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Gegenstand der Erfindung ist eine Schweißanordnung zum Schweißen mittels energiereicher Strahlen, wobei die den energiereichen Strahl emittierende Einrichtung am Ende eines beweglichen mehrgliedrigen Arms eines Handhabungsautomaten angeordnet ist, die Glieder des mehrgliedrigen Arms relativ zueinander bewegbar sind und die den energiereichen Strahl emittierende Einrichtung zumindest während des Schweißvorganges zusammen mit dem zu schweißenden Werkstück in einer Abschirmung gekapselt ist, die den energiereichen Strahl von der Umwelt abschirmt. Weiter gehört es zur Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Schweißanordnung anzugeben.
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Zum Fügen von Werkstücken wird heute in vielen Produktionsanlagen das Schweißen mit energiereichen Strahlen eingesetzt, wobei die den Energiereichen Strahl emittierenden Einrichtungen an Handhabungsautomaten angeordnet sind. Am weitesten verbreitet ist dabei das Schweißen mittels Laserstrahl, aber auch Elektronenstrahlschweißen und hier besonders das NVEBW-Verfahren (NVEBW, non vacuum electron beam welding) wird in der Produktion verwendet. Um derartige Roboter-Schweißanlagen im Produktionsablauf einsetzten zu können ist es notwendig, das in der Umgebung der Schweißanlage tätige Produktionspersonal vor den energiereichen Strahlen zu schützen. Dies trifft sowohl auf direkten Kontakt mit dem Strahl als auch auf Kontakt mit dem reflektierten Strahl zu. Eine häufig verwendete Maßnahme besteht darin, die gesamte Schweißanlage einzuhausen. Bei Roboterschweißanlagen bedeutet dies, dass die Schweißanlage und ihr gesamter Aktionsradius mit einer standfesten Konstruktion aus Material umgeben werden muss, das die energiereichen Strahlen hindert nach außen zu gelangen.
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Eine derartige Maßnahme ist teuer, beansprucht viel Platz und ist bei wechselnden Produktionsanforderungen wenig flexibel.
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Es wurde deshalb in der
EP1419848A2 bereits eine Schweißvorrichtung und ein Verfahren zum Schweißen vorgeschlagen, bei der eine Abschirmung fest an einem Roboterarm montiert ist und die ebenfalls an diesem montierte Schweißeinrichtung umgibt. In der Abschirmung ist eine Spanneinrichtung vorgesehen, die das zu schweißende Werkstück über eine in der Abschirmung vorgesehene verschließbare Öffnung aufnimmt. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, dass der Roboterarm das gesamte Gewicht der Abschirmung permanent, also auch während des Schweißvorganges selbst tragen muss. Dies macht es notwendig den Roboterarm und die mit dem Gewicht der Abschirmung belasteten Gelenke und deren Antriebe entsprechend stark auszulegen, was mit erhöhten Kosten verbunden ist. Ferner wird durch diesen Aufbau die Positioniergenauigkeit des Roboterarms negativ beeinflusst.
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Weiter ist aus der
DE 10 2012 215 147 A1 ein Laserbearbeitungskopf mit federbeweglichen Abschirmungsblechen bekannt, wobei die Abschirmungsbleche direkt am Laserbearbeitungskopf befestigt und federbeweglich gelagert sind. Eine derartige Abschirmung eignet sich nur für flächige Werkstücke, die auf der dem Strahl abgewandten Seite geschlossen sind und auf der die Bleche plan aufliegen können. Für konturreiche Werkstücke mit Durchbrechungen ist diese Abschirmung jedoch ungeeignet.
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Aus der
DE 10 2012 202 330 A1 ist ferner eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem relativ zu einer Spannpratze beweglichen Laserbearbeitungskopf bekannt. In einer der vorgeschlagenen Ausführungsformen ist ein rohrartiger Abschirmschlauch nach Art eines Faltenbalgs vorgesehen, der einerseits mit dem Laserkopf und andererseits mit der Spannpratze verbunden ist. Der Nachteil bei dieser Abschirmung besteht unter anderem darin, dass sie einerseits direkt am Laserscheißkopf angeordnet und andererseits fest mit der Spanneinrichtung für das Werkstück verbunden ist. Dieser Aufbau lässt nur einen sehr geringen Aktionsradius des Laserkopfes relativ zu den Spannpratzen in horizontaler Richtung zu und erlaubt vor allem keine Bewegung des Laserbearbeitungskopfes unabhängig von der Abschirmung, was die Einsetzbarkeit im Wesentlichen auf flächige Werkstücke einschränkt.
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Aus der weiteren
DE 10 2006 034 291 A1 ist eine Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere eine Schweißanlage, bekannt, bei der eine Bearbeitungskammer zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks vorgesehen ist. Diese Bearbeitungskammer weist eine Öffnung mit einem umlaufend um die Öffnung in einer Nut angebrachten Dichtungselement sowie einen Deckel auf, der größer als die Öffnung ist und zum hermetischen Abschließen der Bearbeitungskammer auf dem Dichtungselement derart aufliegt, dass im hermetisch abgedichteten Zustand der Deckel und die Bearbeitungskammer relativ zueinander verschoben werden können. Mit einem derartigen Aufbau kann der technische Aufwand zum Aufbau der Bearbeitungsvorrichtung und zur Aufrechterhaltung der definierten Umgebungsbedingungen in der Bearbeitungskammer deutlich reduziert werden.
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Die
DE 10 2013 001 486 A1 betrifft eine Laserschweißvorrichtung mit einer Lasereinheit zur Erzeugung bzw. Führung eines Laserstrahls, bei der eine Robotereinheit vorgesehen ist, die zumindest einen Roboterarm aufweist, an dem für einen Schweißvorgang wenigstens ein Teil der Lasereinheit angeordnet ist und der dazu vorgesehen ist, den von der Lasereinheit erzeugten bzw. geführten Laserstrahl über ein zu schweißendes Bauteil zu führen. An diesem Roboterarm ist hier zudem eine Schweißkabine angebracht, die für einen Schweißvorgang auf das Bauteil aufgesetzt werden kann. Auf diese Weise kann die Größe der Schweißkabine deutlich verringert werden, so dass Kosten verringert werden und die Flexibilität der Laserschweißvorrichtung erhöht wird.
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In der
DE 10 2013 280 729 A1 ist eine Laserbearbeitungsmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks offenbart, bei der ein Laserbearbeitungskopf vorgesehen ist, an dem zur Werkstückbearbeitung ein Laserstrahl austritt. Zudem ist hier eine Schutzumhausung vorgesehen, mittels der zumindest ein Teil des Werkstücks umschlossen wird. Diese Schutzumhausung weist einen Spalt auf, durch den der Laserbearbeitungskopf in die Schutzumhausung hineinragt und entlang dem der Laserbearbeitungskopf relativ verfahren werden kann. Zudem weist die Schutzumhausung entlang des Spalts zur Abschirmung des Laserstrahls und/oder zur Abschirmung einer Bearbeitungsstelle des Laserstrahls Abschirmungselemente auf, die bei einem Relativverfahren des Laserbearbeitungskopfes durch den Laserbearbeitungskopf ausgelenkt werden können. Auf diese Weise kann der Laserprozess auf einfache, kompakte und kostengünstige Weise abgeschirmt werden.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine Schweißanordnung anzugeben, die die Umgebung sicher von den energiereichen Strahlen abschirmt, flexibel einsetzbar ist, wenig Platz beansprucht und im Aufbau möglichst einfach gehalten und damit kostengünstig herstellbar ist. Weiter gehört es zur Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben der Schweißanordnung anzugeben.
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Bei der Lösung der Aufgabe wurde von einer an sich bekannten Schweißanordnung zum Schweißen mittels energiereicher Strahlen ausgegangen, wobei die den energiereichen Strahl emittierende Einrichtung am Ende eines beweglichen mehrgliedrigen Arms eines Handhabungsautomaten angeordnet ist, die Glieder des mehrgliedrigen Arms relativ zueinander bewegbar sind und die den energiereichen Strahl emittierende Einrichtung zumindest während des Schweißvorganges zusammen mit dem zu schweißenden Werkstück in einer Abschirmung gekapselt ist, die den energiereichen Strahl von der Umwelt abschirmt.
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Es wurde gefunden, dass sich die Aufgabe durch das Vorsehen der folgenden Merkmale vorteilhaft lösen lässt. Zur Aufnahme des Werkstücks ist eine den energiereichen Strahl von der Umwelt abschirmende Wanne mit Haltevorrichtung vorgesehen, in der das zu schweißende Werkstück gehalten ist. Die Wanne ist dabei im Aktionsradius des Handhabungsautomaten angeordnet oder in den Aktionsradius des Handhabungsautomaten bringbar. Durch das Vorsehen einer abschirmenden Wanne ist einerseits der Schweißbereich nach unten hin ohne zusätzliche Maßnahmen abgeschirmt, andererseits eröffnet z. B. das Vorsehen mehrerer solcher Wannen die abwechselnd in den Aktionsradius des Handhabungsautomaten gebracht werden vorteilhaft, dass die Rüstzeiten für das Bestücken der Wannen mit den Werkstücken von der Taktzeit des Handhabungsautomaten abgekoppelt sind, was den Durchsatz der Schweißanordnung erheblich steigert. Weiter ist ein deckelförmiges Gegenstück zur Wanne vorgesehen, das am beweglichen Arm des Handhabungsautomaten wenigstens ein Glied vor der den energiereichen Strahl emittierenden Einrichtung angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird einerseits vorteilhaft erreicht, dass das deckelförmige Gegenstück durch den Handhabungsautomaten auf die Wanne aufsetzbar ist und dass bei aufgesetztem Deckel die am Ende des beweglichen Arms befindliche den Strahl emittierende Einrichtung unabhängig vom Deckel bewegbar ist, wodurch auch komplizierte Schweißaufgaben ohne Umspannen des Werkstückes realisierbar sind. Um die Beweglichkeit des Arms weiter zu erhöhen besteht das deckelförmige Gegenstück aus wenigstens einem ringartigen Tragteil und wenigstens einem mit diesem verbundenen ebenfalls ringartig ausgebildetem beweglichem Teil. Der Begriff „ringartig” ist hier und nachfolgend ganz allgemein so zu verstehen, dass das jeweils ringartige Teil einen inneren und einen äußeren Rand aufweist, wobei die Randlinien beliebig geformt sein können, also z. B. ein Viereck, ein Vieleck, einen Kreis usw. bilden können. Weiter korrespondiert der äußere Rand des Tragteils mit dem äußeren Rand der Wanne strahldicht, an dem inneren Rand es Tragteils ist der äußere Rand des beweglichen Teils strahldicht angeordnet und der innere Rand des beweglichen Teils umschließt den beweglichen Arm des Handhabungsautomaten strahldicht. Durch diese Maßnahmen kann der Arm, bei auf die Wanne aufgesetztem deckelförmigem Gegenstück, im Rahmen der Beweglichkeit des beweglichen Teils relativ zu Wanne frei bewegt werden, wodurch sich der Aktionsradius der den Strahl emittierenden Einrichtung vorteilhaft deutlich erhöht. Unter dem Begriff bewegliches Teil soll sowohl verstanden werden, dass das bewegliche Teil eine reversible Verformbarkeit in sich aufweist als auch, dass das bewegliche Teil relativ zum Tragteil beweglich ist.
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Zur sicheren Abschirmung des energiereichen Strahls sind sowohl das Tragteil als auch das bewegliche Teil, zumindest soweit diese die Innenfläche des deckelförmigen Gegenstücks zur Wanne bilden, aus den energiereichen Strahl von der Umwelt abschirmenden Materialien gefertigt oder mit diesen beschichtet, so dass bei geschlossenem Deckel der Innenraum der Wanne zuverlässig nach außen hin abgeschirmt ist.
