DE102008009832A1 - Roboterhand, Roboter und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Roboterhand zur Ausstrahlung eines Laserstrahls (1) zur Bearbeitung von Werkstücken mit zumindest einer Handachse (3), durch die der Laserstrahl (1) hindurch zu leiten ist, mit einem Laseraustrittsbereich (4), wobei an der Roboterhand (2) und/oder in diese integriert ein bewegbarer, insbesondere schwenkbarer und/oder linear bewegbarer Leitungsarm (5) vorgesehen ist, mit einem Durchlassbereich (6) für den Laserstrahl (1), wobei der Leitungsarm (5) derart vor den Laseraustrittsbereich (4) zu bewegen ist, insbesondere zu schwenken ist, dass der Laserstrahl (1) durch den Durchlassbereich (6) tritt und Prozessgas durch den Leitungsarm (5), insbesondere einen Kanal in dem Leitungsarm, an eine vom Laserstrahl (1) zu bearbeitende Stelle des Werkstücks zu leiten ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Roboterhand zur Ausstrahlung eines Laserstrahls zur Bearbeitung von Werkstücken nach dem Oberbegriff von Anspruch, einen Roboter nach dem Oberbegriff von Anspruch 10 und ein Verfahren zur Betätigung einer Roboterhand nach dem Oberbegriff von Anspruch 11.
  • Bekannt sind Roboterhände, die an einen mehrachsigen Roboter zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls eingesetzt werden. An einem Laseraustrittsbereich sind direkt angeschlossene Prozessgasdüsen vorgesehen, die den Laserstrahl nach dem gesamten Austritt aus der Handachse vollständig umgeben, bis er auf das Werkstück auftrifft.
  • Nachteilig dabei ist es, dass eine aufwendige Prozedur zum Wechseln der Prozessgasdüsen bei Einsatz in unterschiedlichen Bearbeitungsmodi erforderlich ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Beseitigung der Nachteile des Stands der Technik eine bedarfsgerechte Versorgung des Bearbeitungspunktes des Werkstücks mit Prozessgas zu gewährleisten.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Roboterhand zur Ausstrahlung eines Laserstrahls zur Bearbeitung von Werkstücken mit zumindest einer Handachse, durch die der Laserstrahl hindurch zu leiten ist, mit einem Laseraustrittsbereich, dadurch gekennzeichnet, dass an der Roboterhand und/oder in diese integriert ein bewegbarer, insbesondere schwenkbarer und/oder linear bewegbarer Leitungsarm vorgesehen ist, mit einem Durchlassbereich für den Laserstrahl, wobei der Leitungsarm derart vor den Laseraustrittsbereich zu bewegen ist, insbesondere zu schwenken ist, dass der Laserstrahl durch den Durchlassbereich tritt und Prozessgas durch den Leitungsarm, insbesondere einen Kanal im Leitungsarm, an eine vom Laserstrahl zu bearbeitende Stelle des Werkstücks zu leiten ist.
  • Es ist eine hohe und sichere Prozessgaszuführung auf einfache Weise möglich, da ein geschlossenes Leitungssystem vorliegt und durch den Prozessgasdruck keine hohe Flächendruckbelastung an Sprengflächen im Bereich des Laseraustritts auftritt, die im Stand der Technik auch zum Wegsprengen der Prozessgasdüse führen konnte. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung treten bei Gewährleistung der gleichen Prozessgasdruckzufuhr zum Werkstück wesentlich geringere Kräfte im Bereich des Laseraustritts auf, da die Führung des Prozessgases über den Leitungsarm direkt zur bearbeiteten Stelle auf dem Werkstück verläuft. Durch die vorgeschlagene Lösung wird eine prozesssichere und stabile Bereitstellung von Prozessgas gewährleistet.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der Leitungsarm insbesondere für einen anderen Bearbeitungsmodus von dem Laseraustrittsbereich zu entfernen ist, insbesondere wegzuschwenken ist. Die Prozessgaszuführung kann somit sehr schnell aus und in den Arbeitsbereich herausgebracht werden. Durch den hierdurch möglichen Verzicht auf eine Düsenwechselstation kann ein großer Taktzeitgewinn insbesondere beim Wechsel zwischen mehreren Bearbeitungsmodi erreicht werden. Die Vorrichtung ist zudem verschleißärmer, da keine Passstellen zu den Düsen auftreten und die Verfügbarkeit der Roboterhand ist erhöht.
