DE102008048401A1

DE102008048401A1 - Laserschweißvorrichtung und Laserschweißverfahren

Info

Publication number: DE102008048401A1
Application number: DE200810048401
Authority: DE
Inventors: Alexander Gran
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung, die einen Laser (1), der einen Laserstrahl erzeugt, eine Mehrzahl von Arbeitsstationen (30-33), die jeweils geeignet sind, unter Verwendung des Laserstrahls des Lasers (1) einen Schweißvorgang durchzuführen, und eine Steuerung umfasst. Die Steuerung stellt den Laserstrahl der Mehrzahl von Arbeitsstationen (30-33) derart bereit, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt der Laserstrahl nur einer der Arbeitsstationen (30-33) zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitsteht und nach Durchführen eines Schweißvorgangs bei einer Arbeitsstation (30-33) der Laserstrahl einer anderen der Arbeitsstationen (30-33) zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitgestellt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Laserschweißverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung und ein Laserschweißverfahren.
Es sind Schweißroboter bekannt, die eine Laserquelle und eine Fokussieroptik zum Durchführen eines Schweißvorgangs an einem Werkstück aufweisen. Bei Schweißanwendungen, die eine Vielzahl von Schweißstellen umfassen, springt der Schweißroboter von einer Schweißstelle zur anderen. Während der Zeitintervalle, in denen der Schweißroboter zu einer anderen Schweißstelle bewegt wird, ist der Laser ausgeschaltet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Laserschweißvorrichtungen und Laserschweißverfahren zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laserschweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Laserschweißverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass für die Schweißvorgänge einer Mehrzahl von Arbeitsstationen nur ein Laser verwendet wird. Der von dem Laser erzeugte Laserstrahl wird der Mehrzahl der Arbeitsstationen derart zur Verfügung gestellt, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt der Laserstrahl nur einer der Arbeitsstationen zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitsteht. Nach Durchführen des Schweißvorgangs bei einer Arbeitsstation wird der Laserstrahl einer anderen der Arbeitsstation zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitgestellt.
Hierdurch wird es ermöglicht, den Laser während der Zeiten, in denen eine Arbeitsstation zu einer anderen Schweißstelle bewegt wird, für eine oder mehrere andere Arbeitsstationen zu nutzen. Eine andere Anwendung besteht darin, den Laser einer anderen Arbeitsstation zuzuführen, wenn bei einer betrachteten Arbeitsstation das zu bearbeitende Werkstück wegbewegt, beispielsweise ausgetauscht wird.
Erfindungsgemäß wird somit lediglich ein Laser für die Laserschweißvorgänge einer Mehrzahl von Arbeitsstationen benötigt. Eine Steuerung steuert den Laserstrahl dabei dahingehend, dass der Laserstrahl einer Arbeitsstation immer nur dann zur Verfügung gestellt wird, wenn die Arbeitsstation zur Vornahme eines Schweißvorgangs positioniert ist. In den dazwischen liegenden Zeiten wird der Laserstrahl über die Steuervorrichtung einer anderen der Arbeitsstationen bereitgestellt. Beispielsweise wird der Laserstrahl den einzelnen Arbeitsstationen dabei reihum zur Verfügung gestellt.
Zum Bereitstellen des Laserstrahls ist beispielsweise eine Umlenkoptik vorgesehen, die den Laserstrahl in Abhängigkeit von Steuersignalen einer Steuervorrichtung jeweils einer aktuell einen Schweißvorgang vornehmenden Arbeitsstation zuführt. Die Steuerung muss dabei auch die aktuelle Position der einzelnen Arbeitsstationen berücksichtigen. Statt einer Umlenkoptik kann aber auch ein beliebiger anderer optischer Verteiler verwendet werden, wobei auch eine geführte Wellenleitung entlang Lichtwellenleitern möglich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Laser kontinuierlich betrieben. Wenn also eine Arbeitsstation zu einer anderen Schweißstelle bewegt und währenddessen der Laserstrahl einer anderen Arbeitsstation zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitgestellt wird, so liegt auch bei dem Wechsel der Arbeitsstation der Laserstrahl kontinuierlich vor. Dies ermöglicht es, eine minimale Verlustzeit zu realisieren, in der der Laserstrahl ungenutzt ist. Die Verlustzeit kann auf beispielsweise 60 Millisekunden oder sogar darunter reduziert werden.
