the drawings are explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 einen Ausschnitt eines Bearbeitungsroboters mit einem Bearbeitungslaser, 1 a section of a processing robot with a processing laser,

2 einen Ausschnitt eines Bearbeitungsroboters mit vorderer Linsenposition, 2 a section of a processing robot with front lens position,

3 einen Ausschnitt eines Bearbeitungsroboters mit einem verschobenen Fokus und 3 a section of an editing robot with a shifted focus and

4 einen Ausschnitt eines Bearbeitungsroboters mit einem langen Laserdüsenbereich. 4 a section of a processing robot with a long laser nozzle area.

1 zeigt eine vorletzte Achse 19 und eine letzte Achse 2 eines Bearbeitungsroboters. Ein von einem Bearbeitungslaser 1 erzeugter Bearbeitungslaserstrahl 5 wird in die vorletzte 19 und letzte Achse 2 des Kopfes des Bearbeitungsroboters geleitet. Der Laserstrahl 5 wird in eine vorletzte Kopfachse 19 des Bearbeitungsroboters geleitet. Anschließend trifft der Laserstrahl 5 in Strahlrichtung 8 gesehen auf eine erste Fläche einer Linsenanordnung 4 auf. Die Linsenanordnung 4 besteht in diesem Fall aus einer einzigen Linse 14 mit einem Linsendurchmesser 25. Der Laserstrahl 5 weist bei Eintritt in die Linse 14, die beispielsweise aus Zinkzellenit besteht, einen Einfall-Strahlquerschnitt 10 auf. Der Einfall-Strahlquerschnitt 10 ist so abgestimmt, dass er keine Beschädigung der Linsenoberfläche hervorruft aber auch auf der Brennweite 9 der Linse 14 konvergierend an einem Bearbeitungsfokus 3 eine ausreichende Leistung zur Bearbeitung eines Werkstücks, einer Werkstückoberfläche erreicht. 1 shows a penultimate axis 19 and one last axle 2 a machining robot. One from a processing laser 1 generated processing laser beam 5 will be in the penultimate 19 and last axis 2 headed the head of the processing robot. The laser beam 5 will be in a penultimate head axis 19 of the processing robot. Then the laser beam hits 5 in the beam direction 8th seen on a first surface of a lens assembly 4 on. The lens arrangement 4 in this case consists of a single lens 14 with a lens diameter 25 , The laser beam 5 indicates when entering the lens 14 , which consists for example of zinc cell, an incident beam cross section 10 on. The incident beam cross section 10 is tuned so that it does not cause damage to the lens surface but also on the focal length 9 the lens 14 converging on a machining focus 3 Achieved sufficient power for machining a workpiece, a workpiece surface.

Durch die Linse 14 wird der Laserstrahl somit fokussiert. Die Brennweite 9 der Linse 14 ist so abgestimmt, dass der Laserstrahl seinen Bearbeitungsfokus 3 an einem Ende der an der letzten Kopfachse sitzenden Laserdüse 7 erreicht. Die letzte Achse 2 bewirkt eine Kreisdrehung des Endbereichs der letzten Achse 2 um eine Drehachse. Zwischen dem Bereich der vorletzten Achse 19 und der letzten Achse 2 befindet sich eine Drehverbindung 28. Der Laserstrahl 5 trifft nach dem Durchstrahlen der Linse 14 auf eine erste Spiegelfläche 16 einer aus einem Spiegelsystem 15 bestehenden Umlenkeinrichtung 6. Von dieser Spiegelfläche wird der Laserstrahl 5 durch einer Drehdurchführung der Drehverbindung 28 auf eine zweite Spiegelfläche 16 abgelenkt. Diese zweite Spiegelfläche 1fi ist in diesem Ausführungsbeispiel auch eine letzte Umlenkfläche 12. Der Laserstrahl 5 hat an dieser letzten Umlenkfläche einen Strahlquerschnitt 11, der so groß ist, dass die Spiegelfläche, beispielsweise hochpoliertes Kupfer, durch den Laser nicht beschädigt wird, vorzugsweise ist der Strahlquerschnitt 11 größer als 20% des Einfall-Strahlquerschnitts 10.Through the lens 14 The laser beam is thus focused. The focal length 9 the lens 14 is tuned so that the laser beam its processing focus 3 at one end of the laser nozzle seated at the last head axis 7 reached. The last axis 2 causes a circular rotation of the end area of the last axis 2 around a rotation axis. Between the area of the penultimate axis 19 and the last axis 2 there is a rotary joint 28 , The laser beam 5 meets after passing through the lens 14 on a first mirror surface 16 one from a mirror system 15 existing deflection 6 , From this mirror surface is the laser beam 5 through a rotary feedthrough of the rotary joint 28 on a second mirror surface 16 distracted. This second mirror surface 1fi is in this embodiment, a last deflection 12 , The laser beam 5 has a beam cross-section at this last deflection surface 11 , which is so large that the mirror surface, such as highly polished copper, is not damaged by the laser, preferably Beam cross section 11 greater than 20% of the incident beam cross section 10 ,

