DE102007035485A1 - Laser welding device for joining components has beam source, guiding and aiming robot and regulating circuit to compensate for vibrations of robot - Google Patents

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Abstract

The laser welding device (1) has a beam source (5) to create a laser beam (21) to be aimed at and focused on the components (3), a guiding and aiming robot (9) for the laser beam, manipulated by a robot control (19), and a regulating circuit to compensate for the vibrations of the robot. This circuit is independent of the robot control and acts on the direction of the laser beam.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung zum Fügen von Bauteilen.The The invention relates to a laser welding device for joining of components.

Laserschweißvorrichtungen zum Fügen von Bauteilen sind bekannt. Sie werden beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie zum Verschweißen von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges verwendet. Zum Anbringen einer Verschweißung an den Bauteilen kann die Laserschweißvorrichtung eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Laserstrahles aufweisen, wobei die Strahlungsquelle mittels einer zugeordneten Robotervorrichtung ausrichtbar sein kann.Laser welding equipment for joining components are known. They become, for example in the automotive industry for welding components used a motor vehicle. For attaching a weld on the components, the laser welding device can Have radiation source for generating a laser beam, wherein the Radiation source by means of an associated robotic device alignable can be.

Aus der DE 102 328 57 ist ein Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung von Schwingungsamplituden an der Bearbeitungslinie eines von einem Robotergreifarm geführten Werkzeuges zur Herstellung einer Laserschweißnat an einer Blechplatine bekannt. Bei dem bekannten Verfahren ist vorgesehen, dass das Werkzeug gegenüber den Eigenfrequenzen des Robotergreifarms und/oder den als Stoß auftretenden Schwingungen isoliert oder zumindest gedämpft wird.From the DE 102 328 57 For example, there is known a method for reducing or avoiding vibration amplitudes at the processing line of a tool guided by a robotic gripper arm for producing a laser weldment on a sheet metal blank. In the known method, it is provided that the tool is insulated or at least damped against the natural frequencies of the robot gripping arm and / or the vibrations occurring as shock.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Laserschweißvorrichtung bereitzustellen, insbesondere eine bessere Ausrichtung des Laserstrahls auf die Fügestelle zu ermöglichen.task The invention is an improved laser welding device to provide, in particular a better alignment of the laser beam to allow the joint.