Die Erfindung betrifft des weiteren ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird. Das Computerprogramm bildet in einer Ausgestaltung eine Robotersoftware, die die Kooperation einer Mehrzahl von Robotern und/oder einer Mehrzahl unterschiedlicher Arme eines Roboters und des Lasers steuert.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch Elemente einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung und
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung.
Die Laserschweißvorrichtung der 1 umfasst einen Laser 1, eine Umlenkoptik 2, zwei Arbeitsstationen 3a, 3b und eine Steuervorrichtung 4.
Der Laser 1 erzeugt kontinuierlich einen Laserstrahl, der auf die Umlenkoptik 2 gelenkt wird. Die Umlenkoptik 2 weist einen Spiegel 21 auf, der in Abhängigkeit von Steuersignalen der Steuervorrichtung 4 den Laserstrahl spiegelt oder passieren lässt, so dass der Laserstrahl entweder auf die Arbeitsstation 3a oder die Arbeitsstation 3b gelenkt wird. Die beschriebene Umlenkoptik 2 ist dabei nur beispielhaft zu verstehen. Sie stellt eine einfache Ausführungsvariante einer Umlenkoptik im Falle zweier Arbeitsstationen 3a, 3b dar.
Die Arbeitsstationen 3a, 3b sind jeweils dazu geeignet und ausgebildet, unter Verwendung des Laserstrahls 1 einen Schweißvorgang durchzuführen. Hierzu weisen sie insbesondere eine Fokussieroptik auf und ggf. weitere Einrichtungen zum Laserschweißen, die dem Fachmann bekannt sind. Die einzelnen Arbeitsstationen 3a, 3b besitzen jedoch keinen eigenen Laser.
Bei den Arbeitsstationen 3a, 3b kann es sich um zwei Roboter, beispielsweise CNC-Roboter handeln (CNC = Computerized Numerical Control), oder um zwei getrennt bewegbare Arme eine Roboters.
Jede Arbeitsstation 3a, 3b ist in mindestens einer Richtung über die Steuervorrichtung 4 bewegbar und an gewünschten Schweißpositionen positionierbar, wie durch die jeweiligen Doppelpfeile angedeutet.
Die Steuerung der Arbeitsstationen 3a, 3b und der Umlenkoptik 2 erfolgt nun derart, dass der Laserstrahl zu einem gegebenen Zeitpunkt immer auf nur eine der beiden Arbeitsstationen 3a, 3b gelenkt wird. Die Arbeitsstation 3a, 3b, auf die der Laserstrahl gelenkt wird, nutzt den Laserstrahl zur Durchführung eines Schweißvorgangs. Während dieser Zeit wird die andere Arbeitsstation 3b, 3a durch die Steuervorrichtung 4 an einer anderen Schweißstelle positioniert. Sobald sie positioniert ist, wird der Laserstrahl auf die nun positionierte Arbeitsstelle gelenkt, so dass diese den Laserstrahl für einen Laserschweißvorgang nutzen kann. Währenddessen wird wiederum die Arbeitsstation, die bisher den Laserstrahl nutzte, neu positioniert.
Dies bedeutet, dass die Umlenkoptik 2 derart gesteuert werden muss, dass sie die sich ändernden Positionen der Arbeitsstationen 3a, 3b berücksichtigt. Da die Steuervorrichtung 4 als zentrale Steuervorrichtung ausgebildet ist, die auch die Arbeitsstationen 3a, 3b steuert und deren Position kennt, ist dies unproblematisch.
