DE10204993A1 - Vorrichtung zum Bearbeiten von dreidimensional ausgedehnten Werkstückoberflächen mittels Laser - Google Patents

Vorrichtung zum Bearbeiten von dreidimensional ausgedehnten Werkstückoberflächen mittels Laser

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Abstract

Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laser (1), insbesondere zum Schneiden, Perforieren, Anritzen, Gravieren, Bohren und Beschriften von Werkstücken mit unterschiedlich großen dreidimensionalen Strukturen. Die Laserstrahlung wird über einen robotergeführten Spiegelgelenkarm (3) und einen Laserscanner (4) auf das auf eine Halteeinrichtung (8) fixierte Werkstück gerichtet. Dabei wird die Laserstrahlung durch koordinierte zeitlich- und lagegesteuerte Auslenkung des Spiegelgelenkarmes (3) und der Spiegelelemente des Laserscanners (4) geführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laser, insbesondere zum Schneiden, Perforieren, Anritzen, Gravieren, Bohren und Beschriften von Werkstücken mit unterschiedlich großen dreidimensionalen Strukturen. Sie kann auch zum Abtragen von Schichten von solchen Werkstücken vorteilhaft verwendet werden.
  • Vorrichtungen zum Bearbeiten eines Werkstückes mittels Laser bestehen grundsätzlich aus einem Laser, einer Einrichtung zur Führung der Laserstrahlung zum Werkstück hin und einer Einrichtung zur Halterung des Werkstückes. Für Verfahren, bei denen eine Relativbewegung (Vorschub) zwischen der Laserstrahlung als Werkzeug und dem Werkstück ausgeführt werden muss (z. B. Schneiden, Perforieren, Abtragen) wird üblicherweise diese Relativbewegung durch die Einrichtung zur Führung der Laserstrahlung wahrgenommen, während das Werkstück ortsfest gehalten wird.
  • Zur Führung der Laserstrahlung zur ortsfesten Werkstückoberfläche hin sind unterschiedliche Grundprinzipien für solche Einrichtungen bekannt.
  • Insbesondere zur Bearbeitung großflächiger Werkstücke sind Vorrichtungen bekannt, bei denen ein den Laserstrahl fokussierender Laserkopf mittels eines Portals frei in einer Ebene parallel zur Werkstückoberfläche bewegt werden kann. Die Laserstrahlung gelangt vom Laser über einen Spiegelgelenkarm zum Laserkopf. Der Vorteil besteht darin, dass ein solches Portal, entsprechend groß dimensioniert, den Laserstrahl über auch sehr große Werkstückoberflächen führen kann. Nachteilig ist der hohe Raumbedarf, die begrenzte Bearbeitungsgeschwindigkeit, insbesondere bei häufigem Wechsel der Bearbeitungsrichtung sowie die ausschließliche Anwendbarkeit für ebene Werkstückoberflächen.
  • Ebenfalls zur Bearbeitung großer Werkstückoberflächen sind Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Laserkopf an einem frei im Raum beweglichen Roboterarm angebracht ist. Auch hier wird die Laserstrahlung über einen Spiegelgelenkarm zum Laserkopf geführt. Die Größe der zu bearbeitbaren Werkstückoberfläche ist allein durch den Bewegungsfreiraum des Roboter- und Spiegelgelenkarmes begrenzt. Die Trägheit der Mechanik des Roboterarms und des Spiegelgelenkarmes erlauben auch hier nur eine begrenzte Bearbeitungsgeschwindigkeit.
  • Für beide beschriebene Lösungen ist es bekannt, am Laserkopf eine Gasdüse anzubringen, über die eine Gasströmung auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet wird, um Flammenbildungen, die zu unerwünschten Rußablagerungen führen, bzw. um die Ablagerung einer entstehenden Materialschmelze zu vermeiden. Da die Laserstrahlung den Laserkopf in einer festen definierten Richtung verlässt und in einem definierten Abstand über die Werkstückoberfläche geführt wird, ist die Gasdüse in einem festen Winkel zur Laserstrahlung am Laserkopf so montiert, dass die Laserstrahlung und der aus der Gasdüse austretende Gasstrahl stets auf den gleichen Punkt auf der Werkzeugoberfläche gerichtet sind.
