DE102006056252A1

DE102006056252A1 - Vorrichtung zur Führung eines Energiestrahls

Info

Publication number: DE102006056252A1
Application number: DE102006056252A
Authority: DE
Inventors: Igor Haschke
Original assignee: Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: WO2008037548A1; DE102006056252B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung eines Energiestrahls (4) entlang eines Stoßes (7) zweier mittels des Energiestrahls zu verbindender Werkstücke (14), mit einer Energiestrahlzuführeinrichtung (2) und einem dem Wirkpunkt (5) des Energiestrahls vorlaufenden Führungsfinger (3), der mispannt wird. Um bei einer solchen Vorrichtung eine genauere Nahtführung zu erreichen, ist erfindungsgemäß mindestens ein Sensor vorgesehen, der in einem den Wirkpunkt (5) des Energiestrahles umfassenden Bereich die Lage des Stoßes (7) relativ zu dem Führungsfinger (3) detektiert. Des Weiteren sind ein an dem Führungsfinger (3) abgestützter Aktor (8) und eine Reglungseinrichtung (R) vorgesehen, wobei der Führungsfinger (3) über den Aktor (8) mit der Energiestrahlzuführeinrichtung (2) verbunden ist. Die Reglungseinrichtung (R) steuert den Aktor (8) in Abhängigkeit der detektierten Lage des Stoßes relativ zum Führungsfinger (3) so an, dass der Wirkpunkt des Energiestrahls (4) an einer gewünschten Position am Stoß (7) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung eines Energiestrahls entlang eines Stoßes zweier mittels des Energiestrahles zu verbindender Werkstücke, mit einer Energiestrahlzuführeinrichtung und einem dem Wirkpunkt des Energiestrahls vorlaufenden Führungsfinger, der mit einer Andruckkraft gegen den Stoß vorgespannt wird.
Die DE 100 06 852 C5 offenbart eine vorteilhafte Vorrichtung zum Fügen von Werkstückteilen mittels eines Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls, unter Verwendung von Zusatzdraht, bei der der Zusatzdraht als mechanisches Tastelement zur Nahtführung verwendet wird. Der Bezugspunkt der Nahtführung liegt dort also im wesentlichen am Schmelzbadrand, das heißt am Rand der momentanen Schweiß- bzw. Lötstelle. Diese Vorrichtung hat allerdings ihre Grenzen und bringt gewisse Probleme mit sich. Denn die kraftschlüssige Führung des Zusatzdrahtes entlang der Kontur des von den zu verbindenden Werkstückteilen definierten Stoßes führt zu einer prinzipbedingten Durchbiegung des Zusatzdrahtes sowie zu einer Verlagerung des Zusatzdrahtes in dem Drahtzuführkanal, da dessen Innendurchmesser notwendigerweise etwas größer sein muss als der Durchmesser des Zusatzdrahtes. Hierdurch wird der Energiestrahl in Kraftrichtung verlagert, während die Zusatzdrahtspitze am Stoß anliegt (vgl. beiliegende 7 und 8). Dieses kann zwar grundsätzlich durch einen so genannten Offset kompensiert werden.
Problematisch ist allerdings, dass die zusätzliche Verlagerung von verschiedenen Einflussgrößen abhängig ist; insbesondere von der Andruckkraft, wodurch man bei der Einrichtung der bekannten Vorrichtung zwei verkoppelte Einstellgrößen erhält, was die Einrichtung sehr komplex gestaltet und dementsprechend die Anforderungen an das Bedienpersonal erhöht; ferner von der Temperatur, die sich während des Bearbeitungsprozesses relativ stark ändert; sowie von dem Verschleißzustand der Drahtzuführeinrichtung, der sich laufend ändert.
Die kraftschlüssige Führung des Zusatzdrahtes erhöht den Verschleiß im Drahtzuführkanal und im Drahtfördersystem und erhöht darüber hinaus die Anforderungen an die durch das Drahtfördersystem aufzubringende und zur Förderung des Zusatzdrahtes auf diesen zu übertragende Kraft.
Bei sehr weichem Zusatzdraht, z.B. AlSi12-Draht, führt die prinzipbedingte Reibung dazu, dass sich der Drahtzuführkanal mit der Zeit zusetzt. Zur Lösung dieses Problems werden derzeit Drahtzuführkanäle aus hochtemperaturfesten Kunststoffen verwendet. Diese Kunststoffteile sind jedoch sehr teuer und haben im Dauerbetrieb nur geringe Standzeiten. Bei sehr dünnem und/oder weichem Zusatzdraht biegt sich der Draht aufgrund der kraftschlüssigen Führung sehr stark durch und reagiert empfindlich auf Kraftschwankungen. Daraus resultiert eine Fehlpositionierung des Energiestrahls. Mitunter kann eine Überlast auch zum Abknicken des Zusatzdrahtes und einer damit einhergehenden Fehlfunktion führen, die eine Zerstörung von Anlagenkomponenten verursachen kann.
Durch die Entwicklung höherfester Stähle ist mit einem zunehmenden Einsatz dünnerer Bleche zu rechnen, wodurch die Anzahl der Fügeaufgaben mit kleiner Kantenhöhe (Stoßhöhe) erheblich zunehmen wird. Hierfür sind entsprechend dünne Zusatzdrähte erforderlich, bei denen die vorstehend beschriebenen Probleme auftreten.