Zur Durchführung von Schweißvorgängen durch die beiden Arbeitsstationen 3a, 3b wird somit nur ein Laser 1 und ein Laserstrahl verwendet. In effektiver Weise wird der Laserstrahl der jeweiligen Arbeitsstation 3a, 3b nur dann zur Verfügung gestellt, wenn diese den Laserstrahl auch zu einem Schweißvorgang nutzen kann, nicht jedoch, während diese an eine andere Schweißstelle bewegt und/oder das zu bearbeitende Werkstück ausgetauscht wird.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schweißvorrichtung, bei der vier Arbeitsstationen 30, 31, 32, 33 vorgesehen sind, die über eine Umlenkoptik 20 mit dem Laserstrahl eines Lasers 1 beaufschlagt werden.
Die 2 betrachtet dabei beispielhaft die Situation, dass vier längliche Werkstücke 11, 12, 13, 14 mit einer Grundplatte 10 jeweils über eine Mehrzahl von Laserschweißstellen 50 verschweißt werden sollen. Zum Schweißvorgang ist für jedes Werkstück 11 eine Arbeitsstation 30, 31, 32, 33 vorgesehen. Jede Arbeitsstation 30, 31, 32, 33 wird mittels einer nicht dargestellten Steuervorrichtung und Bewegungseinrichtung linear entlang des jeweiligen Werkstücks 11, 12, 13, 14 bewegt und springt von Schweißpunkt 50 zu Schweißpunkt 50.
Jede Arbeitsstation 11, 12, 13, 14 weist dabei eine Fokussieroptik 301, 311, 321, 331 zur Fokussierung des Laserstrahls für den Schweißvorgang sowie Mittel 302, 312, 322, 332 zur Einkopplung des Laserstrahls auf. Die Fokussieroptik 301, 311, 321, 331 ist nicht verstellbar ausgebildet und weist eine feste Brennweite auf.
Die Umlenkoptik 20 ist derart ausgebildet, dass sie den vom Laser kontinuierlich erhaltenen Laserstrahl in einer bestimmten Richtung weiterleitet. Hierzu kann die Umlenkoptik 20 Spiegel, Linsen, etc. aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Umlenkoptik 20 drehbar ausgeführt und lenkt den empfangenen Laserstrahl in Abhängigkeit von ihrer Drehposition in eine bestimmte Raumrichtung weiter. Die Umlenkoptik 20 wird dabei durch die nicht dargestellte Steuervorrichtung derart gedreht, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt der Laserstrahl derjenigen Arbeitsstation 30, 31, 32, 33 an ihrem aktuellen Ort zugeführt wird, die gerade dazu bereit und positioniert ist, einen Laserschweißvorgang durchzuführen. Das der entsprechenden Arbeitsstation zugeführte Licht wird dabei durch die Einkoppelmittel 302, 312, 322, 332 in die jeweilige Arbeitsstation 30, 31, 32, 33 eingekoppelt.
Die einzelnen Arbeitsstationen 30, 31, 32, 33 werden somit von Schweißstelle 50 zu Schweißstelle 50 bewegt. Nach Positionierung einer Arbeitsstation wird die Umlenkoptik 20 derart eingestellt, dass der Laserstrahl der Arbeitsstation zugeführt wird, die für einen Laserschweißvorgang bereit ist. Währenddessen werden die anderen Arbeitsstationen an einen neuen Schweißpunkt 50 bewegt und dort positioniert. Der Laser wird auf diese Weise höchst effektiv ausgenutzt, da er in Zeiten, in denen er durch eine Arbeitsstation nicht genutzt werden kann, einer oder mehreren anderen Arbeitsstationen zur Verfügung gestellt wird.
Die Anzahl der Arbeitsstationen, die auf diese Weise sinnvoll mit einem Laser betrieben werden kann, hängt von dem Verhältnis des Zeitraums, in dem eine Arbeitsstation neu positioniert werden kann, zu dem Zeitraum eines Schweißvorgangs ab.