  • Eine variable Einstellmöglichkeit und Gewichtsersparnis ist ermöglicht, wenn zwischen dem Laseraustrittsbereich und dem Durchlassbereich des Laserstrahls im Leitungsarm ein freier Bereich mit einem vorbestimmten Abstand vorgesehen ist Eine sichere Bearbeitung des Werkstücks ist möglich, wenn das Prozessgas Luft und/oder Stickstoff ist.
  • Der Prozessgasstrom kann auf einfache Weise gezielt eingesetzt werden, wenn der Durchlassbereich im Leitungsarm an einer dem Werkstück abgewandten Seite mit einem Eintrittsbereich versehen ist, der laserstrahldurchlässig ist, jedoch einen Prozessgasaustritt erschwert oder verhindert.
  • Ein minimierter Prozessgasverlust ist erreicht, wenn der Eintrittsbereich als werkstückabgewandter, gegen Prozessgasaustritt im wesentlichen geschlossener, im wesentlichen ringförmiger Bereich als Prozessgasleitung ausgebildet ist, wobei als werkstückseitiger Prozessgasaustritt eine im wesentlichen ringförmige Öffnung vorgesehen ist, und der Durchlassbereich des Laserstrahls von der im wesentlichen ringförmigen Öffnung zumindest teilweise im wesentlichen umgeben ist.
  • Vorteilhaft ist es, wenn ein Scannerbereich in und/oder an der Roboterhand insbesondere integriert vorgesehen ist, so dass der Laserstrahl mittels eines Scanners im Scannerbereich durch den Laseraustrittsbereich auf das Werkstück zu bewegen ist. Der für den Scanner erforderliche große Laseraustrittsbereich kann unter voller Ausnutzung der Winkelbereiche in einem wechselnden Bearbeitungsmodus mit einem direkten, festen Laserstrahlbearbeitungsmodus genutzt werden, da der Leitungsarm schnell und sicher entfernt und wieder an seine Stelle geschwenkt werden kann.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der Leitungsarm mit einem Schwenkgelenk an der Roboterhand, Insbesondere im Scannerbereich, angeordnet ist. Auf diese Weise trägt der Scannerbereich un der Leitungsarm als Einheit zu einer geringen Größe der Roboterhand bei. Dies wird Insbesondere durch ein seitlich angeordnetes Schwenkgelenk, insbesondere direkt am Scannerbereich der Roboterhand angeordnet, erreicht.
  • Eine Verunreinigung der Roboterhand mit Scanner wird erreicht, wenn der Laseraustrittsbereich mit einem im wesentlichen ringförmigen Austrittsbereich für den Laserstrahl und/oder einem im wesentlichen ringförmigen den Laserstrahl umgebenden Austrittsbereich für Prozessgas versehen ist.
  • Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen Roboter mit einer Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Die Roboterhand kann dabei eine Vielzahl vorn Handachsen aufweisen, vorteilhaft ist jedoch eine minimierte Anzahl zur Reduzierung der Handlänge, beispielsweise eine Anordnung eines Scanners in einer zweiten Handachse bei einem Roboter mit insgesamt fünf Achsen, wobei der leitungsarm insbesondere an der zweiten Handachse angeordnet ist.
  • Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Betätigung einer Roboterhand mit einem Laserstrahl zur Bearbeitung von Werkstücken und mit zumindest einer Handachse, durch die der Laserstrahl hindurch zu leiten ist, mit einem Laseraustrittsbereich, insbesondere unter Verwendung einer Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein an der Roboterhand vorgesehener bewegbarer, insbesondere schwenkbarer Leitungsarm, mit einem Durchlassbereich für den Laserstrahl, durch eine im wesentlichen seitliche Bewegung vor den Laseraustrittsbereich positioniert wird, insbesondere geschwenkt wird, so dass der Laserstrahl durch den Durchlassbereich im Leitungsarm tritt und Prozessgas durch den Leitungsarm an eine vom Laserstrahl zu bearbeitende Stelle des Werkstücks geleitet wird und/oder dass der Leitungsarm insbesondere für einen anderen Bearbeitungsmodus vom Laseraustrittsbereich wegbewegt wird, insbesondere weggeschwenkt wird.
  • Die dargestellten Details der Erfindung lassen sich auf verschiedenste Bereich anwenden, auch außerhalb des Roboterbereichs, und unterschiedlich kombinieren. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert sind.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht einer Roboterhand mit einem Leitungsarm,
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer Roboterhand mit einem Leitungsarm,
  • 3 einen Schnitt durch eine Roboterhand mit einem Leitungsarm,
  • 4 ein Schnitt durch einen Durchlassbereich eines Leitungsarms und
  • 5 eine perspektivische Ansicht auf eine Roboterhand mit Leitungsarm.
  • 1 zeigt eine Seitenansicht einer Roboterhand 2 mit einem Leitungsarm 5. Die Roboterhand 2 weist zumindest eine Handachse 3 auf und ist insbesondere Teil eines Roboters, der zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Lasers eingerichtet ist. Durch die Roboterhand 2 wird ein Laserstrahl 1 geleitet, der an dem Laseraustrittsbereich 4 aus der Roboterhand 2 austritt. Der Laserstrahl 1 tritt anschließend nach Durchquerung eines freien Bereichs 12 durch einen Durchlassbereich 6 des Leitungsarms 5 in einem Abstand 11 zu dem Laseraustrittsbereich 4. Der Laserstrahl 1 tritt an einem werkstückabgewandten Seite 10 in einen Eintrittsbereich 13 ein und trifft nach Durchquerung des Durchlassbereichs 6 anschließend auf ein nicht dargestelltes Werkstück zur Bearbeitung des Werkstücks. Der Leitungsarm 5 weist eine Kanal 17, die in 3 beispielhaft dargestellt ist, auf, durch die Prozessgas 7 zu dem Werkstück geleitet wird, um insbesondere abgearbeitete Werkstücksplitter, Staub und Wärme von der Werkstückoberfläche zu entfernen. Durch die Prozessgasführung über den Leitungsarm 5 wird die Kraftbelastung durch hohen den Gasdruck im Bereich des Laseraustritts 4 verhindert.
  • Der Leitungsarm 5 ist an der Roboterhand 2 beispielhaft mittels eines Schwenkgelenks 9 schwenkbar befestigt. Für einen anderen Bearbeitungsmodus kann dann der Leitungsarm 5, wie in 5 beispielhaft dargestellt, weggeschwenkt werden, so dass der Laserstrahl 1 einen weiteren Winkel überstreichen kann. Das Schwenken des Leitungsarms 5 kann – wie beispielhaft dargestellt – motorisch angetrieben sein, so dass sehr schnelle Wechsel zwischen den Bearbeitungsmodi möglich sind.
  • 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Roboterhand 2 mit einem Leitungsarm 5. Der Durchlassbereich 6 an der werkstückabgewandten Seite 10 des Leitungsarms 5 ist beispielhaft mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Weiterhin sind Anschlüsse zur Stromversorgung und Gaszuleitung im Bereich des Antriebs 18 des Schwenkgelenks 9 beispielhaft vorgesehen, wodurch eine kompakte und leicht zu wartende Vorrichtung gegeben ist.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch eine Roboterhand 2 mit einem Leitungsarm 5. In der Roboterhand 2 ist nicht dargestellt beispielhaft ein Scannerbereich 8 vorgesehen, der mittels insbesondere zweier Spiegel eine Auslenkung des Laserstrahls 1 bewirkt. Wegen einer hohen Leistungsdichte des nicht dargestellten hindurchtretenden Laserstrahls ist der Laseraustrittbereich 4 beispielhaft offen ausgebildet. In einem ringförmigen Bereich 14 an einem Außenring des Austrittsbereichs 4 ist ein abschirmender Prozessgasaustritt vorgesehen, um eine Abschirmung eines Innenbereichs 19 gegen eindringenden Verunreinigungen zu ermöglichen.
  • Der Leitungsarm 5 weist der beispielhaft durchlaufende Kanal 17 für das Prozessgas 7 auf, dass zum Werkstück geleitet wird. Ein Prozessgaseintritt 20 erfolgt im Innenraum 19. Im Durchlassbereich 5 des Laserstrahls 1 im Endbereich des Leitungsarms 5 wird das Prozessgas 7 um den Durchlassbereich 6 herum zum Werkstück geleitet, so dass nahezu kein Prozessgasaustritt an der werkstückabgewandten Seite 10 des Leitungsarms 5 erfolgen kann. Im Eintrittsbereich 13 befindet sich ein beispielhaft ringförmiger Bereich 15 der Prozessgasleitung und an einer werkstückzugewandten Seite 21 befindet sich wiederum eine beispielhaft ringfömige Öffnung 16 für den Austritt des Prozessgases 7.
  • 4 zeigt ein Schnitt durch einen Durchlassbereich 6 eines Leitungsarms 5. Es wird in einem vergrößerten Schnitt durch den Leitungsarm 5 die Führung des Kanals 17 durch der Durchlassbereich 6 für den Laserstrahl 1 gezeigt. Durch den den Durchlassbereich 6 umgebenden Kanal 17 des Prozessgases 7 ist eine zielgerichtete Zuführung zu dem Werkstück möglich.
  • 5 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine Roboterhand 2 mit Leitungsarm 5. Die Roboterhand 2 kann insbesondere einen Scannerbereich 8 zur flexiblen Ablenkung und Ausrichtung des Laserstrahls 1 aufweisen. Dementsprechend kann die Größe der Öffnung des Laseraustrittsbereichs 4 an die Winkelstreuung des Scanners angepasst ausgebildet sein. Um eine Störung des Laserstrahls 1 beim Scannen zu vermeiden, kann wie erfindungsgemäß beschrieben vorgesehen sein, dass der Leitungsarm 5 durch eine Schwenkbewegung innerhalb sehr kurzer Zeit wegge schwenkt werden kann, so dass ein schneller Wechsel zwischen mehreren Bearbeitungsmodi möglich ist.
    • 1
    Laserstrahl
    2
    Roboterhand
    3
    Handachse
    4
    Laseraustrittsbereich
    5
    Leitungsarm
    6
    Durchlassbereich
    7
    Prozessgas
    8
    Scannerbereich
    9
    Schwenkgelenk
    10
    werkstückabgewandte Seite
    11
    vorbestimmter Abstand
    12
    freier Bereich
    13
    Eintrittsbereich
    14
    ringförmiger Austrittbereich
    15
    ringförmiger Bereich
    16
    ringförmige Öffnung
    17
    Kanal
    18
    Antrieb
    19
    Innenbereich
    20
    Prozessgaseintritt
    21
    werkstückzugewandte Seite

Claims (11)

  1. Roboterhand zur Ausstrahlung eines Laserstrahls (1) zur Bearbeitung von Werkstücken mit zumindest einer Handachse (3), durch die der Laserstrahl (1) hindurch zu leiten ist, mit einem Laseraustrittsbereich (4), dadurch gekennzeichnet, dass an der Roboterhand (2) und/oder in diese integriert ein bewegbarer, insbesondere schwenkbarer und/oder linear bewegbarer Leitungsarm (5) vorgesehen ist, mit einem Durchlassbereich (6) für den Laserstrahl (1), wobei der Leitungsarm (5) derart vor den Laseraustrittsbereich (4) zu bewegen ist, insbesondere zu schwenken ist, dass der Laserstrahl (1) durch den Durchlassbereich (6) tritt und Prozessgas (7) durch den Leitungsarm (5), insbesondere einen Kanal (17) in dem Leitungsarm, an eine vom Laserstrahl (1) zu bearbeitende Stelle des Werkstücks zu leiten ist.
  2. Roboterhand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsarm (5) insbesondere für einen anderen Bearbeitungsmodus von dem Laseraustrittsbereich (4) zu entfernen ist, insbesondere wegzuschwenken ist.
  3. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Laseraustrittsbereich (4) und dem Durchlassbereich (6) des Laserstrahls (1) im Leitungsarm (5) ein freier Bereich (12) mit einem vorbestimmten Abstand (11) vorgesehen ist
  4. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (7) Luft und/oder Stickstoff ist.
  5. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlassbereich (6) im Leitungsarm (5) an einer dem Werkstück abgewandten Seite (10) mit einem Eintrittsbereich (13) versehen ist, der laserstrahldurchlässig ist, jedoch einen Prozessgasaustritt erschwert oder verhindert.
  6. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich (13) als werkstückabgewandter, gegen Prozessgasaustritt im wesentlichen geschlossener, im wesentlichen ringförmiger Bereich (15) als Prozessgasleitung ausgebildet ist, wobei als werkstückseitiger Prozessgasaustritt eine im wesentlichen ringförmige Öffnung (16) vorgesehen ist, und der Durchlassbereich (6) des Laserstrahls (1) von der im wesentlichen ringförmigen Öffnung (16) zumindest teilweise im wesentlichen umgeben ist.
  7. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Scannerbereich (8) in und/oder an der Roboterhand (2) insbesondere integriert vorgesehen ist, so dass der Laserstrahl (1) mittels eines Scanners im Scannerbereich (8) durch den Laseraustrittsbereich (4) auf das Werkstück zu bewegen ist.
  8. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsarm (5) mit einem Schwenkgelenk (9) an der Roboterhand (2), insbesondere im Scannerbereich (8), angeordnet ist.
  9. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseraustrittsbereich (4) mit einem im wesentlichen ringförmigen Austrittsbereich (14) für den Laserstrahl und/oder einem im wesentlichen ringförmigen den Laserstrahl (1) umgebenden Austrittsbereich für Prozessgas (7) versehen ist.
  10. Roboter mit einer Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Verfahren zur Betätigung einer Roboterhand (2) mit einem Laserstrahl (1) zur Bearbeitung von Werkstücken und mit zumindest einer Handachse (3), durch die der Laserstrahl (1) hindurch zu leiten ist, mit einem Laseraustrittsbereich (4), insbesondere unter Verwendung einer Roboterhand (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere für einen Roboter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Roboterhand (2) vorgesehener bewegbarer, insbesondere schwenkbarer Leitungsarm (5), mit einem Durchlassbereich (6) für den Laserstrahl (1), durch eine im wesentlichen seitliche Bewegung vor den Laseraustrittsbereich (4) positioniert wird, insbesondere geschwenkt wird, so dass der Laserstrahl (1) durch den Durchlassbereich (6) im Leitungsarm (5) tritt und Prozessgas (7) durch den Leitungsarm (5) an eine vom Laserstrahl (1) zu bearbeitende Stelle des Werkstücks geleitet wird und/oder dass der Leitungsarm (5) insbesondere für einen anderen Bearbeitungsmodus vom Laseraustrittsbereich (4) wegbewegt wird, insbesondere weggeschwenkt wird.
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