Die Aufgabe ist mit einer Laserschweißvorrichtung zum Fügen von Bauteilen gelöst. Die Laserschweißvorrichtung weist eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines gerichteten und fokussierten Laserstrahls, eine mittels einer Roboteransteuerung manipulierbare Robotervorrichtung zum Führen und Ausrichten des fokussierten Laserstrahls der Strahlungsquelle auf die Bauteile und einen von einer Roboteransteuerung unabhängigen, der Roboteransteuerung überlagerten und auf die Ausrichtung des Laserstrahls wirkenden geschlossenen Regelkreis zum Kompensieren von in der Robotervorrichtung auftretenden Schwingungen, auf. Aufgrund von Umwelteinflüssen, den kinematischen Gegebenheiten der Robotervorrichtung und/oder bedingt durch die Auslegung der Roboteransteuerung kann es zu Schwingungen, beispielsweise Translations- und/oder Rotationsschwingungen kommen. Die Schwingungen können sich auf alle Freiheitsgrade der Robotervorrichtung beziehen. Zum Führen und/oder Ausrichten des fokussierten Laserstrahls kann die Strahlungsquelle der Robotervorrichtung fest zugeordnet werden. Folglich können sich möglicherweise vorhandene und unerwünschte Schwingungen der Robotervorrichtung auf die Strahlungsquelle übertragen und eine Zielgenauigkeit des fokussierten Laserstrahls auf eine Fügestelle der Bauteile beeinflusst werden. Vorteilhaft greift der überlagerte geschlos sene Regelkreis in die Ausrichtung des Laserstrahls ein. Hierzu kann die Strahlungsquelle eine entsprechende Vorrichtung, beispielsweise den Strahlengang des Lasers beeinflussende bewegliche Spiegel und/oder Linsen aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, den Strahlengang des Laserstrahles auf elektromagnetischem, akustooptischem und/oder beliebigem Weg zu beeinflussen. Die Beeinflussung mittels des geschlossenen Regelkreises des Strahlengangs des Lasers kann vorteilhaft so ausgelegt werden, dass von den Schwingungen herrührende Fehler bei der Ausrichtung des fokussierten Laserstrahls kompensierbar sind. Vorteilhaft erhöht sich dadurch also die Treffsicherheit des fokussierten Laserstrahls auf die Fügestelle. Vorteilhaft ergibt sich so eine qualitativ höherwertigere Fügestelle, beispielsweise im Falle einer Schweißnaht ein glatterer und homogenerer Verlauf, insbesondere erreichbar durch eine homogenere Aufwärmung der Fügestelle, wobei sich insgesamt eine gleichmäßigere Überstreichgeschwindigkeit des fokussierten Laserstrahls über die Bauteile beziehungsweise die zu fügende Schweißnaht ergibt.The Task is with a laser welding device for joining solved by components. The laser welding device has a radiation source for producing a directed and focused Laser beam, a manipulated by a robot control Robotic device for guiding and aligning the focused Laser beam of the radiation source on the components and one of a robot control independent, the robot control superimposed and on the alignment of the laser beam acting closed Control circuit for compensating occurring in the robot device Vibrations, up. Due to environmental influences, the kinematic Conditions of the robotic device and / or due to the Design of the robot control can cause vibrations, for example Translational and / or rotational vibrations come. The vibrations can refer to all degrees of freedom of the robotic device. To the Guiding and / or aligning the focused laser beam The radiation source can be assigned to the robot device become. Consequently, possibly existing ones may exist and unwanted vibrations of the robot device transmit the radiation source and a target accuracy of the focused laser beam on a joint of the components to be influenced. Advantageously, the superimposed attacks closed loop in the orientation of the laser beam. For this purpose, the radiation source can be a corresponding device, For example, the beam path of the laser influencing movable Have mirror and / or lenses. However, it is also possible the beam path of the laser beam on electromagnetic, acousto-optic and / or any way to influence. The influence by means of the closed loop of the beam path of the laser can be advantageously designed so that of the vibrations originating Error in the alignment of the focused laser beam compensated are. Advantageously, this increases the accuracy of the focused laser beam on the joint. Advantageous this results in a higher quality joint, For example, in the case of a weld a smoother and more homogeneous course, in particular achievable by a more homogeneous Heating the joint, taking in total a more uniform sweeping speed of the focused laser beam over the components or gives the weld to be joined.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung ist vorgesehen, dass eine Optikbrennweite des fokussierten Laserstrahls mehr als 200 mm, bevorzugt zwischen 200 und 2.000 mm, vorzugsweise bis zu 6.000 mm, insbesondere mehr als 6.000 mm beträgt. Bei einer vergleichsweise großen Brennweite vergrößert sich üblicherweise der negative Einfluss von in der Robotervorrichtung auftretenden Schwingungen. Vorteilhaft kann mittels des unabhängigen geschlossenen Regelkreises trotz der vergleichsweise großen Brennweite eine sehr gute Ausrichtung des fokussierten Laserstrahls erzielt werden. Vorteilhaft können aufgrund der vergleichsweise großen Brennweite in der Robotervorrichtung auftretende hohe Beschleunigungen durch nahes Heranfahren und wieder Zurückfahren an die Fügestelle vermieden werden. Insgesamt ergibt sich ein glatterer, insbesondere schneller durchfarbarer und weniger Einschwingvorgängen aufweisender, Bewegungsablauf der Robotervorrichtung, wobei dennoch vorteilhaft eine hohe Ausrichtgenauigkeit des fokussierten Laserstrahls auf die Fügestelle der Bauteile erreichbar ist.in a preferred embodiment of the laser welding device it is envisaged that an optical focal length of the focused laser beam more than 200 mm, preferably between 200 and 2,000 mm, preferably up to to 6,000 mm, in particular more than 6,000 mm. in a relatively large focal length increases usually the negative influence of occurring in the robot device Vibrations. Advantageously, by means of the independent closed loop despite the comparatively large Focal length a very good alignment of the focused laser beam be achieved. Advantageously, due to the comparatively large focal length occurring in the robotic device high accelerations by approaching and returning be avoided at the joint. Overall, a result smoother, especially faster durchfarbarer and less transients having, movement sequence of the robot device, wherein nevertheless advantageously a high alignment accuracy of the focused laser beam can be reached on the joint of the components.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung ist vorgesehen, dass die Strahlungsquelle eine mittels des geschlossenen Regelkreises angesteuerte Ausrichtvorrichtung zum Einstellen einer Abstrahlrichtung des Laserstrahles aufweist. Die Ausrichtvorrichtung kann als Stellglied für die Reglereingriffe zur Kompensation der Schwingungen dienen, wobei der Strahlengang beziehungsweise die Abstrahlrichtung des Laserstrahls den Wirkungen der Schwingungen entgegenwirkend verstellbar ist. Die Richtung des Laserstrahls ist also mit einer, insbesondere durch die Schwingungen limitierten, ersten Genauigkeit der Robotervorrichtung und überlagert diesen Schwingungen entgegenwirkend mit einer höheren durch den geschlossenen Regelkreis vorgegebenen zweiten Genauigkeit ausrichtbar. Insgesamt ergibt sich vorteilhaft eine höhere Ausrichtgenauigkeit der Abstrahlrichtung des Laserstrahls.In a further exemplary embodiment of the laser welding device, it is provided that the radiation source has an alignment device controlled by the closed control loop for setting an emission direction of the laser beam. The alignment device can serve as an actuator for the controller interventions to compensate for the vibrations, wherein the beam path or the emission direction of the laser beam is counteracting the effects of the vibrations adjustable. The direction of the laser beam is thus with a, in particular limited by the vibrations, first accuracy of the robot device and superimposed on these vibrations counteracting aligned with a higher predetermined by the closed loop second accuracy. Overall, there is advantageously a higher alignment accuracy of the emission direction of the laser beam.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung ist vorgesehen, dass der Strahlungsquelle als Messglieder des geschlossenen Regelkreises eine Beschleunigungssensorvorrichtung zugeordnet ist. Mittels der Beschleunigungssensorvorrichtung können die unerwünschten Schwingungen der Robotervorrichtung sensiert und von dem geschlossenen Regelkreis zur Kompensation verarbeitet werden.in a further embodiment of the laser welding device is provided that the radiation source as measuring elements of the closed loop an acceleration sensor device is assigned. By means of Acceleration sensor device may be the undesirable Vibrations of the robot device sensed and from the closed Loop to be processed for compensation.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung ist vorgesehen, dass die Beschleunigungssensorvorrichtung zum Sensieren von Drehschwingungen und/oder translatorischen Schwingungen ausgelegt ist. Dazu kann die Beschleunigungssensorvorrichtung beispielsweise einen Drehratensensor aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Beschleunigungssensorvorrichtung eine Vielzahl von mehreren, der Strahlungsquelle an verschiedenen Punkten zugeordneten einzelnen Beschleunigungssensoren aufweist, so dass hieraus Art und Stärke der auftretenden Schwingungen ermittelbar ist.in a further embodiment of the laser welding device it is provided that the acceleration sensor device for sensing Torsional and / or translational vibrations designed is. For this purpose, the acceleration sensor device, for example have a rotation rate sensor. However, it is also conceivable that the acceleration sensor device comprises a plurality of a plurality of the radiation source at various points associated with individual Has acceleration sensors, so that from this type and strength the occurring vibrations can be determined.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung ist vorgesehen, dass der geschlossene Regelkreis als Fuzzy-Regler ausgelegt ist. Vorteilhaft kann mittels der Verwendung von Fuzzy-Algorithmen der Programmieraufwand des geschlossenen Regelkreises reduziert werden. Außerdem erzielen Fuzzy-Regelungen zur Schwingungskompensation eine vergleichsweise hohe Regelungsgüte.in a further embodiment of the laser welding device is provided that the closed loop as a fuzzy controller is designed. Advantageously, by means of the use of fuzzy algorithms the programming effort of the closed loop is reduced become. In addition, fuzzy controls achieve vibration compensation a comparatively high quality of control.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung ist vorgesehen, dass die Robotervorrichtung einen handelsüblichen Industrieroboter aufweist. Der Industrieroboter kann vorteilhaft mit dem geschlossenen Regelkreis kombiniert werden, so dass sich eine Laserschweißvorrichtung mit einer sehr guten Fügequalität ergibt.in a further embodiment of the laser welding device it is envisaged that the robotic device will be a commercial one Industrial robot has. The industrial robot can be beneficial be combined with the closed loop, so that a laser welding device with a very good joining quality results.