In einer anderen Anwendung wird nicht die Arbeitsstation in Bezug auf das Werkstück von Schweißstelle zu Schweißstelle bewegt, sondern wird zwischen den einzelnen Schweißvorgängen einer Arbeitsstation das Werkstück ausgetauscht. Auch können diese beiden Anwendungen kombiniert werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele. Sie ist nicht auf bestimmte Laserarten, Schweißroboter, Schweißvorgänge oder Werkstücke begrenzt und kann grundsätzlich in einem breiten Kontext Anwendung finden.

Claims

Laserschweißvorrichtung, die aufweist – einen Laser (1), der einen Laserstrahl erzeugt, – eine Mehrzahl von Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33), die jeweils geeignet sind, unter Verwendung des Laserstrahls des Lasers (1) einen Schweißvorgang durchzuführen, und – eine Steuerung (4), die den Laserstrahl der Mehrzahl von Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) derart bereitstellt, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt der Laserstrahl nur einer der Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitsteht und nach Durchführen eines Schweißvorgangs bei einer Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) der Laserstrahl einer anderen der Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (4, 40) eine Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) in Zeitintervallen, in denen der Laserstrahl einer anderen Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitgestellt ist, zu einer anderen Schweißstelle (50) bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (4, 40) in Zeitintervallen, in denen der Laserstrahl einer anderen Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitgestellt ist, das Wechseln eines Werkstücks einer Arbeitsstation veranlasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) jeweils eine Fokussieroptik (301, 311, 321, 331) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (301, 311, 321, 331) nicht verstellbar und mit fester Brennweite ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Umlenkoptik (2, 20), die den vom Laser (1) erzeugten Laserstrahl in Abhängigkeit von Steuersignalen der Steuerung (4) wahlweise einer der Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) zuführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen optischen Verteiler, der in Abhängigkeit von Steuersignalen der Steuerung (4) den vom dem Laser (1) erzeugten Laserstrahl über Lichtwellenleiter wahlweise einer der Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) zuführt.
Vorrichtung nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) Mittel (302, 312, 322, 332) zum Einkoppeln des Laserstrahls aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) durch eine Mehrzahl von Robotern oder durch unterschiedliche Arme eines Roboters gebildet sind.
Laserschweißverfahren, mit den Schritten: – Erzeugen genau eines Laserstrahls, – Bereitstellen einer Mehrzahl von Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33), die jeweils geeignet sind, unter Verwendung des Laserstrahl einen Schweißvorgang durchzuführen, und – Bereitstellen des Laserstrahls der Mehrzahl von Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) derart, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt der Laserstrahl nur einer der Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitsteht, und nach Durchführen des Schweißvorgangs bei einer Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) der Laserstrahl einer anderen der Arbeitsstationen zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) in der Zeit, in der der Laserstrahl einer anderen Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) zur Durchführung eines Schweißvorgangs bereitgestellt ist, zu einer anderen Schweißstelle (50) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) den Laserstrahl erst dann bereitgestellt bekommt, wenn sie, nachdem sie zuvor zu einer Schweißstelle (50) bewegt wurde, zur Durchführung eines Schweißvorgangs positioniert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Zeitpunkt, zu dem der Laserstrahl einer anderen der Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) bereitgestellt ist, das durch die Arbeitsstation (3a, 3b; 30–33) zu bearbeitende Werkstück ausgetauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (4) eine Umlenkoptik (2, 20) steuert, die in Abhängigkeit von Steuersignalen der Steuerung (4) derart einstellbar ist, dass sie den Laserstrahl zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils einer der Mehrzahl der Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) zuführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (4) einen optischen Verteiler steuert, der den Laserstrahl über Lichtwellenleiter zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils einer der Mehrzahl der Arbeitsstationen (3a, 3b; 30–33) zuführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) kontinuierlich betrieben wird.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird.