DE102005039582A1

DE102005039582A1 - Verfahren zum Vorbehandeln eines mit einem Laserstrahl zu bearbeitenden Werkstückes und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102005039582A1
Application number: DE102005039582A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. Becker; Ralf Dipl.-Ing. Bernhardt; Klaus Dipl.-Ing. Goth; Mike Dipl.-Ing. Pälmer (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbehandeln eines mit einem Laserstrahl zu bearbeitenden Werkstückes sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die mit geringem Material- und Kostenaufwand und mit wenigen Prozessschritten eine verbesserte Nahtausbildung zu fügender Werkstücke ermöglichen. Die Erfindung besteht darin, dass zum Vorbehandeln eines mit einem Laserstrahl zu bearbeitenden Werkstückes, bei dem auf mindestens einer Oberfläche des Werkstückes unter Anwendung einer Wärmewirkung mindestens eines von einer Laserstrahlungsquelle ausgehenden Laserstrahles Erhebungen ausgebildet werden, zum ortsrichtigen und unverzerrten Ausbilden der Erhebungen die zeitlichen und räumlichen Abläufe einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl und die zeitliche Leistungsabgabe der Laserstrahlungsquelle mit einem Steuerungsrechner aufeinander abgestimmt werden.

Description

Beim Laserstrahlschweißen von zum Korrosionsschutz beschichteten, überlappt liegenden Stahlblechen kommt es zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial, was zu Schweißfehlern führen kann. Zum Beispiel kann bei verzinkten Blechen Zink schlagartig verdampfen, so dass Schweißspritzer entstehen, welche die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen. Deshalb werden Bleche vor dem Schweißen so verformt, dass Freiräume entstehen, in denen die Dämpfe rasch entweichen können.

In der DE 39 33 408 A1 ist eine Überlapp- oder Steg-Schweißnaht für verzinkte Bleche beschrieben, bei der die Bleche durch Nocken oder Sicken auf Distanz gehalten werden. Die Nocken oder Sicken verlaufen neben der Laserschweißnaht. Zwischen den Nocken bzw. Sicken bestehen Freiräume, durch die Kanäle für das beim Schweißen verdampfende Zink gebildet werden.

In der DE 199 43 752 C1 ist eine Fügestelle für laserverschweißte Bauteile, insbesondere für verzinkte Blechformteile, offenbart, bei der quer zur Schweißnaht verlaufende Entgasungskanäle vorgesehen sind, durch die beim Schweißen entstehende Beschichtungsdämpfe frei nach außen treten können. Die Entgasungskanäle sind in Form von Sicken gebildet.

In der DE 38 12 448 C1 ist ein Verbindungsbereich zweier beschichteter Dünnbleche gezeigt, bei dem Entgasungskammern zur Aufnahme der sich beim Laserschweißvorgang bildenden gasförmigen Beschichtungsstoffe erzeugt werden, indem die Bleche entlang der Schweißnaht mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufeinander stoßen und beidseitig der Schweißnaht voneinander beabstandet sind.

Bei dem Verfahren zum Verschweißen von verzinkten Stahlblechen nach EP 687 519 A1 wird ein oben liegendes Blech dem Schweißfokus eines Laserstrahls vorlaufend so verformt, dass eine Linienberührung mit einem unten liegenden Blech zustande kommt. Dabei werden seitlich der Linienberührung Entgasungstaschen gebildet. Die Positionierung des Laserstrahls ergibt sich unmittelbar aus der Positionierung eines Werkzeuges, welches die Verformung bewirkt.

Bei den oben genannten Verfahren werden durch eine Ausbildung von Sicken, Noppen oder anderen Umformungen Kanäle zum Entweichen der beim Schweißen entstehenden Gase gebildet. Diese dem Schweißen vorangehende Umformungen eines Werkstückes werden mit gesonderten Vorrichtungen hergestellt, die material- und kostenaufwändig sind. Die Umformungen werden in separaten Umformvorrichtungen vorgenommen, so dass ein zusätzlicher Transport der Werkstücke zur Schweißvorrichtung erforderlich ist. In der Regel sind zusätzliche Fertigungsmessanordnungen und Spannvorrichtungen erforderlich. Werden eine Umformvorrichtung und eine Schweißvorrichtung baulich vereinigt, dann ergeben sich Beschränkungen hinsichtlich des Bauraumes und aufgrund des Gewichtes dynamische Positionierprobleme, wenn die Vorrichtungen neben mitlaufenden Spannvorrichtungen am Arm eines Roboters montiert werden.

Bei dem aus der DE 102 41 593 A1 bekannten Verfahren zur Laserbearbeitung beschichteter Bleche werden mit einer Scannereinrichtung aus der Oberfläche eines Bleches herausragende Topographieänderungen erzeugt. Die Topographieänderungen entstehen auf der dem Laserstrahl zugewandten Oberfläche durch Defokussierung eines Laserstrahles in Form eines gleichmäßig konturierten Berges oder auf der dem Laserstrahl abgewandten Oberfläche, indem ein Blech durchgehend aufgeschmolzen wird.