  • Zur Bearbeitung kleiner, ebener Flächen ist der Einsatz von optischen Strahlablenkeinheiten, oder auch Laserscanner genannt, bekannt. Die Strahlführung erfolgt über die Verkippung von Spiegeln.
  • Der Vorteil besteht in der hohen erreichbaren Geschwindigkeit und der genauen Präzision der Strahlablenkung. Nachteilig ist der nur geringe räumliche Bereich, der vom Laserstrahl überstrichen werden kann. Die Kombination derartiger Vorrichtungen mit einer Gaszuführung zum Bearbeitungsort ist nicht bekannt.
  • Für Vorrichtungen, bei denen Werkstücke mit großen dreidimensional ausgedehnten Oberflächen mit Laser bearbeitet werden sollen, kommen daher im Stand der Technik nur Lösungen zum Einsatz, bei denen die Laserstrahlung mittels eines Spiegelgelenkarmes, befestigt an einem Roboterarm, entlang der gewünschten Bearbeitungslinie auf der Werkstückoberfläche geführt wird.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Bearbeiten von dreidimensional ausgedehnten Werkstückoberflächen mittels Laser zu schaffen, bei der eine Gasströmung auf den Bearbeitungsort gerichtet ist und die gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen unabhängig von der Ausdehnung und dem Verlauf der Bearbeitungslinie eine schnellere Bearbeitungsgeschwindigkeit zulässt.
  • Diese Aufgabe wird für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1 dadurch gelöst, dass ein Laserscanner 4 vorhanden ist, der am Roboterarm 2 befestigt ist und mit dem Spiegelgelenkarm 3 so verbunden ist, dass die aus dem zweiten Ende des Spiegelgelenkarms 3 austretende Strahlung in den Laserscanner 4 eingekoppelt wird und die Gasdüsen 7 am Laserscanner 4 so beweglich angebracht sind, dass sie über einen Gasdüsenantrieb 6, der mit der Steuereinrichtung 5 in Verbindung steht, auf die Werkstückoberfläche ausrichtbar sind, damit die Gasströmung und die aus dem Laserscanner 4 über eine Austrittsfläche austretende Strahlung in einem Punkt auf der Werkstückoberfläche zusammentreffen.
  • Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung soll nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Hierin zeigt:
  • Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Ausführung einer Vorrichtung
  • Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfasst im Wesentlichen einen ortsfest gelagerten Laser 1, einen Roboterarm 2, der an einem hier nur als Festlager dargestellten Roboter befestigt ist, einen Spiegelgelenkarm 3, einen Laserscanner 4, eine Steuereinrichtung 5, einen Gasdüsenantrieb 6, wenigstens eine Gasdüse 7 und eine Halteeinrichtung 8.
  • Von den dargestellten Verknüpfungen der Mittel untereinander stellen die dicken Volllinien mechanische Verbindungen, die dünnen Einfachpunktlinien signaltechnische Verbindungen und die mehrfach Punktlinien optische Verbindungen dar.
  • Der ortsfest angeordnete Laser 1 ist mit dem ersten Ende des Spiegelgelenkarmes 3 mechanisch und optisch verbunden, dessen zweites Ende mit dem freien Ende des Roboterarms 2 in fester Verbindung steht, welcher das zweite Ende des Spiegelgelenkarms 3, über das die vom Laser 1 eingekoppelte Strahlung den Spiegelgelenkarm 3 verläst, der dadurch im Raum frei bewegbar ist. Am freien Ende des Roboterarms 2 ist ebenfalls der Laserscanner 4 angebracht, der eingangsseitig mit dem zweiten Ende des Spiegelgelenkarms 3 optisch und mechanisch fest verkoppelt ist. Am Laserscanner 4 sind der Gasdüsenantrieb 6 und wenigstens eine Gasdüse 7 befestigt. Der Laser 1, der Roboterarm 2, der Laserscanner 4, und der Gasdüsenantrieb 6 sind steuertechnisch über eine Signalleitung mit der Steuereinrichtung 5 verknüpft.