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Um das deckelförmige Gegenstück mittels des Arms des Handhabungsautomaten besser manipulierbar zu machen, ist in einer ersten vorteilhaften Ausführungsform das Tragteil mit dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten durch eine lösbare starre Verbindung verbindbar. Ist das deckelförmige Gegenstück auf die Wanne aufgesetzt, ist diese starre Verbindung gelöst und nur das bewegliche Teil ist mit dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten direkt oder indirekt verbunden, wobei diese Verbindung permanent besteht, also sowohl bei aufgesetztem Deckel wie auch bei abgehobenem Deckel.
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In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform ist zur Gewährleistung der Beweglichkeit das Tragteil mit dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten mittels eines flexiblen Gestänges permanent verbunden. Das bewegliche Teil ist mit dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten direkt oder indirekt ebenfalls permanent verbunden. Bei aufgesetztem Deckel und Ausführung eines Schweißauftrags wird bei Bewegungen des beweglichen Arms des Handhabungsautomaten relativ zur Wanne das flexible Gestänge elastisch verformt. Fährt der bewegliche Arm nach Erledigung des Schweißauftrags wieder in seine Ausgangslage zurück, kehrt auch das flexible Gestänge in seine Ausgangsposition zurück.
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Bei dem vorstehend und auch nachfolgend erwähnten Handhabungsautomaten kann es sich um einen Portalroboter, einen Polarroboter, einen Pendularroboter, einen Horizontal-Knickarmroboter oder um einen Vertikal-Knickarmroboter handeln. Die genannten Roboter-Grundtypen sind allgemein bekannt und können auch in Mischformen eingesetzt werden.
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Von besonderem Vorteil ist es, als Handhabungsautomaten einen Sechs-Achs-Vertikal-Knickarmroboter vorzusehen und das bewegliche Teil mit dem Knickarm zwischen dessen dritter und vierter Achse zu verbinden. In diesem Fall ist es weiter vorteilhaft, wenn das Tragteil mit dem Knickarm, gegebenenfalls mittels der lösbaren starren Verbindung, ebenfalls zwischen dessen dritter und vierter Achse verbunden bzw. verbindbar ist.
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Besonders vorteilhaft lässt sich die Anordnung einsetzen wenn die den energiereichen Strahl emittierende Einrichtung eine Laserschweißanordnung ist.
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Für die Ausbildung des beweglichen Teils des deckelförmigen Gegenstücks ist beispielsweise eine in einen Rahmen verschiebbar gelagerte plane Platte einsetzbar, wobei sich Rahmen und Platte überlappen und der Bewegungsspielraum durch die Überlappung definiert ist. Besonders vorteilhaft ist es aber das bewegliche Teil als Faltenbalg auszubilden, weil dieser nicht nur eine Bewegung in einer Ebene, sondern auch eine Bewegung senkrecht zu dieser Ebene zulässt.
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In weiterer Ausgestaltung der Anordnung ist es von Vorteil, dass bei aufgesetztem deckelförmigem Gegenstück auf die Wanne die Ränder von Wanne und deckelförmigem Gegenstück einander überlappen. So wird ohne zusätzliche Maßnahmen eine strahldichte Verbindung erzeugt. Weiter ist es vorteilhaft, an der Wanne und an dem deckelförmigen Gegenstück jeweils Teile wenigstens eines Verriegelungsmechanismus anzuordnen, wobei der deckelförmige Teil, wenn dieser auf die Wanne aufgesetzt ist, mittels des Verriegelungsmechanismus verriegelbar ist. Entsprechend können auch jeweils an dem Tragteil und direkt oder indirekt an dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten Teile eines Verriegelungsmechanismus angeordnet sein, um das Tragteil, wenn das deckelförmige Gegenstück von der Wanne abgenommen ist, gegenüber dem beweglichen Arm verriegelt zu halten.
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Als Material für den beweglichen Teil des deckelförmigen Gegenstücks wird vorteilhaft den energiereichen Strahl absorbierendes und/oder reflektierendes textiles Material eingesetzt. Bei Einsatz eines Laserstrahls sind dies im Handel verfügbare sogenannte Laserschutztextilien. Mit derartigem textilem Material lässt sich besonders vorteilhaft, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Stützkonstruktion, ein Faltenbalg ausbilden.
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Für das Tragteil werden vorteilhaft den energiereichen Strahl absorbierende und/oder reflektierende plattenförmige Materialien eingesetzt. Bei Verwendung eines Laserstrahls sind dies im Handel erhältliche Laserschutz-Platten. Diese können gegebenenfalls mit einer Stützkonstruktion zum Tragteil gefügt oder als Tragteil gefertigt werden. Natürlich besteht auch die Möglichkeit solches Material auf der dem Strahl zugewandten Innenfläche des Tragteils als Beschichtung vorzusehen. Die erwähnten Laserschutzplatten sind üblicherweise als Leichtbauplatten ausgeführt im Handel erhältlich und verringern vorteilhaft das Gewicht des deckelförmigen Gegenstücks.
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Um die vorstehend beschriebene Schweißanordnung zu betreiben, wird eine Steuereinrichtung eingesetzt, die die Schweißanordnung programmgestützt steuert. Dabei ist zur Abschirmung der Umgebung vor energiereicher Strahlung vorgesehen, dass zunächst bei in einer Ausgangsposition befindlicher mit dem zu schweißenden Werkstück bestückter Wanne der Handhabungsautomat das deckelförmige Gegenstück in diese Ausgangsposition bewegt und auf die Wanne aufsetzt. Sodann bewegt der Handhabungsautomat den beweglichen mehrgliedrigen Arm mit der den energiereichen Strahl emittierenden Einrichtung an dessen Ende entsprechend des auszuführenden Schweißauftrags. Hierbei wird die reversible Verformbarkeit des beweglichen Teils des deckelförmigen Gegenstücks genutzt. Nach Fertigstellung des Schweißauftrags, bringt der Handhabungsautomat den beweglichen mehrgliedrigen Arm wieder in die Ausgangsstellung. Im letzten Schritt hebt der Handhabungsautomat das deckelförmige Gegenstück von der Wanne ab. Ist eine Verriegelung zwischen Wanne und deckelförmigem Teil vorgesehen, wird diese nach dem Aufsetzen des deckelförmigen Teils auf die Wanne verriegelt und vor dem Abheben des deckelförmigen Teils von der Wanne entriegelt.
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Für den Fall, dass eine lösbare starre Verbindung zwischen dem Tragteil und dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten vorgesehen ist, wird die starre Verbindung zwischen dem Tragteil und dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten nach dem Aufsetzen des deckelförmigen Gegenstücks auf die Wanne gelöst und vor dem Abnehmen des Deckels von der Wanne wieder hergestellt.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt:
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1 Prinzipdarstellung einer Schweißanordnung in Nichtarbeitsstellung teilweise geschnitten dargestellt
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2 Prinzipdarstellung der Schweißanordnung in einer ersten Arbeitsstellung teilweise geschnitten dargestellt
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3 Die Anordnung aus 1 in Draufsicht
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4 Die Anordnung aus 2 in Draufsicht
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5 Prinzipdarstellung der Schweißanordnung in einer zweiten Arbeitsstellung teilweise geschnitten dargestellt
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6 Prinzipdarstellung der Schweißanordnung in einer weiteren Ausführungsform teilweise geschnitten dargestellt
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Die vorstehend angesprochenen Figuren zeigen in vereinfachter Form, beispielhaft eine Laser-Schweißanordnung, teilweise geschnitten dargestellt. Für gleiche Bauteile werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt als Handhabungsautomat einen Sechs-Achs-Vertikal-Knickarmroboter, dessen beweglicher Arm 1 in Teildarstellung, beginnend mit der dritten Achse A3 (wie auch in der unten beschriebenen 2 und 5) nicht geschnitten dargestellt ist. Am beweglichen Arm 1 ist zwischen der dritten Achse A3, die als Knickachse ausgeführt ist und der vierten Achse A4, die als Drehachse ausgeführt ist, ein deckelförmiges Gegenstück 2 befestigt, das mit einer Wanne 3 korrespondiert. Die Art der Befestigung wird unten näher erläutert. Das deckelförmige Gegenstück 2 und die Wanne 3 sind in der 1 geschnitten dargestellt, der Schnittverlauf ist in 3 kenntlich gemacht und A-B bezeichnet.
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Die Wanne 3 enthält eine Haltevorrichtung 4 in der das zu schweißende Werkstück 5 gehalten ist und weist an ihrer Unterseite Rollen 6 auf. Mittels der Rollen 6 ist die Wanne 3 relativ zum beweglichen Arm 1 verfahrbar auf einem Untergrund 7 angeordnet. Als Material für die Wanne 3 können sowohl den Laserstrahl abschirmende Metallbleche zum Einsatz kommen, als auch Laserschutz-Leichtbauplatten, wie sie im Handel erhältlich sind. An ihrem offenen Rand 9 ist die Wanne 3 von einem umlaufenden Kragen 8 umgeben, der mit dem offenen Rand 9 eine im Querschnitt L-förmige Auflage 11 bildet, auf die das deckelförmige Gegenstück 2 auflegbar ist. Weiter sind am offenen Rand 9 der Wanne 3 Verriegelungsbolzen 12.1, 12.2 angeordnet, die bei auf die Wanne 3 aufgesetztem deckelförmigem Gegenstück 2 mit entsprechenden Schließstücken (nicht dargestellt) an dem deckelförmigen Gegenstück 2 zusammenwirken und dieses in seiner auf die Wanne 3 aufgesetzten Position (siehe auch 2) verriegeln. Die Verriegelungsbolzen 12.1, 12.2 sind dabei mittels Aktoren (nicht dargestellt) angetrieben, die durch eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) ansteuerbar sind.
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Das deckelförmige Gegenstück 2 besteht aus einem ringartigen Tragteil 13, das zur Stabilisierung dient und vorzugsweise aus Laserschutz-Leichtbauplatten gefertigt ist. Derartige Platten sind im Handel erhältlich, so dass sich eine nähere Beschreibung erübrigt. An seinem inneren Rad 14 ist das ringartige Tragteil 13 mit dem äußeren Rand eines ebenfalls ringartigen beweglichen Teils strahlungsdicht verbunden. Dieses bewegliche Teil wird im gewählten Beispiel durch einen Faltenbalg 15 gebildet.
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Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass die Darstellung des Faltenbalgs 15 in den Figuren lediglich symbolhaft zu verstehen ist, dem Fachmann sind vielfältige Ausgestaltungsmöglichkeiten eines Faltenbalgs bekannt, die Darstellung ist daher nicht einschränkend auf eine bestimmte Bauform zu sehen, es sollen vielmehr alle denkbaren Bauformen, die eine horizontale bzw. gegebenenfalls eine horizontale und vertikale Bewegung des beweglichen Arms 1 zulassen, erfasst sein.
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Der Faltenbalg 15 umschließt mit seinem inneren Rand 21 den beweglichen Arm 1 strahlungsdicht zwischen dessen drittem Gelenk A3 und viertem Gelenk A4. Zur Arretierung des ringartigen Tragteils 13 an dem beweglichen Arm 1 sind zwei im Querschnitt U-förmige Riegel 16.1, 16.2 vorgesehen, die am inneren Rand 14 des Tragteils 13 linear geführt sind und mit einer Riegelaufnahme 17 zusammenwirken, die am beweglichen Arm 1 zwischen dessen drittem Gelenk A3 und viertem Gelenk A4 befestigt ist. Auf diese Weise wird eine lösbare starre Verbindung zwischen dem Tragteil 13 und dem beweglichen Arm 1 gebildet. In der Darstellung gemäß 1 ist die Verbindung hergestellt, das ringartige Tragteil 13 ist also über die Riegel 16.1 und 16.2 und die Riegelaufnahme 17 starr mit dem beweglichen Arm 1 verbunden. Gelöst wird die Verbindung indem die Riegel 16.1 und 16.2, wie durch die Richtungspfeile 18.1 und 18.2 angedeutet, nach außen, also vom beweglichen Arm 1 weg bewegt werden. Der Antrieb der Riegel 16.1, 16.2 erfolgt jeweils mittels eines jedem Riegel 16.1, 16.2 zugeordneten Antriebs (nicht dargestellt), der von einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) ansteuerbar ist. Als zusätzliche Sicherung der Riegel 16.1, 16.2 in ihrer „geschlossen” Stellung sind an der Riegelaufnahme Sicherungsbolzen 19.1, 19.2 angeordnet, die ebenfalls mittels Aktoren (nicht dargestellt) bewegbar sind, wobei die Aktoren auch hier mittels einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) angesteuert werden. In 1 sind die Sicherungsbolzen 19.1, 19.2 geschlossen und verriegeln die Riegel 16.1, 16.2 in der Riegelaufnahme 17. Die Sicherungsbolzen 19.1, 19.2 sind in diesem Beispiel optional, also für die Funktion der Anordnung nicht unbedingt erforderlich.
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Während sich die Schweißanordnung gemäß der Darstellung nach 1 nicht in Arbeitsstellung befindet, zeigt die Darstellung nach 2 die Schweißanordnung in Arbeitsstellung. Auch in dieser Figur sind die Wanne 3 und das deckelförmige Gegenstück 2 geschnitten dargestellt, der Schnittverlauf ist in 4 kenntlich gemacht und dort mit C-D bezeichnet. In der Arbeitsstellung ist das deckelförmige Gegenstück 2 auf die Wanne 3 aufgesetzt, wobei sich dessen äußerer Rand 10 mit dem offenen Rand 9 der Wanne 3 überlappt, so dass ohne weiteres Zutun das deckelförmige Gegenstück 2 die Wanne 3 strahldicht verschließt. Zur Sicherung des deckelförmigen Gegenstücks 2 auf der Wanne 3 sind die Verriegelungsbolzen 12.1, 12.2 durch entsprechende Ansteuerung der auf diese wirkenden Aktoren (nicht dargestellt) in die Schließstücken (nicht dargestellt) an dem deckelförmigen Gegenstück 2 eingefahren. Um nun eine Bewegbarkeit des beweglichen Arms 1 relativ zu dem Werkstück 5 zuzulassen, ist die starre Verbindung zwischen dem deckelförmigen Gegenstück 2 und dem beweglichen Arm 1 gelöst. Das Lösen dieser Verbindung erfolgt, indem zunächst die Sicherungsbolzen 19.1, 19.2 in ihre „offen” Stellung gebracht und sodann die Riegel 16.1 und 16.2, durch entsprechendes Ansteuern der Antriebe (nicht dargestellt) die den Riegeln 16.1 und 16.2 zugeordnet sind, in Richtung der Richtungspfeile 18.1, 18.2 aus der Riegelaufnahme 17 herausbewegt werden. Sind die Riegel 16.1 und 16.2 gelöst, besteht nur noch über den Faltenbalg 15 eine bewegliche Verbindung zwischen dem inneren Rand 14 des Tragteils 13 und dem beweglichen Arm 1 des Handhabungsautomaten. Der Faltenbarg 15 ist dabei aus einem Material gefertigt oder mit einem Material beschichtet, das die energiereiche Strahlung, im vorliegenden Beispiel Laserstrahlung, nach außen hin abschirmt. Derartige Materialien sind beispielsweise als Laserschutztextilien im Markt erhältlich und üblicherweise so aufgebaut, dass sie sowohl den direkten Strahl als auch Strahlreflexionen diffus zurückstreuen.
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Aufgrund der gelösten starren Verbindung zwischen dem beweglichen Arm 1 des Handhabungsautomaten und dem deckelförmigen Gegenstück 2 lässt sich ein am Ende des beweglichen Arms 1 angeordneter Laserkopf 20 in alle Richtungen bewegen, die der bewegliche Arm 1 zulässt. Das Maß der Bewegung ist lediglich durch die Bewegbarkeit des Faltenbalgs 15 in die jeweilige Richtung begrenzt. Entsprechend der Darstellung nach 2 wurde der Laserkopf 20 aus seiner Mittelstellung heraus nach links bewegt, wodurch der Faltenbalg auf der linken Seite gestaucht und auf der rechten Seite der Darstellung gedehnt ist. Neben dieser Bewegung in der horizontalen Ebene lässt sich der Laserkopf 20, der in den Darstellungen gemäß den 1, 2 und 5 in seiner Neutralstellung gezeigt ist, mittels der vierten Achse A4 der fünften Achse A5 und der sechsten Achse A6 des beweglichen Arms 1 in nahezu jede beliebige Dreh-Kipp-Stellung gegenüber dem Werkstück 5 bringen, so dass auch komplexe Strahlführungen möglich sind.
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Aus einer Aufsicht von oben zeigt 3 die Anordnung nach 1 in anderer Perspektive. Der in 1 sichtbare Kippwinkel zwischen der horizontal angeordneten Wanne 3 und dem dazu leicht gekippten deckelförmigen Gegenstück 2 wird in der Darstellung gemäß 3 nicht berücksichtigt. In der Zeichnung ist erkennbar, dass der hier geschnitten dargestellte bewegliche Arm 1 mit der Riegelaufnahme 17 fest verbunden ist. In die Riegelaufnahme 17 sind die Riegel 16.1, 16.2 eingefahren und stellen zwischen dem Tragteil 13, an dessen innerem Rand 14 die Riegel 16.1, 16.2 linear geführt sind und dem beweglichen Arm 1 eine starre Verbindung her. In dieser Position sind die Sicherungsbolzen 19.1, 19.2 in ihrer „geschlossen” Stellung und blockieren die Riegel 16.1, 16.2. Damit ist das deckelförmige Gegenstück 2 fest mit dem beweglichen Arm 1 verbunden, so dass dieser durch entsprechende Bewegung der Gelenke A1, A2 und A3 (in den Figuren nicht dargestellt) das deckelförmige Gegenstück 2 über den offenen Rand 9 der Wanne 3 stülpen und auf den umlaufenden Kragen 8 auflegen kann. Damit ist das in der Wanne 3 angeordnete Werkstück 5 strahldicht gekapselt.
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Die Wanne 3 und das deckelförmige Gegenstück 2 sind in dem Beispiel nach 3 in ihrer Grundform quadratisch ausgeführt. Das ringartig ausgebildete Tragteil 13 ist an seinem inneren Rand 14 mit dem äußeren Rand des Faltenbalgs 15 verbunden, dessen innerer Rand den beweglichen Arm 1 strahlungsdicht umschließt.
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Ebenfalls von oben gesehen zeigt 4 die Anordnung gemäß 2 in anderer Perspektive. Die Laser-Schweißanordnung befindet sich in Arbeitsstellung das deckelförmige Gegenstück 2 ist auf den umlaufenden Kragen 8 der Wanne 3 aufgesetzt und über die Verriegelungsbolzen 12.1, 12.2 (in 4 nicht sichtbar) mit dieser verriegelt. In der Arbeitsstellung der Anordnung sind die Riegel 16.1 und 16.2 aus der Riegelaufnahme 17 heraus in ihre „Offenstellung” gebracht, so dass lediglich der Faltenbalg 15, der den beweglichen Arm 1 des Handhabungsautomaten strahldicht umschließt, zwischen diesem und dem inneren Rand 14 des Tragteils 13 beweglich angeordnet ist. Gemäß der Darstellung in 3 ist der bewegliche Arm 1 unter Nutzung der Beweglichkeit des Faltenbalgs aus seiner Mittelposition in eine Arbeitsposition verfahren.
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In einem gegenüber dem Beispiel nach 2 geringfügig abgewandelten Beispiel ist in 5 gezeigt, dass eine Bewegung des beweglichen Arms 1 nicht nur in der Horizontalen sondern auch in der Vertikalen möglich ist. Auch hier ist das deckelförmige Gegenstück 2 auf die Wanne 3 aufgesetzt und über die Verriegelungsbolzen mit diesem verriegelt. Die Aufhängung des Faltenbalgs 15.1 erfolgt in diesem Fall nicht direkt am beweglichen Arm 1, sondern über ein scheibenförmiges Zwischenstück 22, das den beweglichen Arm 1 umschließend in der Riegelaufnahme 17 angeordnet ist. Am äußeren Rand dieses scheibenförmigen Zwischenstücks 22 ist der Faltenbalg 15.1 strahldicht befestigt. Auf diese Weise kommt der Faltenbalg 15.1 nicht mit der Riegelaufnahme 17 in Berührung, wenn der bewegliche Arm 1 in vertikaler Richtung verfahren wird. Von den vorstehend angesprochenen Abweichungen abgesehen entspricht die Ausgestaltung und Funktionsweise dem Beispiel nach 2, so dass auf die dortigen Ausführungen Bezug genommen wird.
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Die in den 1, 2 und 5 gezeigten und in Verbindung mit diesen Figuren beschriebenen Rollen 6 zum Positionieren der Wanne 3 können abweichend zu den Beispielen natürlich ganz allgemein Führungen sein. Von besonderem Vorteil sind dabei solche Führungen, die eine beliebige horizontale Bewegung der Wanne 3 relativ zum beweglichen Arm 1 zulassen. Dabei kann es sich z. B. um einen bevorzugt mittels Aktoren verstellbaren Kreuztisch handeln.
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Zum Betrieb der oben beschriebenen Anordnung ist eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, die einerseits den Handhabungsautomaten, in den vorstehenden Beispielen den Sechs-Achs-Vertikal-Knickarmroboter steuert und andererseits den Laserkopf, sowie die Aktoren der Verriegelungsbolzen 12.1, 12.2, der Sicherungsbolzen 19.1, 19.2 und die Antriebe der Riegel 16.1, 16.2 ansteuert. Steuereinrichtungen der vorstehend genannten Art sind üblicherweise Computer, die mit Hilfe eines Programms vorgegebene Abläufe abarbeiten. Solche Steuereinrichtungen sind hinlänglich bekannt, so dass sich eine weitergehende Beschreibung erübrigt. Es wird im Folgenden deshalb nur auf den Verfahrensablauf eingegangen.
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Als alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt die Darstellung gemäß 6 als Handhabungsautomat ebenfalls einen Sechs-Achs- Vertikal-Knickarmroboter, dessen beweglicher Arm 1 in Teildarstellung, beginnend mit der dritten Achse A3 (wie auch in der oben beschriebenen 1, 2 und 5) nicht geschnitten dargestellt ist. Am beweglichen Arm 1 ist zwischen der dritten Achse A3, die als Knickachse ausgeführt ist und der vierten Achse A4, die als Drehachse ausgeführt ist, ein deckelförmiges Gegenstück 2.1 befestigt, das mit einer Wanne 3.1 korrespondiert. Die Art der Befestigung wird unten näher erläutert. Das deckelförmige Gegenstück 2.1 und die Wanne 3.1 sind in der 6 ebenfalls geschnitten dargestellt, der Schnitt verläuft mittig durch das deckelförmige Gegenstück 2.1 und die Wanne 3.1.
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Die Wanne 3.1 enthält die Haltevorrichtung 4.1 in der das zu schweißende Werkstück 5.1 gehalten ist und weist an ihrer Unterseite Führungen 23 auf. Diese können beispielsweise als Kreuztisch (nicht dargestellt) ausgeführt und mit entsprechenden Verstellmechanismen (nicht dargestellt) versehen sein, so dass ein Verstellen der Wanne 3.1 in zwei Achsen relativ zum beweglichen Arm 1 möglich ist. Die Verstellmechanismen (nicht dargestellt) sind dabei vorteilhaft mittels Aktoren (nicht dargestellt) angetrieben, die durch eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) ansteuerbar sind. Als Material für die Wanne 3.1 können sowohl den Laserstrahl abschirmende Metallbleche zum Einsatz kommen, als auch Laserschutz-Leichtbauplatten, wie sie im Handel erhältlich sind. An ihrem offenen Rand 9.1 ist die Wanne 3.1 von einem umlaufenden Kragen 8.1 umgeben, der mit dem offenen Rand 9.1 eine im Querschnitt L-förmige Auflage bildet, auf die das deckelförmige Gegenstück 2.1 mit seinem äußeren Rand 10.1 aufgelegt ist. Weiter sind am offenen Rand 9.1 der Wanne 3.1 Verriegelungsbolzen 12.11, 12.22 angeordnet, die bei auf die Wanne 3.1 aufgesetztem deckelförmigem Gegenstück 2.1 mit entsprechenden Schließstücken (nicht dargestellt) an dem deckelförmigen Gegenstück 2.1 zusammenwirken und dieses in seiner auf die Wanne 3.1 aufgesetzten Position verriegeln. Die Verriegelungsbolzen 12.11, 12.22 sind dabei mittels Aktoren (nicht dargestellt) angetrieben, die durch eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) ansteuerbar sind.
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Das deckelförmige Gegenstück 2.1 besteht aus einem ringartigen Tragteil 13.1, das zur Stabilisierung dient und vorzugsweise aus Laserschutz-Leichtbauplatten gefertigt ist. Derartige Platten sind im Handel erhältlich, so dass sich eine nähere Beschreibung erübrigt. An seinem inneren Rand 14.1 ist das ringartige Tragteil 13.1 mit dem äußeren Rand eines ebenfalls ringartigen beweglichen Teils strahlungsdicht verbunden. Dieses bewegliche Teil wird im Beispiel nach 6 durch einen Faltenbalg 15.1 gebildet, der mäanderförmig gestapelt ist, sich nach oben hin verjüngt und mit seinem inneren Rand an einem Kragen 25 strahldicht befestigt ist. Durch diese Ausführung des Faltenbalges 15.1 ergibt sich eine große Bewegungsfreiheit des Laserkopfes 20.1 innerhalb der Anordnung, sowohl translatorisch, als auch rotatorisch. Der Kragen 25 seinerseits ist an dem beweglichen Arm 1 des Handhabungsautomaten, diesen strahldicht umschließend, starr angeordnet.
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Zur tragenden Verbindung des ringartigen Tragteils 13.1 mit dem Kragen 25 ist ein Gestänge 24 ähnlich einem Schirmgestänge vorgesehen, das flexibel ausgebildet ist und erste flexible Anbindungen 27.1 an den Kragen 25 einerseits und zweite flexible Anbindungen 27.2 an das ringartige Tragteil 13.1 aufweist. Weiter sind bevorzugt flexibel ausgeführte Aufhängungen 26 vorgesehen, mit denen der Faltenbalg 15.1 an dem Gestänge 24 aufgehängt ist.
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Durch die vorstehend beschriebenen Merkmale wird ein in sich flexibles deckelförmiges Gegenstück 2.1 zur Wanne 3.1 ausgebildet, das im auf die Wanne 3.1 aufgesetzten Zustand Bewegungen des beweglichen Arms 1 des Handhabungsautomaten relativ zur Wanne 3.1 zulässt. Diese Bewegungen des beweglichen Arms 1 und damit des Laserkopfes 20.1 erfolgen unter reversibler Verformung des flexiblen Gestänges 24 einerseits und des Faltenbalgs 15.1 andererseits. Im von der Wanne 1 abgehobenem Zustand verleiht das flexible Gestänge 24 dem deckelförmigen Gegenstück 2.1 genügend Stabilität, damit dieses vom beweglichen Arms 1 des Handhabungsautomaten im wesentlichen verformungsfrei getragen werden kann. Der Faltenbalg 15.1 wird dabei durch die Aufhängungen 26 sicher am Gestänge 24 gehalten.
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In Weiterbildung der Anordnung kann vorgesehen sein, die Wanne 3.1 mit einer teleskopartig verschiebbaren Seitenwand auszustatten, um die vertikale Bewegungsfreiheit des beweglichen Arms 1 und damit des Laserkopfes 20 relativ zum Werkstücke 5 in vertikaler Richtung zu vergrößern. Hierzu ist in dem Beispiel nach 6 vorgesehen, dass die Seitenwand der Wanne 3.1 aus einem unteren Wandteil 3.11 und einem oberen Wandteil 3.12 bestehen die teleskopartig ineinander greifen. Zum Verstellen der Höhe der Wanne 3.1 sind Gewindespindeln 30 vorgesehen, die mittels Aktoren (nicht dargestellt) angetrieben sind, die ihrerseits von der Steuereinrichtung (nicht dargestellt) der Anordnung angesteuert werden.
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Der Faltenbalg 15.1 kann gemäß der Darstellung in 6 so ausgeführt sein, dass eine innere Gewebebahn und eine äußere Gewebebahn vorgesehen sind und dass die innere Gewebebahn mit der äußeren Gewebebahn mittels Stegen verbunden sind, so dass sich eng aneinander grenzende Kammern ergeben. Die Kammern ihrerseits sind vorzugsweise mit wenigstens einem strahlabsorbierenden Stoff bzw. Medium gefüllt. Dieser strahlabsorbierende Stoff kann beispielsweise ein watteähnliches Gewirk sein, das seinerseits aus die energiereichen Strahlen reflektierenden und oder absorbierenden Fasern besteht bzw. solche aufweist, kann aber auch ein Schüttgut, wie beispielsweise ein Granulat, sein.
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Um während des Schweißvorgangs den Faltenbalg 15.1 sicher vom Laserkopf 20.1 und dem Werkstück 5.1 fernzuhalten, kann gemäß der Darstellung in 6 vorgesehen sein, bei auf die Wanne 3.1 aufgesetztem deckelförmigen Gegenstück 2.1, über Luftzuführungen 28 in der Wanne 3.1 Luft in den Innenraum der Anordnung einzublasen, derart dass ein leichter Überdruck entsteht, der den Faltenbalg 15.1 mit trägt. Um überschüssige Luft und beim Schweißvorgang entstehende Abgase aus dem Innerraum abzuführen, sind Abluftöffnungen 29 im Faltenbalg 15.1 vorgesehen. Die für die Zuluft und die Abluft notwendige Verrohrungen, sowie das für die Druckerzeugung notwendige Gebläse sind nicht dargestellt. Die in der Wanne 3.1 bzw. dem Faltenbalg 15.1 vorgesehenen Luftzuführungen 28 und Abluftöffnungen 29 sind selbstverständlich strahldicht ausgeführt.
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Zur Durchführung eines Schweißvorgangs mit einer Anordnung, wie sie in Verbindung mit den 1 bis 5 beschrieben ist, steuert die Steuereinrichtung die Schweißanordnung so, dass zunächst geprüft wird, ob sich eine Wanne 3 in einer Ausgangsposition befindet. Ist das der, Fall, bringt der Handhabungsautomat das deckelförmige Gegenstück 2 in diese Ausgangsposition, setzt es auf die Wanne 3 auf und öffnet durch entsprechende Ansteuerung der Aktoren die Sicherungsbolzen 19.1, 19.2. Im nächsten Schritt löst die Steuereinrichtung durch Ansteuerung der den Riegeln 16.1, 16.2 zugeordneten Antriebe die starre Verbindung zwischen dem Tragteil 13 und dem beweglichen Arm 1 des Handhabungsautomaten, indem die Antriebe die Riegel 16.1, 16.2 aus der Riegelaufnahme 17 herausfahren. Nachfolgend führt die Steuereinrichtung durch entsprechende Ansteuerung des Handhabungsautomaten den eigentlichen Schweißauftrag aus. Dazu steuert sie einerseits den beweglichen Arm 1 unter Nutzung der reversiblen Verformbarkeit des beweglichen Teils (im Beispiel des Faltenbalg 15) des deckelförmigen Gegenstücks 2 entsprechend dem Schweißauftrag zur Positionierung des Laserkopfes 20 an. Andererseits steuert die Steuereinrichtung gleichzeitig den Laserkopf 20 so, dass dieser den Laserstrahl emittiert. Nach Fertigstellung des Schweißauftrags, bringt die Steuereinrichtung durch entsprechende Ansteuerung des Handhabungsautomat den beweglichen Arm 1 wieder in die Ausgangsstellung und stellt durch Beaufschlagung der Antriebe der Riegel 16.1, 16.2 die starre Verbindung zwischen dem Tragteil 13 und dem bewegliche Arm 1 wieder her, indem die Riegel 16.1, 16.2 in die Riegelaufnahme 17 eingefahren werden. Im letzten Steuerschritt bringt die Steuereinrichtung durch entsprechende Ansteuerung der Aktoren der Verriegelungsbolzen 12.1, 12.2 diese in ihre „offen” Stellung und steuert den Handhabungsautomat so, dass der bewegliche Arm 1 das deckelförmige Gegenstück 2 von der Wanne 3 abhebt.
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Abweichend zum vorstehend beschriebenen Verfahren entfällt bei Einsatz der Anordnung nach 6 das Entriegeln und Lösen der starren Verbindung zwischen dem Tragteil des deckelförmigen Gegenstücks und dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten nach dem Aufsetzen des deckelförmigen Gegenstücks auf die Wanne. Gleichfalls entfällt das Herstellen und Verriegeln der starren Verbindung zwischen dem Tragteil des deckelförmigen Gegenstücks und dem beweglichen Arm des Handhabungsautomaten vor dem Abnehmen des deckelförmigen Gegenstücks von der Wanne.
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Weiter ist bei der Anordnung nach 6 die Beweglichkeit bei aufgesetztem deckelförmigen Gegenstück 2.1 auf die Wanne 3.1 durch das flexible Gestänge 24 eingeschränkt. Sollte die Bewegungsfreiheit des flexible Gestänge 24 in der Vertikalen nicht ausreichen, ist eine Zustellbewegung der Wanne 3.1 vorgesehen in der Weise, dass die teleskopartig ineinandergreifenden Seitenwände 3.11, 3.12 relativ zueinander verstellt werden. Entsprechend kann durch ein Umpositionieren der Wanne mittels der Führungen 23 (Kreuztisch) eine Zustellung des Werkstücks 5 relativ zum Laserkopf 20.1 in horizontaler Richtung erreicht werden.
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Abweichend von den vorstehend beschriebenen Beispielen muss die den Laserstrahl emittierende Einrichtung nicht in baulicher Einheit mit der den Laserstrahl erzeugenden Einrichtung ausgeführt sein. Es ist in der Laser-Schweißtechnik durchaus üblich, die den Strahl erzeugende Einrichtung baulich vom Handhabungsautomaten zu trennen. In diesem Fall wird der Laserstrahl mittels eines Lichtwellenleiters, der einerseits mit der externen Laser-Quelle verbunden ist und andererseits mit seinem den Strahl emittierenden Ende am letzten Glied des Handhabungsautomaten befestigt ist, an die Schweißstelle geleitet. Bei einem solchen Aufbau kann es notwendig sein, für den Lichtwellenleiter und gegebenenfalls für weitere Zuführungen den Strahl abschirmende Durchbrüche im deckelförmigen Gegenstück vorzusehen.
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Ergänzend ist noch anzufügen, dass die Steuereinrichtung der vorstehend beschriebenen Anordnungen zusammen mit Hardware-Endschaltern (nicht dargestellt) und zahlreichen Sensoren (nicht dargestellt) ein redundantes Sicherheitssystem bildet. Dieses Sicherheitssystem stellt sicher, dass das deckelförmige Gegenstück 2, 2.1 am beweglichen Arm 1 des Handhabungsautomaten alleine Streustrahlung und „Treffer durch Reflexion” abzuschirmen hat. Direkttreffer werden durch das redundante Schutzsystem ausgeschlossen, indem der Laserkopf 20, 20.1 nicht auf das deckelförmige Gegenstück 2, 2.1 gerichtet werden kann.
