DE102004011085A1

DE102004011085A1 - Bearbeitungssystem für Laseranwendungen

Info

Publication number: DE102004011085A1
Application number: DE102004011085A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Alber
Original assignee: Nothelfer GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Priority date: 2004-03-06
Filing date: 2004-03-06
Publication date: 2005-09-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bearbeitungssystem für Laseranwendungen, insbesondere Schweißen und/oder Schneiden von Bauteilen, vorzugsweise Blechplatinen, wobei der Laserstrahl (2) von einer zentralen Laserquelle zu einem an einer Roboterhand befestigten Schweißkopf (11) geführt wird, dessen fokussierter Laserstrahl (13) bei der Bearbeitung des Bauteiles vorzugsweise zweidimensionale Bewegungen in x-, y-Richtung ausführt. Die Erfindung besteht darin, dass der Roboterarm im Wesentlichen senkrecht zur Bearbeitungsebene (x, y) an einem Maschinenständer (1) in z-Richtung beweglich angeordnet ist, über mindestens zwei in z-Richtung verlaufende bzw. senkrechte Drehachsen (4, 5, 6) verfügt und aus waagerecht und senkrecht angeordneten Armen oder Rohren (15 bis 20, 22, 24-26) besteht, in oder an denen der Laserstrahl (2) mithilfe von Umlenkspiegeln (7 bis 10, 27 und 28) oder sonstigen Übertragungselementen zum Schweißkopf (11) geführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bearbeitungssystem für Laseranwendungen gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2.

Zum Laserschweißen und/oder Laserschneiden von vorzugsweise ebenen Bauteilen ist es bekannt, den Laserschweißkopf mit Hilfe von Robotersystemen in Bearbeitungsrichtung zu führen. Dafür sind insbesondere verschiedene Systeme für die Strahlführung von der Laserquelle bis zum Schweißkopf bekannt.

Bei dem sogenannten CO2-Laser wird der Laserstrahl mit Hilfe von Spiegeloptiken umgelenkt und geführt. Diese Strahlführung kann sowohl intern, d.h. in geschlossenen Systemen aber auch mit flexiblen Strahlarmen extern, d.h. außerhalb des Roboterarmes erfolgen. Bei sogenannten NdYag-Lasersystemen erfolgt die Strahlführung über sogenannte Lichtleitkabel.

Bei der Laserbearbeitung sind Robotersysteme als Portalsysteme mit Linearachsen oder als Knickarmroboter zur Anwendung gekommen. Beide Systeme sind sehr aufwendig und benötigen in der Regel relativ viel Platz.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Bearbeitungssystem für die robotergesteuerte Bearbeitung vorzuschlagen, das einfacher aufgebaut ist, weniger bewegte Massen benötigt und trotzdem eine hohe Genauigkeit gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 2 angegeben. Die Unteransprüche 3 bis 8 enthalten sinnvolle Ausführungsformen dazu.

Das erfindungsgemäße Bearbeitungssystem besteht aus relativ wenigen, preiswert herzustellenden Elementen zur Führung des Schweißkopfes und zur Zuführung des Laserstrahles von der Laserquelle zum Schweißkopf. Dazu ist an einem stationären oder auch gemäß Anspruch 8 horizontal verfahrbaren Maschinenständer der Roboterarm zunächst vorzugsweise über eine Schlittenführung in senkrechter Richtung bzw. in z-Richtung höhenverstellbar angeordnet. Der weitere Roboterarm besteht dann aus waagerecht und senkrecht angeordneten Rohren oder Armen, die zur Ausführung der xy-Bewegung in der Bearbeitungsebene über mindestens zwei senkrechte bzw. in z-Richtung verlaufende Drehachsen verfügen. Zur Übertragung des Laserstrahles von der Laserstrahlquelle zum Schweißkopf ist nach Patentanspruch 1, vorzugsweise für den CO2-Laser eine interne Strahlführung durch das Rohrsystem mit Hilfe von Umlenkspiegeln vorgesehen. Bei der Ausführungsform nach Patentanspruch 2 sind für die externe Strahlführung an als Stangen oder ähnliche Elemente ausgebildeten Armen bewegliche Lichtleitkabel oder ähnliche Übertragungselemente außen befestigt.

Es hat sich insbesondere als günstig erwiesen, die Rohre oder Arme des Roboterarmes jeweils abwechselnd waagerecht und senkrecht anzuordnen und dabei mit Hilfe der Umlenkspiegel den Laserstrahl jeweils um 90° umzulenken. Es können dabei jeweils zwei aneinandergrenzende Rohre eine rechtwinklige Baueinheit bilden, wobei in dem rechten Winkel ein Umlenkspiegel fest mit dieser Baueinheit verbunden ist. Im Übergang zwischen zwei rechtwinkligen Baueinheiten ist jeweils ein Umlenkspiegel auf einer senkrechten Drehachse angeordnet.