In der DE 102 09 479 A1 ist eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen einer Stumpfschweißnaht gezeigt, bei der eine Schweißoptik an einem räumlich beweglichen Schlitten angeordnet ist. Zum Steuern der Position der Schweißoptik und zweier Werkstücke zueinander ist der Schlitten mit mechanischen oder elektrischen Kopiertastern verbunden. Beim Schweißen folgt ein Taster der Kontur eines der Werkstücke. Die Werkstücke liegen beim Schweißen aneinander an. Es müssen keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, um negative Auswirkungen durch beim Schweißen entstehende Gase zu vermeiden.

Bei einem Laserschweißverfahren nach DE 100 61 644 A1 werden die Position und Bewegungsparameter, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, eines zu schweißenden Objektes berührungslos mit Sensoren erfasst. Die Sensorsignale werden mit einem Schweißprogramm in einer Steuerung zu Stellsignalen für eine ortsfeste Ablenkvorrichtung, eine Fokussiereinrichtung und einen Leistungssteller eines Laserstrahles verarbeitet. Das Verfahren gestattet eine Vergrößerung des Bearbeitungsraumes der Laserschweißvorrichtung.

In dem DE 198 56 347 C2 ist ein Laserstrahl-Schneidverfahren beschrieben, bei dem eine Relativbewegung zwischen einem Laserstrahl und einem zu schneidenden Werkstück erzeugt wird. Die Relativbewegung folgt dem Verlauf einer Führungsnut in einem Werkstückträger. Die Leistung des Laserstrahles und der Zustrom eines fluiden Kühlmediums werden so gesteuert, dass eine thermomechanische Spannung entlang einer Trennlinie induziert und ein Aufschmelzen des Werkstückmaterials vermieden wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vorbehandeln eines mit einem Laserstrahl zu bearbeitenden Werkstückes und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, die mit geringem Material- und Kostenaufwand und mit wenigen Prozessschritten eine verbesserte Nahtausbildung zu fügender Werkstücke ermöglichen.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung werden Erhebungen, wie Oberflächennoppen oder Durchschussnoppen, an einer Fügefläche eines Werkstückes durch die Wärmewirkung mindestens eines Laserstrahles erzeugt.

Das Verfahren und die Vorrichtung gestatteten vorteilhaft die Herstellung der Erhebungen mit einem nachfolgenden Fertigungsverfahren, wie Schweißen oder Löten, zu kombinieren. Hierzu werden ein Rechner und ein Programm verwendet, mit denen ein zeitlicher und räumlicher Bewegungsablauf eines zu noppenden Werkstückes und/oder ein zeitlicher und räumlicher Bewegungsablauf eines Laserstrahles auf einer Oberfläche des Werkstückes und die zeitliche Leistungsabgabe der Laserstrahlungsquelle aufeinander abgestimmt werden. Dadurch entstehen die Noppen unabhängig von der Bewegung des Werkstückes und/oder des Laserstrahles unverzerrt an einem gewünschten Ort auf dem Werkstück.

Wesentlich ist, dass die Taktfrequenz, mit welcher der Steuerungsrechner die Abstimmung der Bewegungs- und/oder Leistungssteuerung vornimmt, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und/oder der Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung geändert wird. Dies erlaubt eine hinsichtlich des Rechenaufwandes und damit (Echt-)zeitoptimierte Steuerung.

Entweder kann die Geschwindigkeit und/oder die Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung offline anhand einer zeitlich und räumlich vorgegebenen Bahn der Relativbewegung bestimmt werden oder der Steuerungsrechner erfasst echtzeitnah die Relativpositionen von Werkstück und Laserstrahl und ermittelt daraus online die Geschwindigkeit und/oder die Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung. Die zweite Variante erfolgt vorzugsweise anhand eines festgelegten Schweißplans in absoluten Bauteilkoordinaten (sogenanntes „Festplannoppen") oder anhand eines gelernten Ablaufprogramms für die Erzeugung der Erhebungen (sogenannter „Teachsatzbetrieb").

Die Einrichtung (Lernen) eines Ablaufprogramms erfolgt typischerweise mit Hilfe von Teach-In-Funktionen der Steuerung, insbesondere eines Transportsystems des Werkstücks. Hierzu ist eine Positionserfassung der Relativkoordinaten aller beteiligten Komponenten sowie deren Kalibrierung in einer Nulllage erforderlich. Die Taktfrequenz der online Positionserfassung und deren Weiterleitung an den Steuerungsrechner ist abhängig von der Geschwindigkeit und/oder der Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung von Werkstück und Laserstrahl. Die Positionserfassung kann über bekannte Bilderkennungsverfahren erfolgen oder über TCP-Koordinaten Roboter.

Das Verfahren ist insbesondere bei der Vorbereitung von mit Korrosionsschutzmitteln beschichteten Stahlblechen zum Laserschweißen in der Karosserie-Fertigung anwendbar. Das Verfahren benötigt nur einen geringen fertigungstechnischen Aufwand, so dass Fertigungskosten eingespart werden können.