Schnell wechselnde dynamische Belastungen auf das aus der DE 100 06 852 C5 bekannte Nahtführungssystem können von diesem nur mit zeitlicher Verzögerung ausgeregelt werden. Dies führt zu temporären Schwankungen der Durchbiegung des Zusatzdrahtes und damit zu Fehlpositionierungen des Energiestrahls und entsprechenden Qualitätseinbußen.
Im Übrigen ist das aus der DE 100 06 852 C5 bekannte Nahtführungssystem in Fügeprozessen, in denen kein Zusatzdraht erwünscht ist, nicht einsetzbar. Dies kann etwa der Fall sein, weil der Fügeprozess keinen kalten Zusatzdraht zulässt oder empfindlich auf dessen Zuführung reagiert. Ferner auch aus Kostengründen, wobei sowohl die Materialkosten als auch die Investitions- und Betriebskosten für das Drahtzuführsystem zu nennen sind.
Beim Herstellen von Heftnähten mit Zusatzdraht wird üblicherweise nach jeder Naht abgesetzt, wobei erst der Zusatzdraht vom Werkstück abgetrennt und danach der Energiestrahl abgeschaltet wird. Diese Vorgehensweise kostet allerdings relativ viel Zeit. Alternativ kann man auch bis zur nächsten Heftnaht durchfahren, womit man aber riskiert, dass der Zusatzdraht am Nahtende anfriert und hängen bleibt, was zu einer Belastung des Nahtführungssystems bis hin zur Zerstörung des Systems führen kann.
Beim Einsatz der aus der DE 100 06 852 C5 bekannten Vorrichtung in einem handgeführten System käme es durch die ungleichförmige Bewegung des Systems schnell zu einem Abknicken oder einem Abheben des Zusatzdrahtes. In beiden Fällen sind Einbußen in der Nahtqualität bis hin zur völligen Störung des Fügeprozesses die Folge.
Eine definierte Drahtanpresskraft ist insbesondere beim Löten eine wichtige Prozessgröße. Beim Stand der Technik nach der DE 100 06 852 C5 kann die Drahtanpresskraft jedoch nicht unabhängig eingestellt werden, da sie auch als wichtige Einstellgröße für die Nahtführung genutzt wird. Hierbei wird stets ein gewisser Kraftüberschuss und damit eine Vorspannung des Zusatzdrahtes als Regelreserve genutzt.
Eine weitere prozessrelevante Option ist die gezielte Modulation der Drahtanpresskraft und Position der Drahtspitze in Bezug auf das Schmelzbad. Hierdurch kann die Schmelzbaddynamik beeinflusst werden. Diese Option steht beim Stand der Technik gemäß der DE 100 06 852 C5 jedoch nicht zur Verfügung, da eine Modulation der Drahtanpresskraft zu einer Modulation der Drahtdurchbiegung und mithin zu einer Modulation des Wirkpunktes des Energiestrahls führen würde.
Bei Anwendungen, in denen relativ dicke Schweiß- bzw. Lötnähte gefordert sind, werden der Zusatzdraht und der Energiestrahl üblicherweise gependelt. Diese pendelnde Arbeitsweise wäre mit der Vorrichtung gemäß der DE 100 06 852 C5 grundsätzlich möglich, würde aber wegen der Drahtdurchbiegung an die oben aufgezeigten Grenzen stoßen.
Bekannt sind ferner Vorrichtungen zum Laserschweißen bzw. Laserlöten von Werkstücken unter Verwendung von Zusatzdraht, die einen festen, vorlaufenden Führungsfinger zur Nahtführung aufweisen. Da sich dieser kraftschlüssig entlang der Kontur des Fügestoßes geführte Führungsfinger nicht nennenswert durchbiegt, treten bei diesen Vorrichtungen die der Vorrichtung gemäß der DE 100 06 852 C5 inhärenten Probleme nicht auf. Jedoch liefern diese Vorrichtungen aufgrund des Vorlaufes des festen Führungsfingers nur bei im wesentlichen gerade verlaufendem Fügestoß und minimalen Winkelabweichungen von der programmierten Führungsbahn eine einwandfreie Schweiß- bzw. Lötnahtqualität, da es ansonsten aufgrund des Vorlaufes des Führungsfingers zu Positionierfehlern für den Wirkpunkt des Laserstrahls kommt (vgl. beiliegende 9 und 10).
Darüber hinaus unterliegt der feste Führungsfinger (Tastfinger) naturgemäß einem Verschleiß. Der Verschleißzustand wirkt sich direkt auf die Lage des Laserstrahls aus und muss regelmäßig durch eine Nachjustage kompensiert werden. Außerdem besteht bei Anwendungen dieser Vorrichtungen und gleichzeitiger Verwendung von Zusatzdraht die Problematik, drei Punkte, nämlich die Führungsfingerspitze, die Zusatzdrahtspitze und den Wirkpunkt des Energiestrahls in Bezug auf den Stoß zu positionieren, was eine sehr genaue und entsprechend aufwendige Robotergrundprogrammierung notwendig macht und regelmäßig dazu führt, dass entweder der Prozess instabil wird oder der Führungsfinger weder am Stoß noch an der benachbarten Werkstückoberfläche anliegt.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben beschriebenen Probleme überwindet sowie die genannten Optionen bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens einen Sensor, der in einem den Wirkpunkt des Energiestrahles umfassenden Bereich die Lage des von den zu verbindenden Werkstücken definierten Stoßes relativ zu dem Führungsfinger detektiert, eine Reglungseinrichtung und einen an dem Führungsfinger abgestützten Aktor, wobei der Führungsfinger über den Aktor mit der Energiestrahlzuführeinrichtung verbunden ist und die Reglungseinrichtung den Aktor in Abhängigkeit der detektierten Lage des Stoßes relativ zum Führungsfinger so ansteuert, dass der Wirkpunkt des Energiestrahles an einer gewünschten Position am Stoß liegt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirkt also die zur taktilen Nahtführung erforderliche Andruckkraft auf den Führungsfinger, der biegesteif ausgebildet ist und sich auch bei Erwärmung der Vorrichtung nicht nennenswert verbiegt. Da dabei die Stoßlage nicht durch den Führungsfinger sondern mittels eines Sensors detektiert wird, welcher im Wirkpunkt bzw. sehr nah am Wirkpunkt des Energiestrahles die Lage des Stoßes relativ zu dem Führungsfinger detektiert, und die Reglungseinrichtung mittels des Aktors die Strahllage, d.h. den Wirkpunkt des Energiestrahls ausregelt, beeinflusst der Führungsfinger die Lage des Energiestrahls (Strahllage) über der Fügestelle nicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dabei vorzugsweise einen zweiten Aktor auf, mittels dem die Energiestrahlzuführeinrichtung zusammen mit dem Führungsfinger in ein oder zwei Richtungen gegen den Stoß vorspannbar ist. Ergänzend oder alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, dass die Energiestrahlzuführeinrichtung zusammen mit dem Führungsfinger über die Schwerkraft und/oder mittels Federn in ein oder zwei Richtungen gegen den Stoß vorgespannt ist.
Als Sensor zur Detektion der Stoßlage können erfindungsgemäß insbesondere ein oder mehrere berührungslos arbeitende Sensoren zum Einsatz kommen. Beispielsweise ist hierzu eine Analyseeinrichtung vorgesehen, mit der durch akustische Analyse eines kurz vor dem Wirkpunkt des Energiestrahls auf mindestens eines der Werkstücke ausgerichteten Volumenstromes, vorzugsweise Zusatzgasstromes, die Lage des Stoßes der zu verbindenden Werkstücke vermessen wird.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Messeinrichtung aufweisen, die Informationen aus einer optischen, elektrischen und/oder akustischen Charakteristik des durch den Energiestrahl bewirkten Fügeprozesses und/oder des Energiestrahles zur Vermessung der Lage des Stoßes der zu verbindenden Werkstücke verwendet.
Als berührungslos messender Sensor eignet sich für das vorgesehene Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere auch ein Ultraschallsensor. Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass die Analyseeinrichtung oder Messeinrichtung der Vorrichtung mindestens einen Ultraschallsensor zur Erfassung der Stoßlage aufweist.
Der mindestens eine Sensor detektiert die Lage des Stoßes in einer oder zwei Raumrichtungen möglichst nahe dem Wirkpunkt des Energiestrahls relativ zum Führungsfinger. Dementsprechend ist vorgesehen, dass der mindestens eine berührungslos messende Sensor einen Bereich sehr nahe, insbesondere näher als 5 mm, vorzugsweise näher als 3 mm am Wirkpunkt des Energiestrahls erfasst.
Anstelle eines oder mehrerer berührungslos messender Sensoren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch einen taktilen Sensor aufweisen, der einen in den Energiestrahl hineinragenden Draht als Tastelement nutzt, wobei die Reglungseinrichtung dabei den am Führungsfinger abgestützten Aktor so regelt, dass auf den Draht in einer oder zwei Raumrichtungen eine konstante oder eine gezielt variable Messkraft wirkt.
Bei dem Draht kann es sich um einen für die Verbindung der Werkstücke benötigten Zusatzdraht oder um einen hierfür nicht benötigten Draht (Sondendraht) handeln, der beim Verbinden der Werkstücke geopfert wird.
Bei Nutzung des Zusatzdrahtes als Tastelement wirkt auf diesen zwar die Messkraft, diese kann aber im Vergleich zu der auf den biegesteifen Führungsfinger wirkenden Andruckkraft sehr klein gewählt werden, so dass die Durchbiegung des Zusatzdrahtes und die daraus resultierende Verlagerung der Strahllage klein und mithin auch die Temperaturbeeinflussung dieser Verlagerung klein bleibt.
Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur noch die gegenüber der Andruckkraft auf den Führungsfinger wesentlich geringere Messkraft auf den Draht als Tastelement wirken muss, verringert sich die Verschleißintensität in der Drahtzuführ- und in der Drahtfördereinrichtung erheblich. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung reibt der Draht somit nicht so stark an der Austrittsöffnung der Drahtzuführeinrichtung wie dies bei der Vorrichtung gemäß der DE 100 06 852 C5 der Fall ist. Hierdurch sinkt auch die aufzubringende Drahtförderkraft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem unempfindlich gegenüber dynamischen Lasten, die durch eine zugeordnete Führungsmaschine (Roboter) oder bei Ausgestaltung der Vorrichtung als handgeführtem System durch den Benutzer auf die Vorrichtung ausgeübt werden. Diese dynamischen Lasten wirken bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr in kritischer Weise auf den Zusatzdraht, der dies durch Durchbiegung kompensieren würde, sondern im wesentlichen über den beigesteifen Führungsfinger und den daran abgestützten Aktor. Je nach Auslegung des Aktors wird die Einwirkung der dynamischen Last entsprechend kompensiert. Wird beispielsweise ein selbsthemmender Aktor verwendet, wirkt die dynamische Last praktisch nicht mehr auf die Strahllage. Auch ein sehr schneller Aktor in einem sehr schnellen Regelkreis kann den Einfluss der dynamischen Last stark dämpfen. Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass der am Führungsfinger abgestützte Aktor ein sehr schnell arbeitender Aktor in einem sehr schnellen Regelkreis oder ein selbsthemmender Aktor ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit vorteilhaft als handgeführtes System zum Fügen von Werkstückteilen verwendbar.