Die Bewegung des Schweißkopfes in der Bearbeitungsebene oberhalb des Bauteiles wird ausschließlich durch Bewegung der Rohre bzw. Arme um die mindestens zwei senkrechten Drehachsen bewirkt. Diese Bewegung ist entweder vorher frei programmierbar vorgegeben oder sie kann mit Hilfe einer Nahtfolgesensorik, die die tatsächliche Bearbeitungslage oder die realisierte Bearbeitungsqualität erkennt, gesteuert werden. Dazu hat es sich als besonders günstig erwiesen, den Schweißkopf mit einer dritten vertikalen Achse auszustatten, um die erforderlichen Korrekturbewegungen des Schweißkopfes möglichst ausschließlich durch die Drehung um diese dritte Drehachse zu bewirken. Zusätzlich kann an dem Schweißkopf oder in der Nähe des Schweißkopfes erfindungsgemäß eine Schutzgasdüse angebracht sein, welche während des Bearbeitungsvorganges jeweils in gleichbleibender Position relativ zur Bearbeitungslinie gehalten werden kann. Für den Fall, dass das System so konfiguriert wird, dass eine fest programmierte Bearbeitungslinie mit dem Schweißkopf abgefahren wird, kann die Bearbeitungslage von einem Sensor erfasst und die Zielposition von der Steuerung Online berechnet werden. Dies ist dann von Vorteil, wenn die Bauteile nicht exakt relativ zum Bearbeitungssystem positioniert werden können.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Bearbeitungssystemes gegenüber dem Stand der Technik lassen sich wie folgt zusammenfassen:

– Es kann mit einer konstanten Länge des Strahlweges innerhalb der Rohre oder entlang der Arme gearbeitet werden, d.h. die Strahleigenschaften sind nicht wie z.B. bei Portalsystemen wegabhängig.
– Insbesondere bei Anwendungen von Direktantrieben für die vertikalen Drehachsen ist von einer sehr hohen Genauigkeit auszugehen.
– Aufgrund der internen Strahlführung gibt es keine Behinderung durch Störkonturen, was vor allem bei Einsatz von Knickarmrobotern mit externer Strahlführung nachteilig ist.
– Die Anzahl der Drehachsen ist genau auf zweidimensionale (2D-) Anwendungen zugeschnitten. Bei Einsatz von Knickarmrobotern für 2D- Anwendungen sind bauartbedingt erheblich mehr Achsen als notwendig im Einsatz. Dies kann hinsichtlich der Armgenauigkeit nachteilig sein.
– Im Vergleich zu Knickarmrobotern sind erfindungsgemäß weniger Umlenkspiegel erforderlich. Dies bedeutet, dass geringere Probleme mit der Strahljustage und weniger Leistungsverluste durch Absorption des Laserstrahls auf den Umlenkspiegeln auftreten.
– Im Vergleich zu Knickarmrobotern und zu Portalsystemen sind erfindungsgemäß die bewegten Massen kleiner, d.h. es ist ein dynamischeres Verhalten möglich.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten 1 bis 5 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen
1 das erfindungsgemäße Bearbeitungssystem mit insgesamt drei vertikalen Drehachsen 4 bis 6,
2 das erfindungsgemäße Bearbeitungssystem mit zwei vertikalen Drehachsen 4, 5 und einem fest am waagerechten Rohr 29 angeordneten Schweißkopf 30,
3 ein Bearbeitungssystem nach 2 ergänzt um die Führungsschienen 31,
4 eine Draufsicht auf ein Bearbeitungssystem nach 2 und
5 eine Draufsicht auf ein Bearbeitungssystem nach 3.
Bei der Ausführung nach 1 ist an einem stationären Maschinenständer 1 im oberen Bereich die stationäre Laserstrahlzuführung 2 dargestellt. Am Maschinenständer 1 ist über eine lineare Vertikalführung 3 mit Hilfe eines Antriebes 23 ein Schlitten 21 vertikal beweglich. Am Schlitten 21 ist ein nach oben gerichtes senkrechtes Rohr 22 befestigt, dessen oberer Rand von einer senkrechten Hülse 24 umschlossen ist. In dieser Hülse 24 ist im Bereich der senkrechten Drehachse 4 der Umlenkspiegel 8 befestigt. In die Hülse 24 ragt von oben zentral das senkrechte Rohr 16 hinein, das fest mit dem waagerechten stationär angeordneten Rohr 15 verbunden ist. In dem Winkel am Übergang vom waagerechten Rohr 15 zum senkrechten Rohr 16 ist der Umlenkspiegel 7 fest angeordnet. Zum Ausgleich der Relativbewegung zwischen der senkrecht beweglichen Hülse 24 und dem festen Rohr 16 ragt das untere Ende des Rohres 16 in die höhenverstellbare Hülse 24 hinein. An der Hülse 24 ist ein Drehantrieb angeordnet, der eine Drehbewegung der Hülse 24 um die Drehachse 4 auf dem Rohr 22 ermöglicht. An der Hülse 24 ist das waagerechte Rohr 17, das anschließende senkrechte Rohr 18 und der im Winkel befestigte Umlenkspiegel 27 angeordnet, sodass auch diese Elemente 17, 18 und 27 um die senkrechte Drehachse 4 drehbar sind. Am unteren Ende des Rohres 18 ist wiederum eine senkrechte Hülse 25 mit einem Motor angeordnet, der eine Drehbewegung der Hülse 25 und des darin befestigten Umlenkspiegels 9 um die senkrechte Drehachse 5 ermöglicht. An der Hülse 25 ist seitlich das waagerechte Rohr 19 mit dem am Ende angeordneten senkrechten Rohr 20 und dem zugehörigen Umlenkspiegel 28 befestigt. Schließlich ist am unteren Ende des Rohres 20 die Hülse 26 mit dem inneren Umlenkspiegel 10 um die senkrechte Drehachse 6 antreibbar gelagert. Die Hülse 26 bildet eine Baueinheit mit dem Schweißkopf 11, der über den Fokussierspiegel 12 den fokussierten Laserstrahl 13 bildet, der dann auf die Werkstückoberfläche 14 gerichtet ist.
Der Laserstrahl 2 wird für die Bearbeitung in der Weise geführt, dass er von einer nicht dargestellten Laserstrahlquelle aus durch das waagerechte stationäre Rohr 15 auf den Umlenkspiegel 7 gerichtet ist, dort um 90° nach unten umgelenkt wird und durch das senkrechte stationäre Rohr 16 auf den drehbaren Umlenkspiegel 8 gerichtet wird. Von dem Umlenkspiegel 8 aus gelangt der Laserstrahl 2 durch die Durchtrittsöffnung 35 in der Hülse 24 durch das waagerechte Rohr 17, die Durchtrittsöffnung 36 in dem senkrechten Rohr 18 auf den Umlenkspiegel 27. Von dort gelangt er durch das senkrechte Rohr 18 auf den drehbaren Umlenkspiegel 9. Vom Umlenkspiegel 9 gelangt er wiederum durch die Durchtrittsöffnung 37 in der Hülse 25, durch das waagerechte Rohr 19, durch die Durchtrittsöffnung 38 in dem senkrechten Rohr 20 auf den festen Umlenkspiegel 28. Von dort ist der Laserstrahl 2 senkrecht auf den drehbaren Umlenkspiegel 10 in der Hülse 26 gerichtet. Von dem Umlenkspiegel 10 wird er wiederum waagerecht auf den Fokussierspiegel 12 im Schweißkopf 11 gerichtet. Unterhalb des Schweißkopfes 11 ist zusätzlich die an sich bekannte Sensorik 39 für die Nahtfolgesensorik und die Erkennung der Bearbeitungsqualität schematisch dargestellt.
Bei der Ausführungsform nach 2 sind nur zwei senkrechte Drehachsen 4 und 5 dargestellt und das untere waagerechte Rohr 29 ist fest mit dem Schweißkopf 30 verbunden. Im Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Bearbeitungssystemes können durch eine entsprechende Steuerung beliebige zweidimensionale Konturen programmgesteuert mit Hilfe des fokussierten Laserstrahles 13 abgefahren werden. Wo erforderlich, kann vor oder nach dem Bearbeiten der gesamte Roboterarm mit Hilfe des Schlittens 21 vom Bauteil abgehoben bzw. freigefahren werden, um z.B. die Bauteilentnahme und das Einlegen des nächsten Bauteiles zu gewährleisten. Die für die Bearbeitung erforderliche präzise Fokuslage kann auf einfache Weise durch die Höhenverstellung des Schlittens eingestellt werden.
In 3 ist im Vergleich zur Ausführung nach der 2 der Maschinenständer 1 mit Hilfe von Führungsschienen 31 auf einer Bodenplatte 32 zusätzlich horizontal verfahrbar. Die Laserstrahlqelle kann bei dieser Ausführungsform ebenfalls mit dem Arbeitsständer 1 verfahren werden. Alternativ dazu kann auch an einem Ende der Führungsschienen 31 die stationäre Laserquelle angeordnet sein und der Laserstrahl 2 über ein parallel zur Führungsschiene 31 verlaufendes Zuführungsrohr und einen am Maschinenständer 1 zusätzlich angeordneten Umlenkspiegel in das Rohr 15 geleitet werden.
In den 4 und 5 sind die Arbeitsfelder 33 und 34 des fokussierten Laserstrahles als gestrichelte Felder dargestellt. 4 zeigt dabei den Arbeitsbereich 33 entsprechend der Ausführungsform nach den 1 und 2. Der Außendurchmesser des Arbeitsfeldes 33 ist dabei kreisförmig.
5 zeigt das Arbeitsfeld 34 nach der Ausführungsform der 3, wobei das Arbeitsfeld in den Endbereichen halbkreisförmig und aufgrund der Verfahrbarkeit des Arbeitsständers 1 auf den Führungsschienen 31 im mittleren Bereich gerade ist.

1: Maschinenständer
2: Laserstrahl
3: Lineare Vertikalführung an 1 für 21
4,5,6: Vertikale Drehachsen
7: Umlenkspiegel in 16
8: Umlenkspiegel in 24 auf 4
9: Umlenkspiegel in 25 auf 5
10: Umlenkspiegel in 26 auf 6
11: Schweißkopf
12: Fokussierspiegel
13: Fokussierter Laserstrahl
14: Werkstückoberfläche
15: Rohr fest an 1 (waagerecht)
16: Rohr fest an 15 (senkrecht)
17: Rohr mit Drehachse 4 (waagerecht)
18: Rohr fest an 17 (senkrecht)
19: Rohr mit Drehachse 5 (waagerecht)
20: Rohr fest an 19 (senkrecht)
21: Schlitten (vertikal an 3 beweglich)
22: Rohr an 21 (senkrecht, vertikal beweglich)
23: Antrieb für 21
24: Hülse an 17 (senkrecht)
25: Hülse an 18 (senkrecht)
26: Hülse an 20 (senkrecht)
27: Umlenkspiegel in 18
28: Umlenkspiegel in 20
29: Waagerechtes Rohr mit Drehachse 5
30: Schweißkopf (fest an 29)
31: Führungsschienen für 1 auf 32
32: Bodenplatte
33: Arbeitsfeld von 13
34: Arbeitsfeld von 13
35-38: Durchtrittsöffnungen in 18, 20, 24, 25 für 2
39: Sensorik

Claims

Bearbeitungssystem für Laseranwendungen, insbesondere Schweißen und/oder Schneiden von Bauteilen, vorzugsweise Blechplatinen, wobei der Laserstrahl (2) von einer zentralen Laserquelle zu einem an einer Roboterhand befestigten Schweißkopf (11) geführt wird, dessen fokussierter Laserstrahl (13) bei der Bearbeitung des Bauteiles vorzugsweise zweidimensionale Bewegungen in x, y-Richtung ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm im Wesentlichen senkrecht zur Bearbeitungsebene (x, y) an einem Maschinenständer (1) in z-Richtung beweglich angeordnet ist, über mindestens zwei in z-Richtung verlaufende bzw. senkrechte Drehachsen (4, 5, 6) verfügt und aus waagerecht und senkrecht angeordneten Rohren (15 bis 20, 22, 24-26) besteht, in denen der Laserstrahl mit Hilfe von Umlenkspiegeln (7 bis 10, 27 und 28) zum Schweißkopf (11) geführt wird.
Bearbeitungssystem für Laseranwendungen, insbesondere Schweißen und/oder Schneiden von Bauteilen, vorzugsweise Blechplatinen, wobei der Laserstrahl (2) von einer zentralen Laserquelle zu einem an einer Roboterhand befestigten Schweißkopf (11) geführt wird, dessen fokussierter Laserstrahl (13) bei der Bearbeitung des Bauteiles vorzugsweise zweidimensionale Bewegungen in x, y-Richtung ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm im Wesentlichen senkrecht zur Bearbeitungsebene (x, y) an einem Maschinenständer (1) in z-Richtung beweglich angeordnet ist, über mindestens zwei in z-Richtung verlaufende bzw. senkrechte Drehachsen (4, 5, 6) verfügt und aus waagerecht und senkrecht angeordneten Armen besteht, an denen zur Zuführung des Laserstrahles Lichtleitkabel oder ähnliche Übertragungselemente außen befestigt sind.
Bearbeitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Schweißkopfes (11) in der Bearbeitungsebene (x/y) frei programmierbar ist.
Bearbeitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißkopf (11) mit einer dritten vertikalen Drehachse (6) ausgestattet ist.
Bearbeitungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schweißkopf (11) eine Sensorik zur Erkennung der tatsächlichen Bearbeitungslage und/oder Bearbeitungsqualität vorhanden ist.
Bearbeitungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schweißkopf (11) eine Prozessgasdüse angeordnet ist.
Bearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm und/oder der Maschinenständer (1) zusätzlich auf einer horizontalen Führungsschiene (31) verfahrbar ist.
Bearbeitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle stationär an einem Ende der Führungsschiene (31) angeordnet ist oder mit dem Maschinenständer horizontal verfahrbar ist.