Das Verfahren kann in unterschiedlichen Varianten ablaufen. Bei einer ersten Variante wird ein Werkstück in eine Transportvorrichtung aufgenommen. Mit der Transportvorrichtung wird das Werkstück in den Bearbeitungsbereich einer Laserstrahlvorrichtung gefördert und im Bearbeitungsbereich angehalten. Das Werkstück wird mit einem Laserstrahl genoppt, wobei eine Bearbeitungsoptik der Laservorrichtung programmgemäß bewegt wird. Anschließend wird das Werkstück mit der Transportvorrichtung aus dem Bearbeitungsbereich heraus geführt und für nachfolgende Bearbeitungsschritte in eine Übergabestelle oder in eine Vorrichtung abgelegt. Alternativ kann das Werkstück zum Lasernoppen aus der Transportvorrichtung entnommen und in eine Haltevorrichtung im Bearbeitungsbereich der Laservorrichtung übergeben werden. Nach dem Lasernoppen wird dann das Werkstück der Haltevorrichtung entnommen und mit der Transportvorrichtung weitergefördert.

Bei einer weiteren Variante wird das Werkstück mit einer Transportvorrichtung im Bearbeitungsbereich einer Laservorrichtung mit einer stationären Bearbeitungsoptik programmgemäß positioniert und gleichzeitig genoppt. Anschließend wird das Werkstück aus dem Arbeitsbereich gefördert und für nachfolgende Bearbeitungsschritte in eine Übergabestelle oder in eine Vorrichtung abgelegt.

Im Ablauf in einer weiteren Variante werden ein Werkstück in einer Transportvorrichtung und die Bearbeitungsoptik einer Laserstrahlvorrichtung gleichzeitig entsprechend einem Programm so positioniert, dass Noppen wie gewünscht an einer Fügefläche des Werkstückes entstehen. Wie bei den vorgenannten Varianten wird das Werkstück anschließend aus dem Arbeitsbereich gefördert und für nachfolgende Bearbeitungsschritte in eine Übergabestelle oder in eine Vorrichtung abgelegt.

Bei einer weiteren Variante befindet sich ein Werkstück in einer Transportvorrichtung und wird in den Arbeitsbereich einer Laserstrahlvorrichtung gefördert. Zum anschließenden Noppen verbleibt das Werkstück in der Transportvorrichtung oder wird durch die Transportvorrichtung in eine Haltevorrichtung im Arbeitsbereich abgelegt. Beim Noppen werden das Werkstück und eine Bearbeitungsoptik der Laserstrahlvorrichtung nicht bewegt. Die Bearbeitungsoptik enthält eine Einrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahles, die programmgemäß so angesteuert wird, dass Noppen an den gewünschten Stellen mit der gewünschten Form entstehen. Das Werkstück wird anschließend aus dem Arbeitsbereich gefördert und für nachfolgende Bearbeitungsschritte in eine Übergabestelle oder in eine Vorrichtung abgelegt.

Für einen nachfolgenden Bearbeitungsschritt, wie z.B. Laserschweißen, kann das Werkstück in einer Haltevorrichtung verbleiben, die beim Lasernoppen verwendet wurde.

Wenn ein Werkstück in einer Transportvorrichtung genoppt wird, dann ist die Transportvorrichtung je nach Art, Lage und Form der herzustellenden Noppen so ausgebildet, dass das Werkstück lagerichtig gehalten bzw. bewegt wird. Die Elemente, insbesondere Spannelemente, der Transportvorrichtung bilden kein Zugangshindernis für den Bearbeitungslaserstrahl. Das Werkstück ist in der Transportvorrichtung so aufgenommen bzw. wird mit der Transportvorrichtung so bewegt, dass sich die Bearbeitungsstellen innerhalb einer vorgegebenen Lagetoleranz befinden. Der Transportvorrichtung kann ein Geber für Positionsmesswerte des Werkstückes zugeordnet sein, wobei die Messwerte einer Steuereinrichtung zugeführt werden. Die Messwertaufnahme kann abhängig von einer Änderung eines Geschwindigkeitsvektors der Bewegung des Werkstückes taktgesteuert geschehen. Die Messwertaufnahme kann Mittel zur Bilderkennung, z.B. an einem Palettenband enthalten, wobei in der Steuereinrichtung die Koordinaten eines Roboterarmes verarbeitet werden, an dem eine Laserstrahlvorrichtung oder das Werkstück befestigt ist.

Die Transportvorrichtung kann zur Aufnahme von zwei oder mehreren zu verbindenden Werkstücken ausgebildet sein. Beim Erzeugen von Durchschussnoppen werden die Werkstücke vorher auf Distanz gebracht. Beim Erzeugen von Oberflächennoppen werden die Werkstücke vorher so positioniert, dass mindestens eine zu noppende Fügeinnenseite zur Bearbeitungsoptik einer Laserstrahlvorrichtung zeigt. Nach dem Lasernoppen werden die Werkstücke lagerichtig für das Laserschweißen zueinander positioniert. Als Transportvorrichtung sind z.B. ein Roboter mit einem Greifer, ein Palettenpufferband, ein Kettenmagazin, Transportpaletten, so genannte Overhead-Systeme oder Shuttle, Rollenbahnen und dergleichen verwendbar.

