DE19903881A1

DE19903881A1 - Positioniersystem einer Laserschweißanlage

Info

Publication number: DE19903881A1
Application number: DE19903881A
Authority: DE
Inventors: Rolf Bertsch; Juergen Rapp; Werner Frie; Juergen Jerkewitz; Andreas Werner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2000-08-03

Abstract

Mit Rechnerunterstützung (4) erfolgt zunächst eine Grobjustierung der miteinander zu verschweißenden Fügeteile (1, 2) sowie eines Laserschweißkopfes (8) relativ zueinander. Nachfolgend wird durch Bilderfassung (13, 14) in einer Umgebung des Fokus (11) des Laserschweißkopfes eine Feinjustierung von Laserschweißkopf und Fügebereich relativ zueinander vorgenommen und/oder eine Fehllage der Fügeteile angezeigt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein rechnergestütztes Positioniersystem einer Laserschweißanlage nach der Gattung des Hauptanspruches.

Bei derzeitigen automatischen Laserschweißanlagen ist es grundsätzlich bekannt, miteinander zu verbindende Fügeteile in einer Werkstückaufnahme in vorzugebender Sollage relativ zueinander einzuspannen und dann die Werkstückaufnahme durch translatorische und/oder rotatorische Verstellung bezüglich mehrerer Achsen in eine Bearbeitungsposition einzustellen, in der der Fokus eines Laserstrahles des Schweißkopfes eine definierte Lage relativ zu Referenzkanten oder Referenzflächen od. dgl. an den Fügeteilen einnimmt. Bei dieser Technik ist jedoch nicht ohne weiteres eine optimale Fokuslage relativ zur Fügezone der Fügeteile erreichbar. Dies beruht darauf, daß die Ist-Positionen der Referenzkanten, Referenzflächen od. dgl. nur innerhalb einer vorgegebenen Fertigungstoleranz mit der gewünschten Soll- Position am jeweiligen Fügeteil übereinstimmen können. Des weiteren können beim Einspannen der Fügeteile in die Werkstückaufnahme mehr oder weniger große Verformungen an den Fügeteilen auftreten, mit der Folge, daß prinzipiell unvorhersehbare Änderungen zwischen Ist- und Soll-Positionen der Referenzkanten, Referenzflächen od. dgl. an den Fügeteilen auftreten.

Des weiteren ist es grundsätzlich bekannt, in automatischen Fertigungsanlagen, etwa bei der Bestückung von Schaltungsplatinen, Werkstücke mit "intelligenten" Kameras zu erfassen und dann mit einer Handhabungsmaschine bzw. mit einem Roboter zu ergreifen und an einer vorgegebenen Stelle zu montieren. Hier ist jedoch ein außerordentlich hoher Rechneraufwand zur Erkennung der Werkstücke sowie zu deren Montage in richtiger Lage notwendig.

Vorteile der Erfindung

Positioniersysteme mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches beruhen auf dem allgemeinen Gedanken, die Fügeteile zunächst in herkömmlicher Weise "grob" in der gewünschten Bearbeitungslage zu justieren und dann die Umgebung der Fügezone bildlich zu erfassen, um dieselbe optimal in den Fokus zu bringen bzw. Fehllagen der Werkstücke zu signalisieren.

Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die Bilderfassung wesentlich vereinfacht werden kann, weil der bildlich ausgewertete Bereich nur wenig variieren und die Bilderfassung auf eine geringe Anzahl markanter Merkmale ausgerichtet werden kann. Im wesentlichen braucht bei der Bilderfassung lediglich die Fügezone von den angrenzenden Fügeteilen unterschieden sowie die Ausrichtung der Fügezone erkannt zu werden.

Dies ist z. B. bei entsprechender Beleuchtung der Fügeteile im Bereich der Fügezone ohne weiteres möglich.

Dementsprechend ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine einstellbare und/oder verstellbare Beleuchtung der Werkstücke im Bereich der Fügezone vorgesehen, insbesondere derart, daß starke Bildkontraste auftreten und ausgewertet werden können.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Bilderfassungssystem nach Art einer Kamera ausgebildet, und eine zur Fokussierung des Laserstrahles vorgesehene Linse dient auch als Objektiv bzw. als Teil des Objektives der Kamera.

Auf diese Weise erfolgt die Bilderfassung der Kamera durch den Strahlengang des Schweißlasers, und es wird ohne weitere Maßnahmen gewährleistet, daß die optischen Achsen von Schweißlaser und Bilderfassung bzw. Kamera zusammenfallen bzw. zumindest in Werkstücknähe gleichachsig liegen. Dies führt zwangsläufig zu einer hohen Genauigkeit bei der unter Bilderfassung erfolgenden Feinjustage von Fügezone und Laserschweißkopf relativ zueinander.

In konstruktiv einfacher Weise kann die Kamera mittels eines zwischen zwei Endlagen schwenkbaren Spiegels in den Strahlengang des Lasers eingekoppelt werden, wobei die eine Endlage des Spiegels den Strahlengang des Lasers freigibt und die andere Endlage des Spiegels für die Bilderfassung vorgesehen ist.

Anstelle des schwenkbaren Spiegels kann auch ein Strahlteiler angeordnet sein, welcher Strahlengänge entsprechend den Endlagen des vorgenannten Spiegels ermöglicht.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen.