  • Die aus dem Laser 1 emittierende Strahlung wird in das erste Ende des Spiegelgelenkarmes 3 eingekoppelt und verlässt den Spiegelgelenkarm (3) über das zweite Ende an einem von der Raumlage des freien Endes des Roboterarms (2) bestimmten Punkt innerhalb des Raumes oberhalb eines auf der Halteeinrichtung (8) fixierten Werkstückes. Mit dem Verlassen des Spiegelgelenkarmes (3) wird die Strahlung in den Laserscanner (4) eingekoppelt wo die Strahlung mittels Spiegelelementen um den genannten Punkt in zwei oder drei Raumrichtungen ausgelenkt werden kann. Durch eine koordinierte Ansteuerung des Spiegelgelenkarmes 3 und der Spiegelelemente des Laserscanners 4 in ihrer Raumlage und Geschwindigkeit wird zur Werkstückbearbeitung gewünschte Strahlführung realisiert. Die Strahllage, beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche, ist somit durch eine koordiniert Überlagerung der Strahlführungen im Spiegelgelenkarm (3) und im Laserscanner (4) bestimmt. Die Strahlführung in einem Spiegelgelenkarm (3), sowie einem Laserscanner (4) sind dem Fachmann im Einzelnen bekannt. Die Gasdüse 7 ist am Laserscanner 4 beweglich angebracht und wird über den Gasdüsenantrieb 6 der Laserstrahlung nachgeführt, sodass sich die Strömungsrichtung der Gasströmung und die Laserstrahlung auf der Werkstückoberfläche im jeweiligen Bearbeitungsort schneiden. Vorteilhaft sind mehrere Gasdüsen 7 um die Austrittsfläche der Laserstrahlung am Laserscanner 4 angebracht. Z. B. können die Gasdüsen 7 bei einem üblicherweise um die Austrittsfläche quadratisch ausgebildeten Laserscanner 4 jeweils an einem der vier Ecken des Laserscanners angebracht sein. Es können auch mehr als vier Düsen ringförmig um die Austrittsfläche angeordnet sein.
  • Die erfindungsgemäße Verknüpfung eines Spiegelgelenkarmes 3 und eines Laserscanners 4 mit einem Gasdüsenantrieb 6 sowie Gasdüsen 7 ermöglicht durch deren koordinierte gleichzeitige oder alternative Ansteuerung eine optimierte Zuführung der Laserstrahlung und Gasströmung zum Bearbeitungsort, die von der Größe und der Form des Werkstückes sowie der Größe und Kontur der Bearbeitungsfläche (z. B. beim Abtragen) bzw. der Bearbeitungslinie (z. B. beim Schneiden oder Perforieren) abhängt.
  • Je mehr Gasdüsen 7 um die Austrittsfläche zentrisch verteilt angeordnet sind, um so gleichmäßiger trifft die Gasströmung auf den Bearbeitungsort auf.
  • Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung in drei Bearbeitungsregimes betrieben werden.
    • 1. Der Roboterarm 2 bewegt den Laserscanner 4 zu einer ersten Bearbeitungsposition und bleibt während der Bearbeitung unbewegt. Die Bearbeitungsfläche bzw. die Bearbeitungslinie wird nur über die Ansteuerung bzw. Auslenkung der Spiegel im Laserscanner 4 abgearbeitet. Dabei werden die Gasdüsen 7 über den Gasdüsenantrieb 6 so ausgelenkt, dass die Gasströmung auf den Bearbeitungsort gerichtet ist, d. h. auf den Punkt, auf den auch gerade die Laserstrahlung auftrifft.
      Anschließend bewegt der Roboterarm 2 den Laserscanner 4 zu einer zweiten Bearbeitungsposition, wo sich der Bearbeitungsablauf wiederholt, sogenannter "stop and go"-Betrieb. Während der Bearbeitung erfolgt die Strahlführung auf der Werkstückoberfläche ausschließlich mittels des Laserscanners 4.
      Ein solcher Betrieb ist z. B. vorteilhaft beim Schneiden von Lochkonturen.