Sofern nicht direkt in der Transportvorrichtung genoppt wird, kommen Haltevorrichtungen für zu noppende und zu schweißende Werkstücke zum Einsatz. Eine Haltevorrichtung kann fest mit einer Transportvorrichtung verbunden sein oder ist über ein Wechslersystem auf der Transportvorrichtung austauschbar angeordnet. Wenn die Haltevorrichtung beim Noppen und Schweißen verwendet wird, dann nimmt die Haltevorrichtung beim Herstellen von Oberflächennoppen vorzugsweise ein unten liegendes Werkstück lagerichtig auf. Die Bearbeitungsstellen sind durch die Haltevorrichtung bzw. durch Spannelemente der Haltevorrichtung in Bezug auf einen Bearbeitungslaserstrahl nicht abgeschattet. Nach dem Noppen wird ein zweites Werkstück aufgelegt und mit dem ersten Werkstück an den Fügeflächen gespannt, so dass anschließend eine Schweißverbindung ausgeführt werden kann. Beim Herstellen von Durchschussnoppen werden zwei zu verbindende Werkstücke in der Haltevorrichtung mit einem Abstand von mehr als 1 mm lagerichtig gehalten. Nach dem Herstellen der Durchschussnoppen werden die Werkstücke zueinander in der Haltevorrichtung gespannt, so dass anschließend die Schweißverbindung ausgeführt werden kann.

Als Spannelemente in der Transportvorrichtung oder in der Haltevorrichtung werden vorteilhaft einseitig wirkende Spannelemente, wie Sauger oder Magnete, verwendet. Die Spannelemente sind so angeordnet, dass keine Abschattung eines Laserstrahles auftritt. Die Spannelemente müssen nur so hohe Spannkräfte aufbringen, dass die Lage der Bearbeitungsstellen auch bei raschen Veränderungen der Werkstückgeschwindigkeit gesichert ist.

Die Laserstrahlvorrichtung kann mit Standardschweißoptik ohne bewegte optische Elemente ausgestattet sein. Weiterhin sind Laserköpfe mit einer so genannten Scanner-Optik verwendbar, die schnell bewegte Spiegel zum Ablenken eines Laserstrahles enthält, welche in Echtzeit ansteuerbar sind. Die Laserstrahlvorrichtungen können vorteilhaft mit Sensoren ausgestattet sein, die die für den Betrieb notwendigen Diagnosesignale an eine Steuereinrichtung liefern. Die Laserstrahlungsquellen selbst können ebenfalls in Echtzeit ansteuerbar vorgesehen werden. Die Laserstrahlungsquellen liefern hochenergetische Laserstrahlen im Pulsbetrieb mit Pulsdauern im Bereich zwischen 0,1 ms und 500 ms oder im Dauerbetrieb mit 0,5 kW bis 10 kW. Als Laserstrahlungsquelle sind Halbleiterlaser oder Gaslaser einsetzbar. Zur Strahlführung zwischen einer Laserstrahlungsquelle und einem Laserkopf können vorteilhaft Lichtleitkabel oder Strahlführungsrohre verwendet werden.

Um die beteiligten Systemkomponenten in Ort und Zeit aufeinander abzustimmen, läuft ein Steuerungsprozess ab, der bewirkt, dass die Lasernoppen unabhängig von der zugrunde liegenden Bewegung eines Werkstückes oder eine Bearbeitungsoptik ortsrichtig und unverzerrt auf dem Werkstück erscheinen. Die Ansteuerung der Laserstrahlungsquelle, der Bearbeitungsoptik, der Transportvorrichtung und der Haltevorrichtung mit den Spannvorrichtungen wird an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst. Zeitunkritische Abläufe, wie z.B. das Aufspannen eines Werkstückes in einer ortsfesten Spannvorrichtung vor dem Noppenprozess, werden mit herkömmlichen Steuervorrichtungen durchgeführt. Zeitkritische Abläufe, wie z.B. die Ansteuerung einer bewegten Bearbeitungsoptik, werden mit einem speziellen Rechner durchgeführt, der in einer der beteiligten Steuerungskomponenten, wie der Steuerung der Bearbeitungsoptik oder der Transportvorrichtung, integriert sein kann.

Der Steuerungsprozess beim Lasernoppen und Laserschweißen läuft mit Hilfe eines Rechners ab, der als separater Steuerungsrechner typischerweise drei Komponenten bei der Noppenherstellung synchronisiert: einen Roboter, eine Bearbeitungsoptik und eine Laserquelle. Die Synchronisation läuft mit einer echtzeitnahen Kommunikation mit einer Steuerung des Transportsystems für ein Werkstück und/oder der Bearbeitungsoptik im Arbeitstakt von typisch 12 ms (IPO-Takt) ab. Weiterhin werden die Bearbeitungsoptik mit Stellelementen in zwei bis drei Freiheitsgraden und die Leistungssteller der Laserstrahlungsquelle echtzeitnah im Takt von typisch 1 ms angesteuert.

Wesentlich ist, dass die Taktfrequenz, mit welcher der Steuerungsrechner die Abstimmung der Bewegungs- und/oder Leistungssteuerung vornimmt, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und/oder der Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung von Werkstück und Laserstrahl geändert wird.

