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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Energiestrahlschneidevorrichtung zum Bescheiden eines Formteils mittels eines Energiestrahls.
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Formteile, insbesondere Blechteile und/oder Spritzgussteile werden häufig im Automobilbau eingesetzt. Um diese nach dem Formen in eine endgültige Kontur zu bringen, ist es bekannt, diese mittels eines Energiestrahls, insbesonderen Lasers, zu beschneiden. Es ist bekannt, dass solche Formteile gewissen Toleranzen unterliegen, die sich auf den nachfolgenden Beschneidevorgang auswirken. Um solche Toleranzen auszugleichen, ist es bekannt, entsprechende Beschneideanlagen zu kalibrieren, Markierungen auf dem Formteil zu verwenden und/oder eine entsprechende Führung des Energiestrahls zu korrigieren.
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Die
WO 2009/080233 A1 betrifft eine Fügeeinrichtung und ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit einem von einem mehrachsigen Manipulator geführten Laserstrahl. Es wird zunächst ein Unterteil vermessen und eine mit dem Laserstrahl zu verfolgende Fügebahn nach dem Messergebnis ausgerichtet und gespeichert.
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Die
DE 10 2004 001 168 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserschweißen. Es wird eine Soll-Ist-Abweichung einer Positionierung und/oder einer Topographie eines Werkstücks und/oder einer Strahlführung untersucht und in Abhängigkeit eines Ergebnisses einer solchen Berechnung eine Korrektur einer vorgegebenen Schweißbahn durchgeführt.
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Die
DE 10 2007 062 109 A1 betrifft einen Industrieroboter und ein Verfahren zum Steuern eines Industrieroboters. Im Rahmen des Verfahrens wird ein Werkzeug mittels des Industrieroboters entlang einer Bahn bewegt. Das Werkzeug bearbeitet während des Bewegens ein Werkstück. Während des Bewegens des Werkstücks entlang der Bahn wird eine optische Markierung am Werkstück erkannt und aufgrund der erkannten optischen Markierung wird das Werkzeug insbesondere mittels des Industrieroboters angesteuert.
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Die
EP 2 062 674 A1 betrifft ein Kalibrationsverfahren bei einem Laserschweißprozess, das insbesondere automatisiert durchgeführt werden kann, wobei eine Ausrichtung eines Laserbearbeitungskopfes zu einem Werkstück durch Erfassen einer Position einer Fügestelle in mindestens zwei Messbereichen sowie durch Erfassen einer Laserstrahlposition erfolgt.
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Die
DE 103 35 501 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen oder Schneiden mit Laserstrahl. Der Prozess wird von einem in einen Strahlengang eingekoppelten Erfassungssystem beobachtet. Es wird zum Erfassen einer Umgebung der Prozessort durch eine dynamische Blendeneinrichtung temporär ausgeblendet.
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Die
EP 2 338 634 A1 betrifft ein Verfahren zum Trennen einer Materialschicht entlang einer vorgegebenen Trennlinie. Es wird ein Schneidstrahl so verfahren, dass er um einen Abstand seitlich versetzt zur Trennlinie auf die Materialschicht auftrifft. Der Abstand wird in Abhängigkeit der Änderungen in der Verfahrensgeschwindigkeit, mit welcher der Schneidstrahl verfahren wird, und/oder in Abhängigkeit der Abweichungen des wirksamen Schneidstrahlquerschnitts von einer kreisrunden Form festegelegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Beschneiden eines Formteils mittels eines Energiestrahls zu ermöglichen, insbesondere dahingehend, dass trotz bei einer Herstellung des Formteils auftretender Toleranzen ein exaktes Beschneiden des Formteils möglich ist.