Die Aufgabe ist außerdem durch ein Verfahren zum Laserschweißen mit einer vorab beschriebenen Laserschweißvorrichtung gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Erzeugen eines gerichteten und fokussierten Laserstrahls mittels der Strahlungsquelle, Ausrichten des fokussierten Laserstrahls auf die Bauteile mittels der Robotervorrichtung und Kompensieren der in der Robotervorrichtung auftretenden Schwingungen mittels des überlagerten Regelkreises. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.The Task is also by a method for laser welding solved with a laser welding device described above. The method comprises the following steps: generating a directed and focused laser beam by means of the radiation source, aligning of the focused laser beam on the components by means of the robotic device and compensating the vibrations occurring in the robotic device by means of the superimposed control loop. It turns out the advantages described above.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further Advantages, features and details emerge from the following Description, in which with reference to the drawing an embodiment is described in detail. Same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Seitenansicht eines Teils einer Laserschweißvorrichtung mit einer Strahlungsquelle zusammen mit einem Bauteil; 1 a side view of a portion of a laser welding device with a radiation source together with a component;

2 eine Draufsicht der in 1 gezeigten Strahlungsquelle der Laserschweißvorrichtung; 2 a top view of the 1 shown radiation source of the laser welding device;

3 eine dreidimensionale Darstellung von schräg vorne seitlich oben der in 1 dargestellten Laserschweißvorrichtung, wobei die Strahlungsquelle in verschiedenen Bewegungsphasen mehrfach dargestellt ist; 3 a three-dimensional representation of obliquely front side top of the in 1 illustrated laser welding device, wherein the radiation source is shown several times in different phases of motion;