Hierzu kann ein so genannter Master-Rechner die Position der Transportvorrichtung auslesen und Bearbeitungsoptik und Laserstrahlungsquelle gemäß dieser Position kontrollieren. Das im Master-Rechner ablaufende Programm kann anhand eines Schweißplanes Noppen in absoluten Werkstückkoordinaten erzeugen. Hierbei handelt es sich um ein so genanntes Festplan-Noppen. Weiterhin können Noppendaten im Ablaufplan der Transportvorrichtung hinterlegt sein und verarbeitet werden. Hierbei handelt es sich um einen so genannten Teach-Satzbetrieb.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Master-Rechner besagte drei Komponenten gemäß offline ermittelter Bahnen und Trigger-Funktionen kontrolliert.

Die Einrichtung eines Ablaufprogramms erfolgt typischerweise mit Hilfe der entsprechend erweiterten Teach-In-Funktionen der Steuerung der Transportvorrichtung. Voraussetzung hierzu sind Kalibrierdaten bezüglich der relativen Lage aller beteiligten Komponenten im Raum, die über gesonderte Kalibrierverfahren in ihrer Nulllage ermittelt werden. Offline-Programmiermöglichkeiten werden bei Bedarf ebenfalls entsprechend angepasst bzw. erweitert.

Für den Fall der Verwendung einer bewegten Bearbeitungsoptik und stationärem Werkstück wird die Position der Bearbeitungsoptik echtzeitmäßig erfasst und in ein gemeinsames Bezugssystem umgerechnet. Der Master-Rechner triggert den Erzeugungsprozess für die einzelnen Noppen nach einer geeigneten Triggerstrategie, wie z.B. nach dem Abstand, jedoch frühestens zu dem Zeitpunkt, zu dem das mitbewegte Scan-Feld der Bearbeitungsoptik den Ort der zu erzeugenden Noppe erreicht. Der Master-Rechner kompensiert während des Noppenprozesses die Bewegung der mitgeführten Bearbeitungsoptik, so dass das Noppenmuster unverzerrt an der gewünschten Stelle auf dem Werkstück erscheint.

Für den Fall der Verwendung einer statischen Bearbeitungsoptik und einem bewegten Werkstück wird die Position des aufgespannten Werkstückes in Echtzeit erfasst, an den Master-Rechner übertragen und dort in ein gemeinsames Bezugssystem, z.B. der Transportvorrichtung oder der Bearbeitungsoptik, umgerechnet. Der Master-Rechner triggert den Erzeugungsprozess für die einzelnen Noppen nach einer geeigneten Triggerstrategie, wie z.B. den Abstand, jedoch frühestens bei Eintritt des Zielpunktes einer Noppe in das statische Scanfeld der Bearbeitungsoptik. Der Master-Rechner kompensiert während des Noppenprozesses die Bewegung des Werkstückes, so dass das Noppenmuster unverzerrt an der gewünschten Stelle auf dem Bauteil erscheint.

Für den Fall der Verwendung einer bewegten Bearbeitungsoptik und eines bewegten Werkstückes wird sowohl die Position des bewegten Werkstückes wie auch die Position der bewegten Bearbeitungsoptik in Echtzeit erfasst, an den Master-Rechner übertragen und dort auf ein gemeinsames Bezugssystem umgerechnet. Der Master-Rechner triggert den Erzeugungsprozess für die Noppen nach einer geeigneten Triggerstrategie, wie z.B. den Abstand, jedoch frühestens zu dem Zeitpunkt, zu dem das Scanfeld der Bearbeitungsoptik den nicht statischen Ort der zu erzeugenden Noppe erreicht. Der Master-Rechner kompensiert während des Noppenprozesses die Bewegung beider mitgeführter Systeme, so dass das Noppenmuster unverzerrt an der gewünschten Stelle auf dem Werkstück erscheint.

Für den Fall der Verwendung einer statischen Bearbeitungsoptik und eines statischen Werkstückes wird die Position des Werkstückes relativ zur ortsfesten Bearbeitungsoptik nur einmal im Rahmen eines Kalibriervorganges bei der Einrichtung der Noppenstation erfasst, an den Master-Rechner übertragen und dort in das Bezugssystem der Bearbeitungsoptik umgerechnet. Der Master-Rechner startet und kontrolliert den Erzeugungsprozess für die Noppen gemäß den fest eingelernten Positionen.

Der Noppenprozess kann mit Hilfe von Sensoren realisiert werden. Insbesondere können Sensoren zur Kontrolle der Qualität des Noppens vorgesehen werden, die vorzugsweise mit der Bearbeitungsoptik verbunden sind. Besonders geeignet sind kamerabasierte Sensorsysteme. Weiterhin ist eine Sensorik zum Bestimmen der Werkstückposition bzw. der Werkstückbewegung anwendbar, insbesondere dann, wenn ein Werkstück mit einer Transportvorrichtung in den Arbeitsbereich einer Scanneroptik hineingeführt wird.