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Die Aufgabe ist durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Vorteilhaft kann zunächst eine Abbildungsfunktion ermittelt werden, die dann zum Ausgleichen von Fertigungstoleranzen des Formteils auf die Sollschneidegröße angewendet werden kann, wobei die Abbildungsfunktion eine Soll-Formteilzustandsgröße zumindest näherungsweise auf eine Ist-Formteilzustandsgröße abbildet. Vorteilhaft kann dadurch eine die Toleranzen des Formteils ausgleichende Ist-Schneidegröße zum Führen des Energiestrahls ermittelt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird gemäß Anspruch 2 ausgeführt. Vorteilhaft kann das Formteil vor dem eigentlichen Beschneiden fixiert werden, so dass dieses eine definierte Lage aufweist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird gemäß Anspruch 3 ausgeführt. Vorteilhaft kann die Ist-Schneidegröße genauso ermittelt werden, wie es die Abweichungen des Formteils von seinem Soll-Zustand erfordern.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird gemäß Anspruch 4 ausgeführt. Vorteilhaft kann eine Lage des Formteils berücksichtigt werden. Toleranzen dieser Lage können insbesondere beim Fixieren des Formteils, insbesondere relativ zu einer entsprechenden Führung des Energiestrahls auftreten. Vorteilhaft können diese ebenfalls mittels der Abbildungsfunktion berücksichtigt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird gemäß Anspruch 5 ausgeführt. Vorteilhaft können Abweichungen einer Form des Formteils berücksichtigt werden. Unter einem Zustand des Formteils kann jede beliebige das Formteil geometrisch beschreibende Größe verstanden werden, insbesondere die Lage und/oder die geometrische Form, insbesondere eine dreidimensionale Form und/oder Lage. Unter einer Größe kann jede beliebige Größe, insbesondere Mehrgrößen-Größe, insbesondere Datensatz, insbesondere dreidimensionaler Datensatz und/oder ähnliches verstanden werden, insbesondere derartig gestaltet oder ausgelegt, dass die Form und/oder die Lage des Formteils damit beschrieben werden können. Insbesondere kann ein Konstruktionsdatensatz unter einer Formteilszustandsgröße verstanden werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird gemäß Anspruch 6 ausgeführt. Vorteilhaft kann mittels der Abbildungsfunktion ein Gleichungssystem angegeben werden, dass gegebenenfalls auf einfache Art und Weise, insbesondere numerisch, gelöst werden kann. Vorteilhaft kann die so ermittelte Abbildungsfunktion auch auf eine Umgebung des Formteils, insbesondere eine Führung des Energiestrahls und/oder ein Abstand des Energiestrahls relativ zu einer Oberfläche des Formteils angewendet werden. Vorteilhaft kann dadurch der Energiestrahl besonders exakt und an den Ist-Zustand des Formteils angepasst geführt werden.
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Die Aufgabe ist außerdem durch eine Energiestrahlschneidevorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Diese ist insbesondere eingerichtet, ausgelegt und/oder konstruiert zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens und/oder weist dazu eine geeignete Software auf. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
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Ein Ausführungsbeispiel der Energiestrahlschneidevorrichtung ist gemäß Anspruch 9 aufgebaut. Vorteilhaft kann mittels der Bildgebungsvorrichtung eine dreidimensionale Erfassung des Formteils erfolgen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Energiestrahlschneidevorrichtung ist gemäß Anspruch 10 aufgebaut. Vorteilhaft kann mittels des Lasers eine zum Beschneiden des Formteils erforderliche Energie in dieses eingebracht werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der mit Bezug auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Lasers zusammen mit einem Formteil in einem Soll-Zustand;
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2 eine weitere schematische Ansicht des in 2 gezeigten Formteils, jedoch zusätzlich in einem Ist-Zustand, wobei eine Lage des Formteils abweicht;
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3 eine Darstellung analog der in 2 gezeigten, wobei im Unterschied eine Form des Formteils abweicht;
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4 eine schematische Ansicht einer Energiestrahlschneidevorrichtung zum Beschneiden des in den vorhergehenden Figuren gezeigten Formteils mittels eines Energiestrahls; und
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5 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Beschneiden des in den 1 bis 4 gezeigten Formteils mittels des Energiestrahls.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Formteils 3. Das Formteil 3 wird entlang einer Soll-Schneidelinie 17 mittels eines Energiestrahls 5 durch eine in 1 nur teilweise dargestellte Energiestrahlschneidevorrichtung 1 beschnitten. Die Energiestrahlschneidevorrichtung 1 weist zum Erzeugen des Energiestrahls 5 einen Laser 31 auf. In 1 ist das Formteil 3 in einem Soll-Zustand gezeigt. Der Soll-Zustand ist mittels einer gestrichelten Linie symbolisiert.
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2 zeigt das in 1 gezeigte Formteil 3 zusammen mit der Energiestrahlschneidevorrichtung 1, jedoch im Unterschied in einem Ist-Zustand, der in 2 mittels einer durchgezogenen Linie symbolisiert ist. In dem Ist-Zustand, der in 2 gezeigt ist, weist das Formteil 3 eine andere Lage auf, ist in Ausrichtung der 2 beispielhaft nach rechts verschoben. Es ist zu erkennen, dass diese Lageänderung des Formteils 3 auch eine geänderte Ist-Schneidelinie 25 bewirkt. Der Laser 31 der Energiestrahlschneidevorrichtung 1 ist dabei in einer Höhe korrigiert und trifft das Formteil 3 an einer anderen Stelle, so dass sich die Ist-Schneidelinie 25 ergibt.
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3 zeigt eine Situation des Formteils 3 analog der in 2 dargestellten, wobei im Unterschied das Formteil 3 ebenfalls in einem Ist-Zustand gezeigt ist, wobei eine Form des Formteils 3 abweicht.
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Die in den 2 und 3 gezeigten Abweichungen des Formteils 3 von seinem, in den Figuren gestrichelt dargestellten Soll-Zustand, können aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder Toleranzen einer Aufnahme zum Fixieren des Formteils 3 herrühren. Gemäß der Darstellung in 3 ergibt sich ebenfalls eine unerwünschte Abweichung von der Soll-Schneidelinie 17, also die Ist-Schneidelinie 25.
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4 zeigt das Formteil 3 analog der Darstellungen der 2 und 3, also in einer durchgezogenen Darstellung des Ist-Zustandes. Es ist zu erkennen, dass mittels einer Messvorrichtung 9, die eine Bildgebungsvorrichtung 29, insbesondere eine Kamera, insbesondere eine Videokamera aufweist, der Ist-Zustand des Formteils 3 erfassbar ist.
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Eine ermittelte Abbildungsfunktion beschreibt die Transformation zwischen dem gestrichelt dargestellten Soll-Zustand des Formteils 3 und dem durchgezogen dargestellten Ist-Zustand des Formteils 3. Die Abbildungsfunktion 23 kann mittels unterschiedlichen Pfeilen bzw. Vektoren dargestellt werden. Jeder der Vektoren zeigt von einem Punkt und/oder Voxel des Soll-Zustandes des Formteils 3 in Richtung des Ist-Zustandes, kann also als Verlagerung um eine gewisse Distanz und/oder Raumrichtung verstanden werden.
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Beispielsweise kann in einem einfachen Fall eine solche Abbildungsfunktion insbesondere die Form Pt-1 = AtPt aufweisen, wobei A eine 4×4 Matrix, P ein 1×4 Vektor und t ein Index sind. Es versteht sich, dass die Abbildungsfunktion im Allgemeinen keine Matrixform aufweist.
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Vorteilhaft kann die Abbildungsfunktion für eine Vielzahl von Oberflächenpunkten und/oder Voxeln des Formteils 3 bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß kann diese Abbildungsfunktion auf die in 1 dargestellte Soll-Schneidelinie 17 angewendet werden, wobei die Ist-Schneidelinie 25 virtuell ermittelt wird. Vorteilhaft kann der Energiestrahl 5 in Kenntnis der Abbildungsfunktion 23 und der Ist-Schneidelinie 25 so geführt werden, dass die Ist-Schneidelinie 25 realisiert wird, also ein Winkel und ein Abstand zu dem Formteil 3 korrigiert werden. Vorteilhaft kann dadurch trotz der Abweichungen das Formteil 3 exakt zugeschnitten werden. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Energiestrahlschneidevorrichtung 1 zum Beschneiden des in den vorhergehenden Figuren dargestellten Formteils 3.
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Die Energiestrahlschneidevorrichtung 1 weist eine Aufnahme 7 auf. Mittels der Aufnahme 7 ist das Formteil 3 fixierbar und relativ zu dem Energiestrahl 5 ausrichtbar. Außerdem weist die Energiestrahlschneidevorrichtung 1 eine Robotervorrichtung 13 auf. Die Robotervorrichtung 13 ist ebenfalls relativ zu dem Formteil 3 ausgerichtet und/oder ausrichtbar.
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Die Robotervorrichtung 13 wird mittels einer Steuervorrichtung 11 angesteuert. Außerdem weist die Energiestrahlschneidevorrichtung 1 eine Messvorrichtung 9 auf. Die Messvorrichtung 9 weist die Bildgebungsvorrichtung 29, insbesondere zumindest eine Videokamera auf.
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Alternativ oder zusätzlich weist die Robotervorrichtung 13, insbesondere ein Kopf der Robotervorrichtung 13 eine mit dem Energiestrahl 5 mitgeführte Bildgebungsvorrichtung 29 auf.
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Es ist zu erkennen, dass die Robotervorrichtung 13 den Laser 31 und damit den Energiestrahl 5 vorteilhaft so führt, dass sich die Ist-Schneidelinie 25 ergibt, die vorteilhaft aufgrund der Abbildungsfunktion 23 so ermittelt und/oder korrigiert ist, dass das Formteil 3 trotz etwaiger Toleranzen und/oder Abweichungen insbesondere in einer Form und/oder Lage exakt zugeschnitten werden kann, insbesondere so wie wenn dieses frei von diesen Toleranzen wäre.
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5 zeigt einen schematischen Ablauf eines mittels der in 4 gezeigten Energiestrahlschneidevorrichtung 1 durchführbaren Verfahrens zum Beschneiden des Formteils 3.
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In einem ersten Schritt 33 wird das Formteil 3 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 35 wird eine Soll-Formteilzustandsgröße 15 bereitgestellt. Die Soll-Formteilzustandsgröße 15 beschreibt den in 1 gezeigten Soll-Zustand des Formteils 3. Bei der Soll-Formteilzustandsgröße 15 handelt es sich insbesondere um einen Konstruktionsdatensatz des Formteils 3.
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In einem dritten Schritt 37 wird eine Soll-Schneidegröße 19 bereitgestellt. Die Soll-Schneidegröße 19 beschreibt die Soll-Schneidelinie 17, insbesondere eine exakte herzustellende Kontur des Formteils 3, die dieses nach dem Beschneiden mittels der Energiestrahlschneidevorrichtung 1 aufweisen soll.
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In einem vierten Schritt 39 wird eine Ist-Formteilzustandsgröße 21 erfasst. Die Ist-Formteilzustandsgröße 21 beschreibt den Ist-Zustand des Formteils 3, insbesondere den Ist-Zustand des Formteils 3, wie in 4 dargestellt, also nach dem Fixieren in der Aufnahme 7.
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Die Ist-Formteilzustandsgröße 21 wird insbesondere mittels der Messvorrichtung 9 und/oder einer entsprechenden Verrechnung in der Steuervorrichtung 11 ermittelt.
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In einem fünften Schritt 41 wird die die Transformation zwischen dem Soll-Zustand des Formteils und dem Ist-Zustand des Formteils beschreibende Abbildungsfunktion 23 berechnet und/oder ermittelt.
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In einem sechsten Schritt 43, in den die Soll-Schneidegröße 19 und die Abbildungsfunktion 23 eingehen, wird eine Ist-Schneidegröße 27 ermittelt. Dies erfolgt insbesondere durch Anwenden der Abbildungsfunktion 23 auf die Soll-Schneidegröße 19, wobei im Ergebnis die Ist-Schneidegröße 27 ermittelt wird. Die Ist-Schneidegröße 27 beschreibt die in 4 gezeigte vorteilhafte Ist-Schneidelinie 25, die trotz etwaiger Toleranzen zu einem exakt konturierten Formteil 3 führt.
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In einem siebten Schritt 45 wird der Energiestrahl 5 mittels der Robotervorrichtung 13 in Abhängigkeit der Ist-Schneidegröße 27 entlang der Ist-Schneidelinie 25 geführt.
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Vorteilhaft können Qualitätsschwankungen des Formteils 3, insbesondere Fertigungstoleranzen mittels der Anwendung der Abbildungsfunktion 23 ausgeglichen werden. Vorteilhaft kann eine Kollisionsgefahr des Lasers 31 mit dem Formteil 3 reduziert und/oder vermieden werden.
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Insbesondere erfolgt eine optische Erfassung einer geometrischen Form und einer Lage des Formteils 3, wie in 4 dargestellt. Vorteilhaft kann dies insbesondere in Echtzeit erfolgen, insbesondere unter Serienbedingungen.
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Vorteilhaft kann mittels der Abbildungsfunktion 23 eine Geometriekompensation für das Formteil 3 erfolgen. Insbesondere können Lageverschiebungen und/oder Formänderungen, insbesondere aufgrund von Rückfederungen als Abweichungen von einer Soll-Geometrie ausgeglichen werden. Vorteilhaft kann ein flexibler und automatischer Algorithmus für eine Bahnanpassung, zum Finden der Ist-Schneidelinie 25 bereitgestellt werden.
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Vorteilhaft kann die bekannte Soll-Schneidelinie 17 mittels der Abbildefunktion 23 virtuell so umgerechnet werden, dass in dem tatsächlich vorhandenen Formteil 3 die Ist-Schneidelinie 25 ein exakt konturiertes Formteil 3 ergibt. Vorteilhaft kann dies insbesondere bei einem Prototypenbau, wobei vergleichsweise große Streuungen des Formteils 3 auftreten, angewandt werden, insbesondere kann vorteilhaft ohne großen Einstell- und/oder Rüstaufwand sofort ein form- und/oder konturhaltiges Formteil 3 erzeugt werden. Vorteilhaft kann das beschriebene Verfahren zum Beschneiden des Formteils 3 für Leichtbaukonzepte, insbesondere für hochfeste Stähle, mit gewissen Rückfederungsneigungen, Aluminium- und/oder Warmformteilen, und/oder Spritzgussteilen angewandt werden. Vorteilhaft sind die auftretenden Abweichungen des Formteils 3 für einen späteren Zusammenbau, insbesondere einen Aufbau einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs tolerierbar. Vorteilhaft können diese tolerierbaren Toleranzen jedoch für ein exaktes Zuschneiden des Formteils 3 kompensiert werden, so dass diese sich nicht störend auf das Beschneiden des Formteils 3 auswirken. Vorteilhaft kann das vorab beschriebene Messverfahren in eine Werkzeugmaschine, insbesondere die in 4 dargestellte Energiestrahlschneidevorrichtung 1 direkt integriert werden. Vorteilhaft kann das Formteil 3, das insbesondere als tiefgezogenes Bauteil gefertigt ist, innerhalb der Energiestrahlschneidevorrichtung 1, bei der es sich insbesondere um eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere Laserschneideanlage handeln kann, hinsichtlich seiner Form und/oder Lage innerhalb oder außerhalb jedoch aber im Bearbeitungsprozess erfasst werden, insbesondere mittels der Messvorrichtung 9. Abweichungen der erfassten geometrischen Eigenschaften, also des Ist-Zustandes des Formteils 3, werden mit dem hinterlegten Soll-Zustand, also der Soll-Formteilzustandsgröße 15 mittels eines Algorithmus abgeglichen, wobei insbesondere die Abbildungsfunktion 23 ermittelt wird. Die Bearbeitungsbahn bzw. Ist-Schneidelinie 25 der Werkzeugmaschine, insbesondere Laserschneideanlage, insbesondere der Energiestrahlschneidevorrichtung 1, kann anhand der ermittelten Geometrieabweichungen schließlich so angepasst werden, dass das fertige Werkstück, insbesondere Formteil 3, schließlich dem Soll entspricht.
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Vorteilhaft kann die Möglichkeit einer adaptiven Bearbeitungsbahn bzw. Ist-Schneidelinie 25, insbesondere für Laserschneideanlagen, bereit gestellt werden. Vorteilhaft kann durch das vorgestellte Verfahren eine Ausschussquote reduziert werden, insbesondere kann eine Anlaufkurve in Serienproduktionsprozessen, insbesondere eine Maßhaltigkeit der Formteile 3 verbessert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/080233 A1 [0003]
- DE 102004001168 A1 [0004]
- DE 102007062109 A1 [0005]
- EP 2062674 A1 [0006]
- DE 10335501 A1 [0007]
- EP 2338634 A1 [0008]