4 eine schematisierte Seitenansicht der Strahlungsquelle mit zwei Bewegungsphasen zur Verdeutlichung der Funktionsweise einer Ausrichtvorrichtung der Strahlungsquelle; und 4 a schematic side view of the radiation source with two movement phases to illustrate the operation of an alignment of the radiation source; and

5 eine weitere schematisierte dreidimensionale Ansicht von schräg oben der Strahlungsquelle zur Verdeutlichung verschiedener sich aufgrund von Schwingungen ergebender Strahlengänge. 5 a further schematic three-dimensional view obliquely from above the radiation source to illustrate various resulting from vibrations beam paths.

1 zeigt eine Laserschweißvorrichtung 1 zum Fügen beziehungsweise Laserschweißen eines geschnitten dargestellten Bauteils 3. Die Laserschweißvorrichtung 1 weist eine Strahlungsquelle 5 auf, die fest einem Roboterarm 7 einer nur teilweise dargestellten Robotervorrichtung 9 zugeordnet ist. 1 shows a laser welding device 1 for joining or laser welding a component shown cut 3 , The laser welding device 1 has a radiation source 5 on that stuck to a robotic arm 7 a robot device shown only partially 9 assigned.

Bei der Robotervorrichtung 9 kann es sich beispielsweise um einen handelsüblichen Industrieroboter handeln, beispielsweise mit 6 Freiheitsgraden. Mittels der Robotervorrichtung 9 kann die Strahlungsquelle 5 in eine beliebige Raumposition manipuliert werden. Die Robotervorrichtung 9 ist nur teilweise dargestellt, wobei ein erster Teilarm 11 sowie ein zweiter, abgeschnitten dargestellter Teilarm 13 in 1 sichtbar sind. Der erste Teilarm 11 ist über ein erstes Gelenk 15 dem zweiten Teilarm 13 verdrehbar zugeordnet. Der erste Teilarm 11 ist der Strahlungsquelle 5 zugeordnet, beispielsweise ebenfalls verdrehbar über ein zweites Gelenk 17. Die Gelenke 15 und 17 sowie weitere Gelenke der Robotervorrichtung 9 können zum Manipulieren der Strahlungsquelle 5 mittels einer nicht näher dargestellten Roboteransteuerung, die in 1 lediglich mittels des Bezugszeichens 19 angedeutet ist, angesteuert werden.In the robot device 9 it may be, for example, a commercial industrial robot, for example, with 6 degrees of freedom. By means of the robot device 9 can the radiation source 5 be manipulated into any spatial position. The robot device 9 is only partially shown, with a first partial arm 11 and a second, cut off part arm shown 13 in 1 are visible. The first part arm 11 is about a first joint 15 the second arm 13 assigned rotatable. The first part arm 11 is the radiation source 5 assigned, for example, also rotatable about a second joint 17 , The joints 15 and 17 as well as other joints of the robotic device 9 can be used to manipulate the radiation source 5 by means of a robot control not shown in the 1 only by reference 19 is indicated, are driven.

Die Strahlungsquelle 5 ist zum Erzeugen eines fokussierten Laserstrahls 21 ausgelegt. Wie in 1 ersichtlich, ist ein Fokus 23 des Laserstrahls 21 auf eine Fügestelle 25 des Bauteils 3 gerichtet. Mittels des Laserstrahls 21 kann die Fügestelle 25 des Bauteils 3 so stark erwärmt werden, dass das Material des Bauteils 3 aufschmilzt, so dass eine Verschweißung stattfinden kann. Zum Erzeugen einer Schweißnaht kann der Fokus 23 mittels der Roboteransteuerung 19 der Robotervorrichtung 9 über das Bauteil 3 geführt werden. Dieser Vorgang ist mittels eines Pfeiles 27 angedeutet, der eine Vorschubgeschwindigkeit Vs des Fokus 23 relativ zum Bauteil 3 angibt. Mittels zweier strichpunktierter Linien 29 sind mögliche Verschiebungen des Fokus 23 relativ zum Bauteil 3 angedeutet, die beispielsweise von unerwünschten Schwingungen der Robotervorrichtung 9 herrühren können. Um diese unerwünschten Schwingungen zu detektieren, weist die Strahlungsquelle 5 eine Beschleunigungssensorvorrichtung 31 mit mehreren Beschleunigungssensoren 33 auf. Mittels der Beschleunigungssensorvorrichtung 31 kann die mittels der Linien 29 symbolisierte unerwünschte Positionsabweichung des Fokus 23 ermittelt werden. Die Beschleunigungssensorvorrichtung 31 stellt ein Messglied eines in 1 mit dem Bezugszeichen 35 symbolisierten Regelkreises dar. Der Regelkreis 35 ist geschlossen, der Roboteransteuerung 19 überlagert und den Positionsabweichungen des Fokus 23 entgegenwirkend ausgelegt. Mittels des Regelkreises 35 können also von unerwünschten Schwingungen der Robotervorrichtung 9 verursachte Positionsabweichungen des Fokus 23 relativ zum Bauteil 3 kompensiert werden.The radiation source 5 is for generating a focused laser beam 21 designed. As in 1 Obviously, there is a focus 23 of the laser beam 21 on a joint 25 of the component 3 directed. By means of the laser beam 21 can the joint 25 of the component 3 be heated so much that the material of the component 3 melts, so that a weld can take place. To create a weld, the focus 23 by means of the robot control 19 the robot device 9 over the component 3 be guided. This process is by means of an arrow 27 indicated, the feed rate V s of the focus 23 relative to the component 3 indicates. By means of two dot-dash lines 29 are possible shifts of focus 23 relative to the component 3 indicated, for example, by unwanted vibrations of the robotic device 9 can come from. To detect these unwanted vibrations, the radiation source 5 an acceleration sensor device 31 with several acceleration sensors 33 on. By means of the acceleration sensor device 31 can the by means of the lines 29 symbolized unwanted positional deviation of the focus 23 be determined. The acceleration sensor device 31 represents a measuring element of an in 1 with the reference number 35 symbolized control loop. The control loop 35 is closed, the robot control 19 superimposed and the position deviations of the focus 23 designed counteracting. By means of the control circuit 35 So can from unwanted vibrations of the robot device 9 caused positional deviations of the focus 23 relative to the component 3 be compensated.

2 zeigt eine Draufsicht der in 1 gezeigten Strahlungsquelle 5. Insgesamt sichtbar sind zwei der Beschleunigungssensoren 33 der Beschleunigungssensorvorrichtung 31, die der Strahlungsquelle 5 fest zugeordnet sind. 2 shows a plan view of in 1 shown radiation source 5 , Overall, two of the acceleration sensors are visible 33 the acceleration sensor device 31 that of the radiation source 5 are permanently assigned.

3 zeigte eine dreidimensionale Ansicht von schräg seitlich vorne oben der in 1 gezeigten Laserschweißvorrichtung 1. 4 zeigt eine schematische Seitenansicht der Strahlungsquelle 5 in zwei Positionen, wobei jeweils ein Regeleingriff des Regelkreises 35 dargestellt ist. 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht von schräg oben der Strahlungsquelle 5. Im Folgenden wird anhand der 1–5 die Funktionsweise des geschlossenen überlagerten Regelkreises 35 der Laserschweißvorrichtung 1 näher erläutert. 3 showed a three - dimensional view from obliquely laterally in front above the in 1 shown laser welding device 1 , 4 shows a schematic side view of the radiation source 5 in two positions, each with a control intervention of the control loop 35 is shown. 5 shows a three-dimensional view obliquely from above the radiation source 5 , The following is based on the 1 - 5 the operation of the closed superimposed control loop 35 the laser welding device 1 explained in more detail.

Wie in 3 ersichtlich, weist die Fügestelle 25 eine Schweißnaht 37 auf. In 3 ist die Strahlungsquelle 5 in verschiedenen Positionen beziehungsweise Bewegungsphasen dargestellt. In einer ersten Position 39 ist die Strahlungsquelle 5 bei abgeschaltetem Regelkreis 35 symbolisiert. Mittels geschwungener Pfeile 41 sind möglicherweise auftretende unerwünschte Drehschwingungen der Robotervorrichtung 9 symbolisiert. Ein geradliniger Doppelpfeil 43 symbolisiert beispielhaft dadurch auftretende Schwingungen des Fokus 23 relativ zum Bauteil 3. Dies führt zu Ungleichmäßigkeiten der mittels des Pfeiles 27 symbolisierten Vorschubgeschwindigkeit Vs, wobei sich eine unterschiedlich starke Erwärmung der Schweißnaht 37 ergibt. Dies führt zu unerwünschten Ungleichmäßigkeiten der Schweißnaht 37.As in 3 can be seen, the joint points 25 a weld 37 on. In 3 is the radiation source 5 shown in different positions or movement phases. In a first position 39 is the radiation source 5 when the control loop is switched off 35 symbolizes. Using curved arrows 41 are possibly occurring unwanted torsional vibrations of the robot device 9 symbolizes. A straight double arrow 43 symbolizes example occurring thereby oscillations of the focus 23 relative to the component 3 , This leads to irregularities by means of the arrow 27 symbolized feed rate V s , with a different degrees of heating of the weld 37 results. This leads to unwanted irregularities of the weld 37 ,