Der Einsatz von sehr weichem sowie sehr dünnem Zusatzdraht ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung problemlos möglich. Da man bei der Ausführung des Führungsfingers hinsichtlich Material, Form und Größe große Freiheiten hat, solange der Führungsfinger nur biegesteif sowie verschleiß- und temperaturresistent ist, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch sehr geringe Kantenhöhen (Stoßhöhen) zuverlässig angetastet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt insbesondere auch eine Verminderung der Zusatzdrahtmenge in Fällen zu, in denen Zusatzdraht unerwünscht ist. Denn will man etwa für die Nahtführung einen Zusatzdraht als Sondendraht nutzen, obwohl der Zusatzdraht in dem angewandten Fügeprozess eigentlich unerwünscht ist, bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung die Option, einen sehr dünnen Sondendraht zu verwenden, der den Prozess selbst nur in geringer Weise beeinflusst. Sollte auch dieser Einfluss noch zu groß sein, kann man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf den Sondendraht auch vollständig verzichten und gegebenenfalls eine berührungslos arbeitende Sensorik zum Einsatz bringen. Durch die Verwendung von dünnem Zusatzdraht bzw. Sondendraht kann auf große und schwere Drahtrollen, die üblicherweise etwa 20 kg wiegen oder noch schwerer sind, verzichtet werden. Eine kleine Drahtrolle kann dagegen an einem erfindungsgemäßen System, insbesondere einem handgeführten System selbst mitgeführt werden, wobei die notwendige Fördertechnik erheblich kleiner und einfacher als bei großen und schweren Drahtrollen ausgeführt werden kann.
Darüber hinaus erleichtert die erfindungsgemäße Vorrichtung das Fertigen von Heftnähten mit Zusatzdraht, da mit ihr ohne Absetzen des Führungsfingers kraftschlüssig entlang des Stoßes weitergefahren und der Zusatzdraht gleichzeitig aus dem Prozess gezogen werden kann. Ein Ankleben des Zusatzdrahtes am Stoß ist dabei nicht zu befürchten.
Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine von der Nahtführung unabhängige Einstellung und Modulierung der Zusatzdrahtanpresskraft sowie den Einsatz einer Nahtführung bei pendelnder Bewegung der Zusatzdrahtspitze und/oder des Energiestrahls, etwa zur Herstellung von relativ dicken Schweiß- oder Lötnähten. Denn dadurch, dass der Führungsfinger kraftschlüssig am Stoß geführt wird, kann über den am Führungsfinger abgestützten Aktor die Lage der Zusatzdrahtzuführeinrichtung und/oder des Energiestrahls sowie die auf den Zusatzdraht wirkende Kraft nahezu beliebig moduliert und beeinflusst werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Reglungseinrichtung den am Führungsfinger abgestützten Aktor so regelt, dass der in den Energiestrahl hineinragende Zusatzdraht oder Sondendraht in einer oder zwei Raumrichtungen eine definierte Verformung und/oder Verlagerung erfährt. Denn nutzt man nicht die auf den Draht wirkende Kraft als Messgröße, sondern die Verformung des Drahtes, so fällt der Einfluss der Temperatur auf eine unerwünschte Strahllagenverlagerung völlig weg. Letzteres wird im übrigen auch bei der Verwendung von berührungslos arbeitenden Sensoren erreicht. Bei Nutzung berührungslos arbeitender Sensoren zur Erkennung der Stoßlage spielt zudem der Verschleißzustand einer Drahtzuführeinrichtung keine Rolle.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Drahtzuführeinrichtung vor, die mit der Energiestrahlzuführeinrichtung gekoppelt und relativ zum Führungsfinger verstellbar ist. Eine Verstellung der Drahtzuführeinrichtung gegenüber dem Führungsfinger sowie der Drahtvorschub erfolgen dabei durch die Reglungseinrichtung, welche die Drahtzuführeinrichtung so regelt, dass die Lage der am Energiestrahl abschmelzenden Drahtspitze zum Energiestrahl in einer, zwei oder allen drei Raumrichtungen konstant gehalten, oder gezielt – zum Beispiel gesteuert oder durch eine entsprechende Programmierung – verändert wird.
Bei Nutzung eines Sondendrahtes bzw. Zusatzdrahtes bleibt der Einfluss des Verschleißzustandes der Drahtzuführeinrichtung auf die Strahllage erhalten, sofern allein die auf den Draht wirkende Kraft oder die Drahtverformung als Messgröße genutzt wird. Misst man jedoch zudem die Drahtverlagerung gegenüber der Drahtzuführeinrichtung, so besteht die Möglichkeit, den Einfluss des Verschleißzustandes der Drahtzuführeinrichtung zu kompensieren. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst daher eine Messeinrichtung, welche die Verformung und/oder Verlagerung des Drahtes optisch, kapazitiv, akustisch und/oder induktiv misst.
Hierzu ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass der Draht in Bezug auf die Energiestrahlzuführeinrichtung schwimmend gelagert ist, wobei mittels der Messeinrichtung ein Versatz des Drahtes zur Energiestrahlzuführeinrichtung ermittelbar ist und der Versatz mittels der Reglungseinrichtung unter Verwendung des am Führungsfinger abgestützten Aktors ausgeregelt wird.
Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Herstellung relativ dicker Schweiß- oder Lötnähte, wobei der Draht und/oder der Energiestrahl pendelnd entlang des Stoßes bewegt werden.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den beiliegenden Unteransprüchen angegeben.
Nachstehend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine Seitenansicht auf eine Vorrichtung zur Führung eines Laserstrahls entlang eines durch zu verbindende Werkstücke definierten Stoßes;
2 eine Ansicht der Vorrichtung der 1 in Gegenrichtung zu deren vorgegebener Vorschubrichtung;
3 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung der 1;
4 eine Draufsicht auf eine Drahtzuführeinrichtung und einen damit über einen Aktor gekoppelten Führungsfinger;
5 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung während eines Fügeprozesses;
6 eine Ansicht eines durch zwei miteinander zu verbindende Werkstücke gebildeten Überlappstoßes, an dem ein Führungsfinger und ein relativ dünner Draht kraftschlüssig geführt sind, in Gegenrichtung zur Vorschubrichtung;
7 eine Seitenansicht einer bekannten Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls unter Verwendung von Zusatzdraht als mechanisches Tastelement während eines Fügeprozesses;
8 eine Draufsicht auf die Drahtzuführeinrichtung der Vorrichtung gemäß 7 beim Fügen von Werkstücken;
9 eine Seitenansicht einer bekannten Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls unter Verwendung eines festen Führungsfingers während eines Fügeprozesses;
10 eine Draufsicht auf den festen Führungsfinger der Vorrichtung der 9 beim Fügen von Werkstücken; und
11 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Führung eines Laserstrahls entlang eines durch zu verbindende Werkstückteile definierten Stoßes.
Die in den 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung umfasst eine Energiestrahlzuführeinrichtung 2 und einen dem Wirkpunkt 5 des Energiestrahls 4 vorlaufenden Führungsfinger 3, der mit einer einstellbaren Andruckkraft gegen einen durch zwei oder mehr zu verbindende Werkstücke oder Werkstückteile definierten Fügestoß vorgespannt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich der Energiestrahlzuführeinrichtung 2 um eine Laserstrahloptik. Die Energiestrahlzuführeinrichtung 2 weist insbesondere eine oder mehrere verstellbar gelagerte Linsen zur Fokussierung des Energiestrahls (Laserstrahls) 4 auf. Sie ist an einem als Führungsmaschine dienenden Roboter 15 montiert, von dem in den 1 bis 3 nur ein Abschnitt dargestellt ist. Beim dem Wirkpunkt 5 handelt es sich nicht um einen Punkt im mathematischen Sinne, sondern um eine relativ kleine Fläche bzw. ein relativ kleines Volumen.
Die Vorrichtung weist ferner eine mit der Energiestrahlzuführeinrichtung 2 gekoppelte Drahtzuführeinrichtung 11 auf. Die Drahtzuführeinrichtung 11 umfasst einen Drahtzuführkanal, der so ausgerichtet ist, dass die Spitze des zugeführten Drahtes 1 in den Wirkpunkt 5 des Energiestrahls 4 hineinragt. Dem Draht 1 ist eine einen Kraftsensor 10 aufweisende Messeinrichtung zugeordnet, mittels der die auf den Draht 1 wirkende Kraft gemessen wird. Der Kraftsensor 10 ist in der den Drahtzuführkanal tragenden Halterung 16 integriert.
Der zugeführte Draht 1 ist ein für das Verbinden der Werkstücke benötigter Zusatzdraht. Der Draht 1 wird hier gleichzeitig als mechanisches Tastelement zur Nahtführung genutzt.
Alternativ kann es sich bei dem als Tastelement genutzten Draht 1 auch um einen für die Verbindung der Werkstücke nicht benötigten Draht (Sondendraht) handeln, der bei der Verbindung der Werkstücke geopfert wird.
Der Zusatzdraht bzw. Sondendraht 1 ist somit Teil eines Sensors, der in einem den Wirkpunkt 5 des Energiestrahles 4 umfassenden Bereich die Lage des von den zu verbindenden Werkstücken definierten Stoßes relativ zu dem vorlaufenden Führungsfinger 3 detektiert.
Der Führungsfinger 3 ist biegesteif ausgebildet. Auch bei relativ hoher Temperatur zeigt er keine nennenswerte Durchbiegung. Er ist an einer armartig ausgebildeten Halterung 17 befestigt, die mit der Energiestrahlzuführeinrichtung 2 verbunden ist. Der Führungsfinger 3 wird mit seiner Spitze kraftschlüssig entlang des von den zu verbindenden Werkstücken definierten Stoßes 7 bewegt (vgl. 4).
In der Halterung 17 ist ein Aktor 8 integriert, der sich an dem Führungsfinger 3 abstützt, wenn dieser gegen den durch die zu verbindenden Werkstücke definierten Fügestoß 7 vorgespannt ist. Der Aktor 8 ist axial zur Längsachse der Halterung 17 und somit in Abstandsrichtung zur Werkstückoberfläche und/oder entlang einer dazu quer verlaufenden Achse bewegbar, was in 3 durch die beiden im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Doppelpfeile 18 angedeutet ist.
Zur kraftschlüssigen Führung des Führungsfingers 3 entlang der Kontur des Fügestoßes 7 weist die Vorrichtung vorzugsweise einen zweiten Aktor 9 auf. Mittels des zweiten Aktors 9 kann der Führungsfinger 3 und die Strahlzuführeinrichtung 2 in mindestens einer Richtung oder vorzugsweise in zwei, im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen gegen den Stoß 7 vorgespannt werden.
Alternativ zu diesem zweiten Aktor 9 kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch derart ausgebildet sein, dass der Führungsfinger 3 zusammen mit der damit gekoppelten Energiestrahlzuführeinrichtung 2 über die Schwerkraft und/oder mittels Federn in ein oder zwei Richtungen gegen den Stoß 7 vorgespannt ist. Die Vorspannung mittels einer oder mehrerer Federn ist in den 5 skizziert, während 11 ein Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem Führungsfinger 3 und Energiestrahlzuführeinrichtung 2 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung über die Schwerkraft gegen den Fügestoß 7 vorgespannt sind.
In 6 sind zwei Werkstücke 14.1, 14.2 skizziert, die miteinander an einem Überlappstoß 7 unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden werden. Gegen den Überlappstoß (Fügestoß) 7 ist der Führungsfinger 3 mit einer Andruckkraft 13 vorgespannt. Die Andruckkraft 13 setzt sich aus einer gegen die Oberfläche des unteren Werkstückes 14.1 gerichteten Kraftkomponente und einer senkrecht dazu, seitlich gegen das obere Werkstück 14.2 gerichteten Kraftkomponente zusammen. Hinter dem Führungsfinger 3 tastet der über die Drahtzuführeinrichtung 11 zugeführte Draht 1 mit einer Messkraft 12 im Wirkpunkt des Energiestrahls die Kontur des Fügestoßes 7 an. Auch die Messkraft 12 setzt sich aus einer gegen die Oberfläche des unteren Werkstückes 14.1 gerichteten Kraftkomponente und einer senkrecht dazu, seitlich gegen das obere Werkstück 14.2 gerichteten Kraftkomponente zusammen. Die auf den relativ dünnen Draht 1 wirkende Messkraft 12 ist jedoch wesentlich geringer als die auf den biegesteifen Führungsfinger 3 wirkende Andruckkraft 13.
Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Reglungseinrichtung R, die den Aktor 8 in Abhängigkeit der mit dem Sensor (1, 10) detektierten Lage des Fügestoßes 7 relativ zum Führungsfinger 3 so ansteuert, dass der Wirkpunkt 5 des Energiestrahls 4 an der jeweils gewünschten Position am Fügestoß 7 liegt. Die Reglungseinrichtung R ist in 4 schematisch dargestellt.
Die Reglungseinrichtung R regelt den am Führungsfinger 3 abgestützten Aktor 8 so, dass auf den in den Energiestrahl 4 hinragenden Draht 1 in zumindest einer Raumrichtung, oder vorzugsweise in zwei Raumrichtungen eine im wesentlichen konstante oder eine gezielt variable Messkraft 12 wirkt.
Hierzu ist die mit der Energiestrahlzuführeinrichtung 2 gekoppelte Drahtzuführeinrichtung 11 relativ zum Führungsfinger 3 verstellbar ausgeführt, wobei die Reglungseinrichtung R den Aktor 8 so regelt, dass die Lage der am Energiestrahl 4 abschmelzenden Drahtspitze zum Energiestrahl gezielt verändert wird, oder in einer oder zwei Raumrichtungen konstant gehalten wird.
Der Abstand zwischen dem Wirkpunkt 5 des Energiestrahls 4 und der Spitze des Führungsfingers 3 ist vorzugsweise möglichst klein gewählt, insbesondere kleiner als dies in den 1 und 3 dargestellt ist. Um die Spitze des Führungsfingers 3 möglichst nahe an dem Wirkpunkt 5 des Energiestrahls 4 anordnen zu können, ist nach einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Führungsfinger 3 an seiner Spitze eine dem Draht 1 zugewandte Aussparung aufweist. Die Spitze des Führungsfingers 3 kann dabei insbesondere ein im wesentlichen U-förmiges Querschnittsprofil aufweisen, so dass die Spitze des Führungsfingers 3 die Spitze des Zusatzdrahtes oder Sondendrahtes 1 mit Spiel umgibt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Führungsfinger 3 mit einer Zufuhrleitung versehen ist, mittels der während der Verbindung der Werkstücke 14.1, 14.2 ein Flussmittel und/oder ein Zusatzgas an der Fügestelle zugeführt werden kann.
Ergänzend zu oder anstelle der auf den Draht 1 wirkenden Kraft 12 kann auch die Verformung und/oder Verlagerung des in den Energiestrahl 4 hineinragenden Drahtes 1 gemessen werden, um den Wirkpunkt 5 des Energiestrahls 4 genau entlang der Kontur des Fügestoßes 7 zu führen. In diesem Fall weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Messeinrichtung (nicht dargestellt) auf, mittels der die Verformung und/oder Verlagerung des Drahtes 1 zum Beispiel optisch, kapazitiv und/oder induktiv gemessen wird. Die Reglungseinrichtung R regelt den am Führungsfinger 3 abgestützten Aktor 8 dann so, dass der Draht 1 in einer oder zwei Raumrichtungen eine definierte Verformung und/oder Verlagerung erfährt.
Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass der Draht 1 in Bezug auf die Energiestrahlzuführeinrich tung 2 schwimmend gelagert ist, wobei eine Messeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein Versatz des Drahtes 1 zur Energiestrahlzuführeinrichtung 2 ermittelbar ist, und wobei eine Reglungseinrichtung R vorgesehen ist, mittels welcher der Versatz unter Verwendung des am Führungsfinger 3 abgestützten Aktors 8 ausgeregelt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Hinzufügung einer Einrichtung zur gezielten Kraft- und/oder Positionsmodulation des Drahtes 1. Durch diese Einrichtung kann bei Bedarf eine Pendelbewegung der am Energiestrahl 4 abschmelzenden Drahtspitze und/oder des Energiestrahls erzeugt werden, so dass sich eine entsprechend breite Schweiß- bzw. Lötnaht ergibt.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind eine Reihe weiterer Varianten möglich, die auch bei grundsätzlich abweichender Gestaltung gleichwohl von der in den beiliegenden Ansprüchen angegebenen Erfindung Gebrauch machen.
So liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere auch eine Ausführungsform, bei die Lage des Fügestoßes 7 durch einen oder mehrere berührungslos messende Sensoren vermessen wird.
Zur berührungslosen Erfassung der Lage des durch die zu verbindenden Werkstücke 14.1, 14.2 definierten Fügestoßes 7 wird insbesondere eine Einrichtung vorgeschlagen, die durch akustische Analyse eines kurz vor dem Wirkpunkt 5 des Energiestrahls 4 auf mindestens eines der Werkstücke 14.1, 14.2 ausgerichteten Volumenstromes, vorzugsweise Zusatzgasstromes, die Lage des Fügestoßes 7 vermisst.
Ferner wird vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Messeinrichtung zu versehen, die optische, elektrische und/oder akustische Signale erfasst, welche vom Fügeprozess und/oder Energiestrahl 4 abhängen und diese(n) charakterisieren, wobei die Messeinrichtung diese Signale zur Vermessung der Lage des Fügestoßes 7 verwendet.
Die berührungslose Erfassung des Fügestoßes 7 kann vorteilhaft insbesondere mittels eines Ultraschallsensors erfolgen. Die erwähnte Analyseeinrichtung oder Messeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist daher vorzugsweise mindestens einen Ultraschallsensor zur Erfassung der Lage des Fügestoßes 7 auf.
Schließlich schlägt die Erfindung auch eine Ausführungsform vor, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung umfasst, mit der dynamische Aufmodulationen auf den Draht 1 und/oder den Führungsfinger 3, die durch Unebenheiten in der Oberfläche mindestens eines der zu verbindenden Werkstücke 14.1, 14.2 verursacht werden, kreuzkorreliert und/oder zur Ermittlung einer Ist-Geschwindigkeit des Energiestrahls 4, Drahtes 1 und/oder des Führungsfingers 3 in Bezug auf die zu verbindenden Werkstücke 14.1, 14.2 genutzt werden. Insbesondere ist vorgesehen, die so erhaltene Geschwindigkeitsinformation zu nutzen, um mittels eines Führungssystems oder Zusatzantriebes eine Geschwindigkeitsregelung durchzuführen.

1: Draht/Zusatzdraht
2: Energiestrahlzuführungseinrichtung
3: Führungsfinger
4: Energiestrahl/Laserstrahl
5: Wirkpunkt des Energiestrahls oder Laserstrahls
6: Vorlauf
7: Fügestoß/Geometriekontur
8: Aktor
9: (zweiter) Aktor
10: Kraftsensor
11: Drahtzuführeinrichtung
12: Messkraft
13: Andruckkraft
14.1: Werkstück
14.2: Werkstück
15: Roboter (Führungsmaschine)
16: Halterung
17: Halterung
18: Doppelpfeile
19: Feder/Federkraft
20: Schwerkraft
R: Reglungseinrichtung

Claims

Vorrichtung zur Führung eines Energiestrahls (4) entlang eines Stoßes (7) zweier mittels des Energiestrahls zu verbindender Werkstücke (14), mit einer Energiestrahlzuführeinrichtung (2) und einem dem Wirkpunkt (5) des Energiestrahls vorlaufenden Führungsfinger (3), der mit einer Andruckkraft (13) gegen den Stoß (7) vorgespannt wird, gekennzeichnet durch mindestens einen Sensor, der in einem den Wirkpunkt (5) des Energiestrahles umfassenden Bereich die Lage des Stoßes (7) relativ zu dem Führungsfinger (3) detektiert, eine Reglungseinrichtung (R) und einen an dem Führungsfinger (3) abgestützten Aktor (8), wobei der Führungsfinger (3) über den Aktor (8) mit der Energiestrahlzuführeinrichtung (2) verbunden ist und die Reglungseinrichtung (R) den Aktor (8) in Abhängigkeit der detektierten Lage des Stoßes relativ zum Führungsfinger (3) so ansteuert, dass der Wirkpunkt des Energiestrahls (4) an einer gewünschten Position am Stoß (7) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiestrahlzuführeinrichtung (2) zusammen mit dem Führungsfinger (3) mittels eines zweiten Aktors (9) in ein oder zwei Richtungen gegen den Stoß vorspannbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiestrahlzuführeinrichtung (2) zusammen mit dem Führungsfinger (3) über die Schwerkraft (20) und/oder mittels Federn (18) in ein oder zwei Richtungen gegen den Stoß vorgespannt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor die Lage des Stoßes (7) in einer oder zwei Raumrichtungen möglichst nahe dem Wirkpunkt (5) des Energiestrahls (4) relativ zum Führungsfinger (3) detektiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen in den Energiestrahl (4) hineinragenden Draht (1) als Tastelement nutzt, wobei die Reglungseinrichtung (R) den am Führungsfinger (3) abgestützten Aktor (8) so regelt, dass auf den Draht (1) in einer oder zwei Raumrichtungen eine konstante oder eine gezielt variable Messkraft (12) wirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen in den Energiestrahl (4) hineinragenden Draht (1) als Tastelement nutzt, wobei die Reglungseinrichtung (R) den am Führungsfinger (3) abgestützten Aktor (8) so regelt, dass der Draht (1) in einer oder zwei Raumrichtungen eine definierte Verformung und/oder Verlagerung erfährt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, des weiteren gekennzeichnet durch eine mit der Energiestrahlzuführeinrichtung (2) gekoppelte Drahtzuführeinrichtung (11), die relativ zum Führungsfinger (3) verstellbar ist, wobei die Reglungseinrichtung (R) die Drahtzuführeinrichtung (11) so regelt, dass die Lage der am Energiestrahl (4) abschmelzenden Drahtspitze zum Energiestrahl (4) in einer oder zwei Raumrichtungen konstant gehalten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, des weiteren gekennzeichnet durch eine mit der Energiestrahlzuführeinrichtung (2) gekoppelte Drahtzuführeinrichtung (11), die relativ zum Führungsfinger (3) verstellbar ist, wobei die Reglungseinrichtung (R) die Drahtzuführeinrichtung (11) so regelt, dass die Lage der am Energiestrahl abschmelzenden Drahtspitze zum Energiestrahl (4) gezielt verändert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) ein für die Verbindung der Werkstücke (14) benötigter Zusatzdraht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) ein für die Verbindung der Werkstücke (14) nicht benötigter Draht ist, der bei der Verbindung der Werkstücke geopfert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, gekennzeichnet durch eine einen Kraftsensor (10) aufweisende Messeinrichtung, mittels der die auf den Draht (1) wirkende Kraft gemessen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung mittels der die Verformung und/oder Verlagerung des Drahtes (1) optisch, kapazitiv, akustisch und/oder induktiv gemessen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) in Bezug auf die Energiestrahlzuführeinrichtung (2) schwimmend gelagert ist, wobei eine Messeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein Versatz des Drahtes (1) zur Energiestrahlzuführeinrichtung (2) ermittelbar ist, und wobei eine Reglungseinrichtung (R) vorgesehen ist, mittels welcher der Versatz unter Verwendung des am Führungsfinger (3) abgestützten Aktors (8) ausgeregelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsfinger (3) mit einer Zufuhrleitung versehen ist, mittels der während der Verbindung der Werkstücke (14) ein Flussmittel und/oder ein Zusatzgas zuführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsfinger (3) an seiner Spitze eine dem Draht (1) zugewandte Aussparung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der dynamische Aufmodulationen, die auf den Draht (1) und/oder auf den Führungsfinger (3) durch in der Werkstückoberfläche enthaltene Unebenheiten wirken oder erzeugt werden, kreuzkorreliert und/oder zur Ermittlung einer Ist-Geschwindigkeit des Energie strahls (4), des Drahtes (1) und/oder des Führungsfingers (3) in Bezug auf die zu verbindenden Werkstücke (4) genutzt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsinformation genutzt wird, um mittels eines Führungssystems oder Zusatzantriebes eine Geschwindigkeitsregelung durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch einen oder mehrere berührungslos messende Sensoren zur Vermessung der Lage des Stoßes.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine berührungslos messende Sensor einen Bereich sehr nahe, insbesondere näher als 5 mm, vorzugsweise näher als 3 mm am Wirkpunkt (5) des Energiestrahls (4) erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch eine Analyseeinrichtung, mit der durch akustische Analyse eines kurz vor dem Wirkpunkt (5) des Energiestrahls (4) auf mindestens eines der Werkstücke (14) ausgerichteten Volumenstromes, vorzugsweise Zusatzgasstromes, die Lage des Stoßes (7) der zu verbindenden Werkstücke (14) vermessen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung, die Informationen aus einer optischen, elektrischen und/oder akustischen Charakteristik des durch den Energiestrahl (4) bewirkten Fügeprozesses und/oder des Energiestrahles zur Vermessung der Lage des Stoßes (7) der zu verbindenden Werkstücke (14) verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinrichtung oder Messeinrichtung mindestens einen Ultraschallsensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur gezielten Kraft- und/oder Positionsmodulation des Drahtes (1).
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23 als handgeführtes System, insbesondere als handgeführte Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 23 mit Rückbeziehung auf Anspruch 2 zur Herstellung relativ dicker Schweiß- oder Lötnähte, wobei der Draht (1) und der Energiestrahl (4) pendelnd entlang des Stoßes (7) bewegt werden.