Die Geschwindigkeiten einer Transportvorrichtung und einer Bearbeitungsoptik bzw. von Scanner-Spiegeln der Bearbeitungsoptik sind so aufeinander abgestimmt, dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit für den Noppenvorgang nicht eingeschränkt ist. In den Fällen, bei denen ein Werkstück bewegt wird, kann das Noppen im Vorbeifahren an einer Laserstrahlvorrichtung geschehen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, es zeigen:
1: ein Schema einer Ablaufvariante mit bewegter Bearbeitungsoptik und ortsfestem Bauteil,
2: ein Schema einer Ablaufvariante mit ortsfester Bearbeitungsoptik und bewegtem Bauteil,
3: ein Schema einer Ablaufvariante mit bewegter Bearbeitungsoptik und bewegtem Bauteil, und
4: ein Schema einer Ablaufvariante mit ortsfester Bearbeitungsoptik und ortsfestem Bauteil.
In schematischer Darstellung ist in 1 eine Ablaufvariante mit bewegter Bearbeitungsoptik 1 und ortsfestem Bauteil 2 gezeigt. Ein als Transportvorrichtung dienender Roboter nimmt mit einem geeigneten Bauteilgreifer das zu noppende Bauteil 2 auf und legt es lagerichtig in einer Vorrichtung 3 ab, welche an einem Gestell 4 befestigt ist. Die zu noppende Seite des Bauteils 2 liegt zur Erzeugung von Oberflächennoppen oben. Der Raum über den zu noppenden Bereichen mit Fügeflanschen des Bauteils 2 ist für die Bearbeitungsoptik 1 frei zugänglich. Die Bearbeitungsoptik 1 ist Bestandteil eines Laserbearbeitungskopfes 5, der an einem Flansch 6 eines Roboters 7 befestigt ist. Die Lage des Bauteils 2 ist mit Spannfingern in der Vorrichtung 3 fixiert. Die Kräfte zur Fixierung des Bauteils 2 liegen im Bereich um 100 N. Die Spannfinger befinden sich in einem Abstand von ca. 300 mm entlang der Fügeflansche. Die Spannfinger sind so gestaltet, dass sie beim Spannen nur 10 bis 20 mm über die Oberfläche des Bauteils 2 herausragen und sich außerdem nach oben mit ca. 15° etwas verjüngen. Die Bearbeitungsstellen für den Noppenprozess werden dadurch nicht abgeschattet.
Die Bearbeitungsoptik 1 ist als 2D-Laserscanner ausgeführt. Durch zwei schnellbewegliche Spiegel kann ein Laserstrahl 8 innerhalb eines Bearbeitungsfeldes auf der Oberfläche des Bauteils 2 positioniert und bewegt werden. Der Roboter 7 besitzt Bewegungsmöglichkeiten um sechs Achsen. Mit dem Roboter 7 kann die Bearbeitungsoptik 1 mit einem Abstand von ca. 300 mm über der Oberfläche des Bauteils 2 bewegt werden. Die Bahn des Roboters 7 und die Lage der Lasernoppen wurden zuvor eingelernt. Der Noppenprozess geschieht während der robotergeführten Bewegung des Laserscanners über der Oberfläche des Bauteils 2. Als Laser wird ein diodengepumpter YAG-Laser 9 mit einer maximalen Dauerleistung von 3 bis 4 kW eingesetzt. Das Laserlicht wird mit einem Lichtleitkabel 10 vom Laser 9 zum Laserbearbeitungskopf 5 übertragen. Der Laser 9 steht zum Ein- und Ausschalten und zur Leistungssteuerung mit einem Steuerrechner 11 in Verbindung. Vom Steuerrechner 11 führen weiterhin Steuerleitungen 12, 13 zu den Aktoren für die Ablenkspiegel der Bearbeitungsoptik 1. Der Steuerrechner 11 hat eine Schnittstelle und Verbindungen 14 zu einer Robotersteuerung 15, die mit dem Roboter 7 verbunden ist.
Mit dem Steuerrechner 11 werden im Arbeitstakt des Roboters 7 die Positionsdaten der Bearbeitungsoptik 1 erfasst. Der Steuerungsrechner 11 triggert den Herstellungsprozess für die einzelnen Noppen zu dem Zeitpunkt, zu dem das mitbewegte Scanfeld der Bearbeitungsoptik 1 den Ort der zu erzeugenden Noppe erreicht. Der Steuerungsrechner 11 errechnet echtzeitnah aus den erfassten Positionsdaten der Bearbeitungsoptik und den zuvor eingelernten Positionen für die Noppen die Kompensationsbewegungen der Ablenkspiegel und die Vorgabe für die Laserleistung. Über eine Schnittstellenkarte werden die Steuersignale in einem geschwindigkeitsabhängigen ms-Takt an den Laserbearbeitungskopf 5 und den Laser 9 übermittelt. Der Herstellungsprozess für eine Noppe dauert wenige 10 ms. Pro Schweißpunkt zum Verbinden des Bauteils 2 mit einem anderen Bauteil werden eine bis fünf Noppen erzeugt. Der Roboter 7 bewegt die Bearbeitungsoptik 1 mit 10 bis 25 m/min über den zu noppenden Bereich des Bauteils 2. Zwischen den einzelnen Noppen wird der Laserstrahl 8 durch die Ablenkspiegel mit maximaler Geschwindigkeit zur nächsten herzustellenden Noppe bewegt. Die Roboterbahn muss nicht direkt über die zu erzeugenden Noppen gelegt werden. Es reicht aus, wenn die Noppen während der Überfahrt eine für den Prozess der Noppenherstellung ausreichende Zeit im Scanfeld der Bearbeitungsoptik 1 liegen. Nach dem Noppenprozess werden die Spannfinger geöffnet. Der Transportroboter entnimmt das Bauteil 2 aus der Vorrichtung 3 und legt es für den nachfolgenden Schweißprozess in eine Schweißvorrichtung ein.
Sofern in der nachstehenden Beschreibung bereits eingeführte Bezugszeichen verwendet werden, handelt es sich um äquivalente Elemente oder Symbole.
2 zeigt ein Schema einer Ablaufvariante mit ortsfester Bearbeitungsoptik 1 und bewegtem Bauteil 2. Ein Transportroboter 16 entnimmt mit einem geeigneten Bauteilgreifer 17 das zu noppende Bauteil 2 aus einem Bevorratungsbehälter. Der Bauteilgreifer 17 ist mit Spannelementen 18 ausgestattet, die das Bauteil 2 im Bauteilgreifer 17 fixieren. Anordnung, Kräfte und Ausprägung der Spannelemente 18 sind vergleichbar mit denen im Ausführungsbeispiel nach 1. Das Bauteil 2 wird im Bauteilgreifer 17 des Transportroboters 16 während der Zuführbewegung zu einer Schweißvorrichtung genoppt. Dabei bewegt der Transportroboter 16 das Bauteil 2 bzw. die zu noppenden Bereiche des Bauteils 2 mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 20 m/min in einem Abstand von ca. 500 bis 650 mm unter der Bearbeitungsoptik 1 vorbei, die mit einem Halter 19 fest an einem Gestell 20 angeordnet ist. Als Laser 9 wird ein gepulster YAG-Laser mit einer Pulsleistung von 5 bis 10 kW eingesetzt.
Der Steuerungsrechner 11 erfasst im Takt des Transportroboters 16 die Position bzw. die Bewegung des im Bauteilgreifer aufgespannten Bauteils 2. Der Steuerungsrechner 11 triggert den Herstellungsprozess für die einzelnen Noppen bei Eintritt des Zielpunktes für die Noppe in das statische Scanfeld der Bearbeitungsoptik 1. Der Steuerungsrechner 11 errechnet in Echtzeit die Kompensationsbewegung der zwei Ablenkspiegel der Bearbeitungsoptik 1 und eine Hubbewegung einer dritten Scannerachse während des Noppenprozesses, so dass das Noppenmuster unverzerrt an der gewünschten Stelle auf dem Bauteil 2 erscheint. Weiterhin ermittelt der Steuerungsrechner 11 die synchrone Leistungsvorgabe für den Laser 9. Über eine Schnittstellenkarte werden Steuersignale im ms-Takt von dem Steuerungsrechner 11 an die Bearbeitungsoptik 1 und den Laser 9 übermittelt.
Nachdem das Bauteil 2 fertig genoppt wurde, legt der Transportroboter 16 das Bauteil 2 lagerichtig mit den Oberflächennoppen nach unten in eine Laserschweißvorrichtung.
In der Laserschweißvorrichtung wurde zuvor der Fügepartner des genoppten Bauteils 2 eingelegt.
Bei einer Ablaufvariante nach 3 mit bewegter Bearbeitungsoptik 1 und bewegtem Bauteil 2 werden ein Roboter 7 und ein Transportroboter 16 verwendet, die die Bearbeitungsoptik 1 und das Bauteil 2 tragen. Jedem Roboter 7, 16 ist eine Robotersteuerung 15.1, 15.2 zugeordnet, die über Leitungen 14.1, 14.2 mit einem Steuerungsrechner 11 verbunden sind. Die Robotersteuerungen 15.1, 15.2 kommunizieren über Leitungen 21 miteinander. Die Ablaufvariante nach 3 bietet aufgrund der Bewegungsmöglichkeiten beider Roboter 7, 16 ein Höchstmaß an Flexibilität. Die Bewegungen der Roboter 7, 16 sind aufeinander abgestimmt, so dass Noppen auch an schwer erreichbaren Stellen möglich ist. Im Übrigen trifft das zu 1 und 2 Gesagte zu.
Bei einer Ablaufvariante nach 4 sind eine Bearbeitungsoptik 1 und ein Bauteil 2 ortsfest angeordnet. Der Ablenkbereich der Ablenkspiegel in der Bearbeitungsoptik 1, deren Abstand zur Oberfläche des Bauteils 2 und die Laserleistung des Lasers 9 gestatten ein Noppen über einen weiten Arbeitsbereich, so dass ein Umsetzen des Bauteils 2 nicht erforderlich ist. Bei dieser Variante kann auf Roboter und zugehörige Steuerungen verzichtet werden. Im Übrigen gilt das zu 1 und 2 Gesagte.

1: Bearbeitungsoptik
2: Bauteil
3: Vorrichtung
4: Gestell
5: Laserbearbeitungskopf
6: Flansch
7: Roboter
8: Laserstrahl
9: Laser
10: Lichtleitkabel
11: Steuerungsrechner
12, 13: Steuerleitung
14: Verbindungsleitung
15: Robotersteuerung
16: Transportroboter
17: Bauteilgreifer
18: Spannelement
19: Halter
20: Gestell
21: Leitung

Claims

Verfahren zur Laserbearbeitung eines beschichteten Werkstückes, bei dem auf mindestens einer Oberfläche des Werkstückes unter Anwendung einer Wärmewirkung mindestens eines von einer Laserstrahlungsquelle ausgehenden Laserstrahles Erhebungen ausgebildet werden, bei dem Werkstück und/oder Laserstrahl relativ zueinander bewegt werden, bei dem zum ortsrichtigen und unverzerrten Ausbilden der Erhebungen die zeitlichen und räumlichen Abläufe der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl und die zeitliche Leistungsabgabe der Laserstrahlungsquelle mit einem Steuerungsrechner aufeinander abgestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz, mit welcher der Steuerungsrechner die Abstimmung der Bewegungs- und/oder Leistungssteuerung vornimmt, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und/oder der Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit und/oder die Geschwindigkeitsänderung offline anhand einer zeitlich und räumlich vorgegebenen Bahn der Relativbewegung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsrechner in Echtzeit die Relativpositionen von Werkstück und Laserstrahl erfasst und daraus die Geschwindigkeit und/oder die Geschwindigkeitsänderung ermittelt und zwar vorzugsweise • anhand eines festgelegten Schweißplans in absoluten Bauteilkoordinaten oder • anhand eines gelernten Ablaufprogramms für die Erzeugung der Erhebungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in einen Arbeitsbereich einer beweglichen Laserstrahlvorrichtung gebracht wird, und dass die Laserstrahlvorrichtung bezüglich des ruhenden Werkstückes bewegt und die Laserstrahlungsquelle der Laserstrahlvorrichtung so angesteuert wird, dass die Erhebungen gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in einen Arbeitsbereich einer ortsfesten Laserstrahlvorrichtung gebracht wird, und dass das Werkstück bezüglich der Laserstrahlvorrichtung bewegt und die Laserstrahlungsquelle der Laserstrahlvorrichtung so angesteuert wird, dass die Erhebungen gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in einen Arbeitsbereich einer beweglichen Laserstrahlvorrichtung gebracht wird, und dass das Werkstück und eine Laserstrahlvorrichtung beide relativ zueinander bewegt werden und die Laserstrahlungsquelle der Laserstrahlvorrichtung so angesteuert wird, dass die Erhebungen gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in einen Arbeitsbereich einer ortsfesten Laserstrahlvorrichtung gebracht wird, und dass eine Laserstrahlablenkvorrichtung und die Laserstrahlungsquelle der Laserstrahlvorrichtung so angesteuert werden, dass die Erhebungen auf dem ruhenden Werkstück gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück während dem Erzeugen der Erhebungen auf einer Transportvorrichtung gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem mit der Transportvorrichtung verbundenen Positionsmeßsystem Positionsdaten des Werkstückes erzeugt und an eine Steuervorrichtung übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück zum Erzeugen der Erhebungen aus einer Transportvorrichtung in eine Haltevorrichtung im Arbeitsbereich einer Laserstrahlvorrichtung gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück zum nachfolgenden Fügen mit einem weiteren Werkstück an Fügeflächen gepaart wird und in der Haltevorrichtung durch einen Laserstrahl verschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl durch einen Roboter vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Werkstücke überlappend und voneinander beabstandet in einen Arbeitsbereich einer Laserstrahlvorrichtung gebracht werden, dass eine Laserstrahlungsquelle der Laserstrahlvorrichtung so angesteuert wird, dass die Erhebungen an einer Fügefläche eines der Werkstücke gebildet werden, dass die Werkstücke an ihren Fügeflächen im Abstand der Erhebungen gepaart und fixiert werden, und dass die Werkstücke durch Laserschweißen verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Werkstück in einen Arbeitsbereich einer Laserstrahlvorrichtung gebracht wird, dass eine Laserstrahlungsquelle der Laserstrahlvorrichtung so angesteuert wird, dass die Erhebungen an einer Fügefläche des ersten Werkstückes gebildet werden, dass ein zweites Werkstück mit dem ersten Werkstück an Fügeflächen im Abstand der Erhebungen überlappend gepaart und fixiert wird, und dass die Werkstücke durch Laserschweißen verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen der Erhebungen verwendete Laserstrahlungsquelle zum Laserschweißen verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einer Laserstrahlungsquelle deren Laserstrahl zum Ausbilden von Erhebungen auf eine Oberfläche eines Werkstückes gerichtet ist, wobei der Laserstrahl relativ zum Werkstück beweglich ist, wobei die Leistungsabgabe der Laserstrahlungsquelle zeitlich einstellbar ist, und wobei ein Steuerungsrechner vorgesehen ist, der über Steuerleitungen mit einer Anordnung zur zeitlichen und räumlichen Relativbewegung von Laserstrahl und Werkstück und mit einer Anordnung zur zeitlichen Steuerung der Leistungsabgabe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsrechner derart eingerichtet ist, dass die Taktfrequenz, mit welcher der Steuerungsrechner die Abstimmung der Bewegungs- und/oder Leistungssteuerung vornimmt, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und/oder der Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung änderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, das ein Positionsmeßsystem für die Lage und Orientierung des Werkstückes vorgesehen ist, und das das Positionsmeßsystem mit dem Steuerungsrechner in Verbindung steht.