Mittels einer zweiten Position 47 sowie einer dritten Position 49 sind zwei Amplituden der nicht erwünschten Drehschwingung symbolisiert. Aus der zweiten Position 47 ergibt sich ein erster Abweichfokus 51, der hinter einem Sollfokus 55 liegt. Aus der dritten Position 49 ergibt sich ein zweiter Abweichfokus 53, der vor dem Sollfokus 55 liegt. Vorteilhaft weist die Strahlungsquelle 5 als Stellglied des überlagerten Regelkreises 35 eine Ausrichtvorrichtung 57 zur Beeinflussung der Ausrichtung des Laserstrahls 21 auf. Die Ausrichtvorrichtung 57 kann beispielsweise bewegliche Linsen und/oder Spiegel zur Abänderung des Strahlengangs des Laserstrahls 21 aufweisen. Zur Kompensation der sich jeweils ergebenden Abweichung der Abweichungsfokusse 51, 53 vom Sollfokus 55 kann die Ausrichtvorrichtung 57 mittels des Regelkreises 35 so betätigt werden, dass der Laserstrahl 21 trotz der auftretenden Schwingung, die mittels des/der geschwungenen Pfeile/s 41 angedeutet ist, den Sollfokus 55 trifft. Eine jeweils entsprechende Stellbewegung ist mittels Pfeilen 59 angedeutet. Die Pfeile 59 symbolisieren eine Kompensation der unerwünschten auftretenden Schwingungen der Robotervorrichtung 9.By means of a second position 47 as well as a third position 49 are two amplitudes of the unwanted torsional vibration symbolized. From the second position 47 this results in a first deviation focus 51 who is behind a target focus 55 lies. From the third position 49 there is a second deviation focus 53 that is in front of the target focus 55 lies. Advantageously, the radiation source 5 as an actuator of the superimposed control loop 35 an alignment device 57 for influencing the orientation of the laser beam 21 on. The alignment device 57 For example, movable lenses and / or mirrors for changing the beam path of the laser beam 21 exhibit. To compensate for each resulting deviation of the deviation foci 51 . 53 from the target focus 55 can the alignment device 57 by means of the control loop 35 be operated so that the laser beam 21 despite the vibration occurring by means of the curved arrows / s 41 is indicated, the target focus 55 meets. Each corresponding adjusting movement is by means of arrows 59 indicated. The arrows 59 symbolize a compensation of the unwanted vibrations of the robot device 9 ,

Wie in 4 ersichtlich, kann eine entsprechende Drehbewegung der Strahlungsquelle 5 durch eine entgegenwirkende Ablenkung des Laserstrahls 21 mittels der Ausrichtvorrichtung 57 kompensiert werden. In Ausrichtung der 4 gesehen links ist die Strahlungsquelle 5 in einer gegenüber einer Solllage entgegen des Uhrzeigersinns verdrehten Position dargestellt. Um dennoch zu gewährleisten, dass der Laserstrahl 21 das Bauteil 3 in einem rechten Winkel 61 am Sollfokus 55 trifft, kann der Strahlengang des Laserstrahls 21 mittels der Ausrichtvorrichtung 57 entgegenwirkend, also in Richtung des Uhrzeigersinns, abgelenkt werden. In Ausrichtung der 4 rechts dargestellt ist die Strahlungsquelle 5 gegenüber einer Solllage in Richtung des Uhrzeigersinnes verdreht. Folglich würde der Laserstrahl 21 das Bauteil 3 zu weit links treffen. Um diese Abweichung des Fokus 23 zu kompensieren, kann als Stellbewegung die Ausrichtungsvorrichtung 57 den Laserstrahl 21 entgegen des Uhrzeigersinns verdrehen, so dass der Laserstrahl 21 trotz der unerwünschten Solllageabweichung der Strahlungsquelle 5 das Bauteil 3 in dem erwünschten rechten Winkel 61 an einer Sollposition beziehungsweise am Sollfokus 55 trifft.As in 4 can be seen, a corresponding rotational movement of the radiation source 5 by an opposing deflection of the laser beam 21 by means of the alignment device 57 be compensated. In alignment with the 4 Seen on the left is the radiation source 5 represented in a relation to a desired position counterclockwise twisted position. To still ensure that the laser beam 21 the component 3 at a right angle 61 at the target focus 55 meets, the beam path of the laser beam 21 by means of the alignment device 57 counteracting, so in the direction of clockwise, be distracted. In alignment with the 4 shown on the right is the radiation source 5 rotated in a clockwise direction relative to a desired position. Consequently, the laser beam would 21 the component 3 To far left meet. To this deviation of focus 23 can compensate, as an adjusting movement, the alignment device 57 the laser beam 21 turn counterclockwise, leaving the laser beam 21 despite the undesirable target deviation of the radiation source 5 the component 3 at the desired right angle 61 at a desired position or at the desired focus 55 meets.