    • 2. Der Laserscanner 4 wird vom Roboterarm 2 kontinuierlich über die Werkstückoberfläche bewegt, wobei der Laserscanner 4 die Strahlung zusätzlich in eine, zwei oder drei Richtungen auslenkt, sogenannter "flying motion"-Betrieb. Während der Bearbeitung erfolgt somit die Strahlführung durch eine koordinierte zeitlich- und lagegesteuerte Auslenkung des Spiegelgelenkarmes 3 und der Spiegelelemente des Laserscanners 4. Dabei wird die räumliche Führung (Bearbeitungskontur) und zeitliche Führung (Bearbeitungsgeschwindigkeit) der Laserstrahlung des über den Laserscanner 4 bewegten Laserstahles entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms 2, welcher den Spiegelgelenkarm 3 führt, gesteuert.
      Dieses Bearbeitungsregime ist besonders für längere von einer Geraden abweichenden Bearbeitungslinien, z. B. einer sinusförmigen Linie, geeignet.
    • 3. Der Roboterarm 2 wird kontinuierlich über die Werkstückoberfläche geführt und der Laserscanner 4 verharrt den Strahl in Ruhe, sogenannter "motionless"-Betrieb. Die Strahlführung erfolgt ausschließlich über den Roboterarm 2.
      Insbesondere zur Bearbeitung von sehr langen und großen Konturen ist dieses Regime vorgesehen.
  • Gegenüber einer Vorrichtung nur mit einem Roboterarm zur Strahlführung lassen sich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise Kreise im Durchmesser von 10 mm statt mit einer Geschwindigkeit von 1 s mit einer Geschwindigkeit von nur 10 ms erzeugen. Rechtecke mit den Außenmaßen 10 mm × 10 mm lassen sich statt in 1,3 s in nur 40 ms bearbeiten. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Laser
    2 Roboterarm
    3 Spiegelgelenkarm
    4 Laserscanner
    5 Steuereinrichtung
    6 Gasdüsenantrieb
    7 Gasdüsen
    8 Halteeinrichtung

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von dreidimensional ausgedehnten Werkstückoberflächen mittels Laser mit einem ortsfesten Laser (1), einem Spiegelgelenkarm (3), in dessen erstes Ende die Strahlung des Lasers (1) eingekoppelt wird, einem mit einem Roboter verbundenen Roboterarm (2) zur Führung des zweiten Endes des Spiegelgelenkarmes (3), einer Halteeinrichtung (8) zum Fixieren eines Werkstückes, wenigstens einer Gasdüse (7), mittels der eine Gasströmung auf die Werkstückoberfläche gerichtet ist und einer Steuereinrichtung (5) zur Ansteuerung des Lasers (1) und des Roboterarms (2) dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserscanner (4) vorhanden ist, der am Roboterarm (2) befestigt ist und mit dem Spiegelgelenkarm (3) so verbunden ist, dass die aus dem zweiten Ende des Spiegelgelenkarms (3) austretende Strahlung in den Laserscanner (4) eingekoppelt wird und die Gasdüsen (7) am Laserscanner (4) so beweglich angebracht sind, dass sie über einen Gasdüsenantrieb (6), der mit der Steuereinrichtung (5) in Verbindung steht, auf die Werkstückoberfläche richtbar sind, damit die Gasströmung und die aus dem Laserscanner (4) über eine Austrittsfläche austretende Strahlung in einem Punkt auf der Werkstückoberfläche zusammentreffen.
2. Vorrichtung zum Bearbeiten von dreidimensional ausgedehnten Werkstückoberflächen mittels Laser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüsen (7) um die Austrittsfläche zu dieser zentrisch angeordnet sind.
3. Vorrichtung zum Bearbeiten von dreidimensional ausgedehnten Werkstückoberflächen mittels Laser nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüsen (7) ringförmig angeordnet sind.
4. Vorrichtung zum Bearbeiten von dreidimensional ausgedehnten Werkstückoberflächen mittels Laser nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Gasdüse (7) an einer Ecke eines um die Austrittsfläche quadratisch ausgebildeten Laserscanners (4) angeordnet ist.
5. Vorrichtung zum Bearbeiten von dreidimensional ausgedehnten Werkstückoberflächen mittels Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungskontur und die Bearbeitungsgeschwindigkeit der über den Laserscanner (4) bewegten Laserstrahlung entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms (2) gesteuert wird.
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