Nach der Reflexion durch diese letzte Umlenkfläche 12 tritt der Laserstrahl 5 an der Laserdüse 7 aus dem Bearbeitungsroboter aus. Der Laserstrahl 5 weist an dieser Stelle einen Bearbeitungsfokus 3 auf, der es ermöglicht, die gewünschte Energie zur Werkstoffbearbeitung aufzubringen. Die Laserdüse 7 kann längs verschoben werden. Hierdurch wird die Position des Bearbeitungsfokus 3, die durch die Position der Linse und deren Brennweite gegeben ist relativ zur Werkstückoberfläche geändert, da die Werkstückoberfläche auf diese Weise zumindest auf der Distanz gehalten wird, die einem Ende 13 der Laserdüse 7 entspricht.After reflection by this last deflection 12 the laser beam occurs 5 at the laser nozzle 7 from the processing robot. The laser beam 5 has a processing focus at this point 3 on, which makes it possible to apply the desired energy for material processing. The laser nozzle 7 can be moved longitudinally. This will change the position of the machining focus 3 , which is given by the position of the lens and its focal length is changed relative to the workpiece surface, since the workpiece surface is held in this way at least at the distance that one end 13 the laser nozzle 7 equivalent.

Die letzte Umlenkfläche 12 ist vorzugsweise in einem Abstand 21 zur Linse 14 gemessen an dem dazwischen zurückgelegten Weg des Laserstrahls 5 angeordnet, der etwa der Hälfte der Brennweite 9 der Linsenanordnung 4 entspricht.The last deflection surface 12 is preferably at a distance 21 to the lens 14 measured at the distance traveled between the laser beam 5 arranged, which is about half the focal length 9 the lens arrangement 4 equivalent.

Die Linsenanordnung 4 erzeugt somit einen konvergierenden Strahl bis zum Bearbeitungsfokus 3, der Bearbeitungsfokus 3 ist beugungsbegrenzt. Es wird eine zur Bearbeitung des Werkstücks ausreichende Energie geliefert. Die Umlenkeinrichtung 6 lenkt den nach der Linse 14 konvergierenden Laserstrahl 5 von einer vorletzten Kopfachse 19 zur letzten Kopfachse 2. Die Strahlrichtung 8 ist im wesentlichen parallel zu einer Längsachse der jeweiligen Kopfachsen. Die Brennweite 9 der Linsenanordnung 4 ist auf die Länge der Kopfachsen sowie den Abstand der Linsen auch zu den Umlenkflächen eingerichtet, wobei die Brennweite 9 so gewählt ist, dass die Fokussierung des Laserstrahls 5 an Umlenkflächen 12 der Umlenkeinrichtung 6 eine ausreichende Aufweitung aufweist, dass keine dauerhafte Beschädigung der Umlenkflächen auftritt. Der Einfall-Strahlquerschnitt 10 entspricht normalerweise im wesentlichen einem Austrittsquerschnitt aus dem Laser.The lens arrangement 4 thus generates a converging beam up to the machining focus 3 , the machining focus 3 is diffraction limited. An energy sufficient for machining the workpiece is supplied. The deflection device 6 steers that towards the lens 14 converging laser beam 5 from a penultimate head axis 19 to the last head axis 2 , The beam direction 8th is substantially parallel to a longitudinal axis of the respective Kopfachsen. The focal length 9 the lens arrangement 4 is adapted to the length of the head axles as well as the distance of the lenses also to the deflection surfaces, whereby the focal length 9 so chosen is that the focusing of the laser beam 5 at deflecting surfaces 12 the deflection 6 has a sufficient expansion that no permanent damage to the deflection occurs. The incident beam cross section 10 normally corresponds essentially to an exit cross section from the laser.

Der Roboterkopfteil mit der Laserdüse 7 kann aufgrund der Erfindung wesentlich kleiner und kompakter ausgebildet werden. Insbesondere kann die Länge 24 der letzten Kopfachse 2 kleiner als die Brennweite 9 der Linsenanordnung 4 ausgebildet werden, da die Linse im Strahlengang weiter vorne angeordnet ist, nämlich vorzugsweise im Bereich der vorletzten Kopfachse 19. Zudem kann die letzte Kopfachse 2 einen kleineren effektiven Innenquerschnitt 23 als übliche Bearbeitungsroboter aufweisen.The robot head part with the laser nozzle 7 can be made much smaller and more compact due to the invention. In particular, the length can be 24 the last head axis 2 smaller than the focal length 9 the lens arrangement 4 be formed because the lens in the beam path is located further forward, namely preferably in the region of penultimate Kopfachse 19 , In addition, the last Kopfachse 2 a smaller effective inner cross section 23 have as usual processing robot.

Durch einen Entritt 20 von Prozessgas in den Bereich der vorletzten Kopfachse 19 in direkter Nähe der Linsenanordnung 4 kann Prozessgas nun frei um die Linsenanordnung 4 herum und durch die Drehdurchführung de Drehverbindung 28 bis zur Laserdüse 7 strömen, ohne dass aufwendige Führungsmaßnahmen ergriffen werden müssten.By an entry 20 of process gas in the area of penultimate Kopfachse 19 in the immediate vicinity of the lens arrangement 4 Process gas can now move freely around the lens assembly 4 around and through the rotary union de rotary joint 28 to the laser nozzle 7 flow without the need for elaborate management measures.

Im Beispiel einer Linse mit einer Brennweite von etwa fünf Zoll, einem Abstand der Linse zum ersten Spiegel von etwa einem Zoll und einem Strahlweg zum zweiten Spiegel von etwa 2,5 Zoll erreicht man einen Laserstrahldurchmesser am zweiten Spiegel von etwa 2-2,5 mm. Durch die frei Durchführung des Prozessgases kann eine annähernd entsprechend große Einsparung für die Drehdurchführung von etwa 2 mm erreicht werden.in the Example of a lens with a focal length of about five inches, a distance of the lens to the first mirror of about one inch and a beam path to the second mirror of about 2.5 inches is reached a laser beam diameter at the second mirror of about 2-2.5 mm. Through the free implementation the process gas can be approximate correspondingly large Saving for the rotary feedthrough be achieved by about 2 mm.

Die Position der Linse könnte zudem verstellbar sein, wodurch der Brennpunkt verschoben wird, um ein tieferes Schweißen oder eine Bearbeitung verschiedener Materialien möglich ist.The Position of the lens could be also be adjustable, whereby the focus is shifted to a deeper welding or a processing of different materials is possible.

2 zeigt einen Ausschnitt eines Bearbeitungsroboters mit vorderer Linsenposition. Die Linse 14 ist in einem Abstand 21 zu der Umlenkeinrichtung 6 angeordnet. Die Linse 14 kann hierdurch zum einen größer sein, mit einer größeren Brennweite 9, beispielsweise 127 mm. Darüber hinaus ermöglicht die Anordnung weiter vorne in der vorletzten Kopfachse 19 eine vereinfachte Bruchmessung der Linse mittels eines Thermoelements. 2 shows a section of a processing robot with front lens position. The Lens 14 is at a distance 21 to the deflection device 6 arranged. The Lens 14 This can be larger, with a larger focal length 9 , for example, 127 mm. In addition, the arrangement allows further forward in the penultimate head axis 19 a simplified fracture measurement of the lens by means of a thermocouple.

3 zeigt einen Ausschnitt eines Bearbeitungsroboters mit einem verschobenen Bearbeitungsfokus 3. Die Linse 14 erzeugt einen Bearbeitungsfokus 3, der hinter dem Ende 17 der letzten Kopfachse außerhalb der Laserdüse 7 liegt. Der Bearbeitungsfokus 3 weist einen Abstand 27 zum Ende 13 der Laserdüse 7 auf. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich beispielsweise auch sehr dicke Materialien bearbeiten oder in Materialvertiefungen arbeiten. 3 shows a section of a processing robot with a shifted processing focus 3 , The Lens 14 creates a machining focus 3 who is behind the end 17 the last head axis outside the laser nozzle 7 lies. The processing focus 3 has a distance 27 to the end 13 the laser nozzle 7 on. With such an arrangement, for example, even very thick materials can be processed or work in material recesses.

4 zeigt einen Ausschnitt eines Bearbeitungsroboters mit einem langen Laserdüsenbereich. Der Laserdüsenbereich weist einen geringen effektiven Innenquerschnitt 23 auf, ist jedoch in Längsrichtung mit einer großen Länge 24 ausgebildet, so dass auch in Bereichen gearbeitet werden kann, die nur einen schmalen Zugang haben. 4 shows a section of a processing robot with a long laser nozzle area. The laser nozzle region has a small effective internal cross section 23 but is longitudinal with a long length 24 trained so that you can work in areas that have only a narrow access.

11: Bearbeitungslaserlaser processing
22: letzte Kopfachselatest head axis
33: Bearbeitungsfokusedit focus
44: Linsenanordnunglens assembly
55: Bearbeitungslaserstrahlprocessing laser beam
66: Umlenkeinrichtungdeflecting
77: Laserdüselaser nozzle
88th: Strahlrichtungbeam direction
99: effektive Brennweiteeffective focal length
1010: Einfall-StrahlquerschnittIncident-beam cross section
1111: StrahlquerschnittBeam cross section
1212: letzte Umlenkflächelatest deflection
1313: Ende der LaserdüseThe End the laser nozzle
1414: Linselens
1515: Spiegelsystemmirror system
1616: Spiegelflächemirror surface
1717: Ende der letzten KopfachseThe End the last head axis
1818: WerkstückoberflächeWorkpiece surface
1919: vorletzte Kopfachsepenultimate head axis
2020: Eintritt von Prozessgasentry of process gas
2121: Abstanddistance
2222: LaserstrahldurchmesserLaser beam diameter
2323: effektiver Innenquerschnittmore effective Internal cross-section
2424: Längelength
2525: LinsendurchmesserLens diameter
2727: Abstanddistance
2828: Drehverbindungrotary joint

Claims

Processing robot with a processing laser ( 1 ) and with at least one head axis, which has at least one machining focus ( 3 ) generating lens arrangement ( 4 ) for focusing a processing laser beam ( 5 ), with a deflection device ( 6 ) for the processing laser beam ( 5 ) between a penultimate ( 19 ) and one last ( 2 ) Kopfachse, where the last Kopfachse ( 2 ) as a laser beam output a laser nozzle ( 7 ), characterized in that the lens arrangement ( 4 ) in the beam direction ( 8th ) seen in front of the deflection device ( 6 ) is arranged, to which the laser nozzle ( 7 ) and that the effective focal length ( 9 ) of the lens arrangement ( 4 ) taking into account the incident beam cross section ( 10 ) on the lens assembly ( 4 ) is selected such that the beam cross-section ( 11 ) at a last deflection surface ( 12 ) of the deflection device ( 6 ) in front of the laser nozzle ( 7 ) greater than about 20% of the incident beam cross section ( 10 ).

Machining robot according to claim 1, characterized in that the location of the lens arrangement ( 4 ) in front of the deflection device ( 6 ) and their focal length ( 9 ) is selected so that the processing focus ( 3 ) almost at the end ( 13 ) of the laser nozzle ( 7 ) arises.

Machining robot according to claim 1 or 2, characterized in that the lens arrangement ( 4 ) essentially a focusing lens ( 14 ) having.

Machining robot according to claim 1 or 2, characterized in that the position of the lens arrangement ( 4 ), in particular ei ne displacement of the lens assembly ( 4 ) is provided parallel to the beam direction.

Machining robot according to one of claims 1 to 3, characterized in that the beam cross-section ( 11 ) at the in the beam direction ( 8th ) seen last deflection ( 12 ) preferably between about 30 and 80%, in particular between about 40 and 60%, more particularly about 50%, of the incident beam cross section ( 10 ) is.

Processing robot according to one of claims 1 to 4, characterized in that the deflection device ( 6 ) a mirror system ( 15 ) of several mirror surfaces ( 16 ), wherein the mirror surfaces ( 16 ) are preferably highly polished copper mirrors.

Machining robot according to one of claims 1 to 5, characterized in that the laser nozzle ( 7 ) at the end ( 17 ) of the last head axis ( 2 ) is arranged longitudinally displaceable, so that a distance adjustment of the machining focus ( 3 ) to the workpiece surface ( 18 ) is to be made.

Processing robot according to one of claims 1 to 6, characterized in that the penultimate head axis ( 19 ) of a fourth axis and the last head axis ( 2 ) corresponds to a fifth axis of the processing robot.

Machining robot according to one of claims 1 to 7, characterized in that an entry ( 20 ) of process gas in the region of the lens arrangement ( 4 ) in the beam direction ( 8th ) seen almost immediately behind the lens array ( 4 ) is provided.

Processing robot according to one of claims 1 to 8, characterized in that the entry ( 20 ) of the process gas in the penultimate Kopfachse ( 19 ) and a free flow of the process gas through the last Kopfachse ( 2 ) to the exit of the laser nozzle ( 7 ) is ensured, in particular by a rotary joint ( 28 ) between last ( 2 ) and penultimate ( 19 ) Head axis.

Processing robot according to one of claims 1 to 9, characterized in that the process gas is air or nitrogen or oxygen is.

Machining robot according to one of claims 1 to 10, characterized in that at an incident beam cross section ( 10 ) of about 3-12 mm, in particular about 8-12 mm or about 4-5 mm, the beam cross section ( 11 ) in the region of the deflection surfaces is about 1.5-6 mm, in particular about 4-6 mm or about 2-2.5 mm,

Machining robot according to one of claims 1 to 11, characterized in that the lens arrangement ( 4 ) a focal length ( 9 ) of about 125-130 mm, in particular about 127 mm.

Machining robot according to one of claims 1 to 12, characterized in that the last Deflection surface ( 12 ) at a distance ( 21 ) half the focal length ( 9 ) in the beam direction ( 8th ) of the incidence of the beam in the lens arrangement ( 4 ) with the focal length ( 9 ) is arranged.

Processing robot according to one of claims 1 to 13, characterized in that the size of a rotary feedthrough between the penultimate ( 19 ) and the last one ( 2 ) Kopfachse essentially by the laser beam diameter ( 22 ) is determined.

Robot according to one of claims 1 to 14, characterized that the laser power / beam power is less than about 200 watts, especially about 100 watts.

Machining robot according to one of claims 1 to 15, characterized in that parameters for laser adjustment, in particular beam diameter, laser power and laser spectrum are chosen so that they are suitable for ^the processing of plastic, in particular for laser cutting and joining of plastic.

Processing robot according to one of claims 1 to 16, characterized in that the last Kopfachse ( 2 ) has a smaller effective internal cross section ( 23 ) than the effective diameter of a conventional lens array.

Machining robot according to one of claims 1 to 17, characterized in that the length ( 24 ) of the last head axis ( 2 ) smaller than the focal length ( 9 ) of the lens arrangement ( 4 ), in particular less than about 60% of the focal length ( 9 ), in particular about 50% of the focal length ( 9 ).

Machining robot according to one of claims 1 to 18, characterized in that the lens diameter ( 25 ) is about 27-28 mm.