In 5 sind mittels drei Doppelpfeilen 63 sowie drei geschwungenen Pfeilen 65 unerwünschte Schwingungen 67 der Strahlungsquelle 5 angedeutet. Bei den Schwingungen 67 kann es sich entsprechend den 6 Freiheitsgraden der Strahlungsquelle 5 um sich überlagernde Translations- und/oder Rotationsschwingungen handeln. Mittels eines perspektivisch dargestellten Quadrats 69 sind die möglichen unerwünschten Abweichungen des Strahlengangs des Laserstrahls 21 vom Sollfokus 55 angedeutet. Die Abweichungen können beispielsweise bis zu 5 mm betragen. Vorteilhaft können diese unerwünschten Abweichungen mittels des Regelkreises 35 kompensiert werden, so dass trotz der vorhandenen Schwingungen 67 der Laserstrahl 21 den Sollfokus 55 trifft.In 5 are by means of three double arrows 63 as well as three curved arrows 65 unwanted vibrations 67 the radiation source 5 indicated. At the vibrations 67 It can be according to the 6 degrees of freedom of the radiation source 5 to be superimposed translational and / or rotational vibrations. By means of a perspective shown square 69 are the possible unwanted deviations of the beam path of the laser beam 21 from the target focus 55 indicated. The deviations can be up to 5 mm, for example. Advantageously, these unwanted deviations by means of the control loop 35 be compensated, so that despite the existing vibrations 67 the laser beam 21 the target focus 55 meets.

In 1 ist mittels eines Doppelpfeiles eine Brennweite 71 des Laserstrahls 21 der Strahlungsquelle 5 angedeutet. Hierzu kann die Strahlungsquelle 5 und/oder die Ausrichtvorrichtung 57 eine entsprechende Laseroptik aufweisen. Die Optikbrennweite der Laseroptik kann größer als 200 mm, vorzugsweise zwischen 200 mm und 2.000 mm, vorzugsweise bis zu 6.000 mm, vorzugsweise größer als 6.000 mm betragen. Mittels des vorgesehenen Regelkreises 35 kann trotz der vergleichsweise großen Brennweite 71 der Sollfokus 55 mit einer hohen Regelgüte eingeregelt werden. Der geschlossene Regelkreis 35 dient der Kompensation von Optikwicklern durch möglicherweise mittels der Schwingungen 67 induzierte Bewegungen der Strahlungsquelle 5 und damit des 21 beziehungsweise des Sollfokus 55 des Laserstrahls 21. Der Regelkreis 35 kann als Fuzzy-Regler oder als beliebiger anderer Regler ausgelegt sein.In 1 is a focal length by means of a double arrow 71 of the laser beam 21 the radiation source 5 indicated. For this purpose, the radiation source 5 and / or the alignment device 57 have a corresponding laser optics. The optical focal length of the laser optics may be greater than 200 mm, preferably between 200 mm and 2,000 mm, preferably up to 6,000 mm, preferably greater than 6,000 mm. By means of the provided control loop 35 can despite the comparatively large focal length 71 the target focus 55 be adjusted with a high control quality. The closed loop 35 Serves to compensate for optical winders by possibly using the vibrations 67 induced movements of the radiation source 5 and thus the 21 or the target focus 55 of the laser beam 21 , The control loop 35 can be designed as a fuzzy controller or as any other controller.

Zusammenfassend ergibt sich der Vorteil einer Ausgleichmöglichkeit von unerwünschten Roboterschwingungen der Robotervorrichtung 9 mittels einer intelligenten Optik, die selbst den Regelkreis 35 aufweisen kann und/oder von diesem ansteuerbar sein kann, der Strahlungsquelle 5. Vorteilhaft kann so, beispielsweise zum Erzeugen der Laserschweißnaht 37, eine konstantere Vorschubgeschwindigkeit Vs erzielt werden.In summary, there is the advantage of compensating for unwanted robot vibrations of the robot device 9 by means of a smart optic, which itself is the control loop 35 can and / or can be controlled by this, the radiation source 5 , Advantageously, for example, to generate the laser weld 37 , a more constant feed rate V s can be achieved.

11
LaserschweißvorrichtungLaser welding device
33
Bauteilcomponent
55
Strahlungsquelleradiation source
77
Roboterarmrobot arm
99
Robotervorrichtungrobotic device
1111
erster Teilarmfirst partial arm
1313
zweiter Teilarmsecond partial arm
1515
erstes Gelenkfirst joint
1717
zweites Gelenksecond joint
1919
Roboteransteuerungrobot control
2121
Laserstrahllaser beam
2323
Fokusfocus
2525
Fügestellejoint
2727
Pfeilarrow
2929
Linienlines
3131
BeschleunigungssensorvorrichtungAcceleration sensor device
3333
Beschleunigungssensoraccelerometer
3535
Regelkreisloop
3737
SchweißnahtWeld
3939
erste Positionfirst position
4141
Pfeilarrow
4343
Pfeilarrow
4545
Ungleichmäßigkeitunevenness
4747
zweite Positionsecond position
4949
dritte Positionthird position
5151
erster Abweichfokusfirst Abweichfokus
5353
zweiter Abweichfokussecond Abweichfokus
5555
Sollfokusshould focus
5757
Ausrichtvorrichtungalignment
5959
Pfeilearrows
6161
Winkelangle
6363
Doppelpfeiledouble arrows
6565
Pfeilearrows
6767
Schwingungenvibrations
6969
Quadratsquare
7171
Brennweitefocal length

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10232857 [0003] - DE 10232857 [0003]

Claims (8)

Laserschweißvorrichtung (1) zum Fügen von Bauteilen (3), mit: – einer Strahlungsquelle (5) zum Erzeugen eines gerichteten und fokussierten Laserstrahls (21); – eine mittels einer Roboteransteuerung (19) manipulierbare Robotervorrichtung (9) zum Führen und/oder Ausrichten des fokussierten Laserstrahls (21) der Strahlungsquelle (5) auf die Bauteile (3); – einem von der Roboteransteuerung (19) unabhängigen, der Roboteransteuerung (19) überlagerten und auf die Ausrichtung des Laserstrahls (21) wirkenden geschlossenen Regelkreis (35) zum Kompensieren von in der Robotervorrichtung (9) auftretenden Schwingungen (67).Laser welding device ( 1 ) for joining components ( 3 ), comprising: - a radiation source ( 5 ) for producing a directional and focused laser beam ( 21 ); - one by means of a robot control ( 19 ) manipulatable robotic device ( 9 ) for guiding and / or aligning the focused laser beam ( 21 ) of the radiation source ( 5 ) on the components ( 3 ); - one of the robot control ( 19 ) independent, the robot control ( 19 superimposed on the alignment of the laser beam ( 21 ) acting closed loop ( 35 ) for compensating in the robotic device ( 9 ) occurring vibrations ( 67 ). Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Optikbrennweite (71) des fokussierten Laserstrahls (21) mehr als 200 mm, bevorzugt zwischen 200 mm und 2.000 mm, vorzugsweise bis zu 6.000 mm, insbesondere mehr als 6.000 mm beträgt.Laser welding apparatus according to claim 1, wherein an optical focal length ( 71 ) of the focused laser beam ( 21 ) is more than 200 mm, preferably between 200 mm and 2,000 mm, preferably up to 6,000 mm, in particular more than 6,000 mm. Laserschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (5) eine mittels des geschlossenen Regelkreises (35) angesteuerte Ausrichtvorrichtung (57) zum Einstellen einer Abstrahlrichtung des Laserstrahles (21) aufweist.Laser welding device according to one of the preceding claims, wherein the radiation source ( 5 ) one by means of the closed loop ( 35 ) controlled alignment device ( 57 ) for adjusting a radiation direction of the laser beam ( 21 ) having. Laserschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahlungsquelle (5) als Messglied des geschlossenen Regelkreises (35) eine Beschleunigungssensorvorrichtung (31) zugeordnet ist.Laser welding apparatus according to one of the preceding claims, wherein the radiation source ( 5 ) as a measuring element of the closed loop ( 35 ) an acceleration sensor device ( 31 ) assigned. Laserschweißvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Beschleunigungssensorvorrichtung (31) zum Sensieren von Drehschwingungen und/oder translatorischen Schwingungen ausgelegt ist.Laser welding device according to the preceding claim, wherein the acceleration sensor device ( 31 ) is designed for sensing torsional vibrations and / or translatory vibrations. Laserschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der geschlossene Regelkreis (35) als Fuzzy-Regler ausgelegt ist.Laser welding apparatus according to one of the preceding claims, wherein the closed loop ( 35 ) is designed as a fuzzy controller. Laserschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Robotervorrichtung (9) einen handelsüblichen Industrieroboter aufweist.Laser welding device according to one of the preceding claims, wherein the robot device ( 9 ) has a commercial industrial robot. Verfahren zum Laserschweißen mit einer Laserschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: – Erzeugen eines gerichteten und fokussierten Laserstrahls (21) mittels der Strahlungsquelle (5), – Ausrichten des fokussierten Laserstrahls (21) auf die Bauteile (3) mittels der Robotervorrichtung (9), – Kompensieren von in der Robotervorrichtung (9) auftretenden Schwingungen (67) mittels des überlagerten Regelkreises (35).Method for laser welding with a laser welding device ( 1 ) according to one of the preceding claims, comprising the following steps: - generating a directed and focused laser beam ( 21 ) by means of the radiation source ( 5 ), - Aligning the focused laser beam ( 21 ) on the components ( 3 ) by means of the robotic device ( 9 ), - compensating in the robotic device ( 9 ) occurring vibrations ( 67 ) by means of the superimposed control loop ( 35 ).
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