Zeichnung

In der Zeichnung ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisiert dargestellt. Dabei zeigt die einzige Figur ein vereinfachtes Schnittbild des Laserschweißkopfes sowie einer zugeordneten Kamera zur Bilderfassung zweier miteinander zu verbindender Fügeteile.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Gemäß der Zeichnung sind zwei miteinander zu verschweißende Fügeteile 1 und 2 in eine Werkstückhalterung 3 eingespannt, welche durch ein mittels Rechners 4 steuerbares Stellaggregat 5 translatorisch und/oder rotatorisch bezüglich einer Vielzahl von Achsen beweglich ist. Die Istlage der Werkstückhalterung 3 wird vom Rechner 4 über einen Istwergeber 6 erfaßt. Mittels einer Sollwerteingabe 7 läßt sich der Rechner 4 derart programmieren, daß er die Werkstückhalterung 3 in eine vorgegebene Position bzw. nacheinander in vorgegebene Positionen stellt.

Die Werkstückhalterung 3 ist einem Laserschweißkopf 8 zugeordnet, welcher im Prinzip aus einem energiereichen Laser 9 zur Erzeugung eines Laserstrahles 9' sowie einer Linse bzw. Linsenanordnung 10 zur Bündelung des Laserstrahles 9' in einen Fokus 11 besteht.

Innerhalb des Laserschweißkopfes 8 ist neben dem Weg des Laserstrahles 9' ein Klappspiegel 12 angeordnet, welcher aus seiner dargestellten einen Endlage, in der der Weg des Laserstrahles 9' freigegeben wird, in seine strichliert angedeutete andere Endlage umklappbar ist, in der ein von der Linse 10 erfaßtes Bild der Fügeteile 1 und 2 in eine digitale Kamera 13 eingeblendet wird, die ihrerseits mit einer elektronischen Auswerteschaltung 14 verbunden ist. Ausgangsseitig ist die Auswerteschaltung 14 mit dem Rechner 4 verbunden, derart, daß die Auswerteschaltung 14 Sollwerte für die Stellung der Werkstückhalterung 3 zu übermitteln vermag.

Statt der digitalen Kamera 13 kann auch eine analog arbeitende Kamera vorgesehen sein.

Die dargestellte Anordnung funktioniert wie folgt:
Die Fügeteile 1 und 2 werden derart in die Werkstückhalterung 3 eingespannt, daß fügeteilseitige Referenzpunkte, z. B. Markierungen, Kanten oder Flächen, eine vorgegebene Sollposition bezüglich der Werkstückhalterung 3 haben. Mittels der Sollwerteingabe 7 wird der Rechner 4 derart programmiert, daß er die mittels des Istwertgebers 6 erfaßte Istlage der Werkstückhalterung 3 gemäß den Sollvorgaben der Sollwerteingabe 7 durch entsprechende Ansteuerung des Stellaggregates 5 korrigiert. Dies führt im Ergebnis dazu, daß der Fokus 11 des Laserschweißkopfes 8 an bzw. in der Fügezone zwischen den Fügeteilen 1 und 2 liegt.

Aufgrund unvermeidbarer Toleranzen bei der Herstellung der Fügeteile sowie bei deren Einspannung in die Werkstückhalterung 3 hat der Fokus 11 in der Regel noch keine optimale Lage.

Bevor nun der Laserschweißprozess begonnen wird, wird zunächst der Klappspiegel 12 in die strichlierte Lage gebracht und mittels der Kamera 13 und der Auswerteschaltung 14 die Abweichung der Fügezone von der optimalen Position in bezug auf den Fokus 11 bildlich erfaßt. Entsprechend der ermittelten Abweichung erhält der Rechner 4 ein Signal. Damit steuert der Rechner 4 das Stellaggregat 5 zu einer entsprechenden Korrektur-Verstellung der Werkstückhalterung 3 an. Diese Korrekturverstellung kann mittels der Kamera 13 überwacht und gegebenenfalls nachgebessert werden.

Sobald die optimale Lage der Fügezone zwischen den Fügeteilen 1 und 2 relativ zum Fokus 11 erreicht ist, wird der Spiegel 12 in seine den Laserstrahl 9' freigebende Lage zurückgeklappt. Nunmehr erfolgt der Laserschweißprozess.

Falls statt des Klappspiegels 12 ein Strahlteiler angeordnet ist, kann die Kamera 13 die Lage der Fügezone in bezug auf den Fokus 11 ohne Eingriffe in den Strahlengang zwischen den Fügeteilen 1 und 2 sowie der Kamera 13 bzw. dem Laser 9 erfassen.

Claims

1. Rechnergestütztes Positioniersystem einer, Laserschweißanlage mit

- einer Werkstückhalterung, welche miteinander zu verschweißende Fügeteile in bezug auf Referenzpunkte - z. B. Kanten, Flächen od. dgl. - in vorgebbarer Lage relativ zueinander aufzunehmen gestattet,
- einem Laserschweißkopf, welcher einen Laserstrahl mit vorgegebenem bzw. vorgebbarem Fokus zu erzeugen gestattet, und
- einer Stellvorrichtung, welche den Laserschweißkopf sowie die Werkstückhalterung relativ zueinander einzustellen gestattet, derart, daß der Fokus an bzw. in einem Fügebereich der Fügeteile liegt,

gekennzeichnet durch ein Bilderfassungssystem (13, 14), welches eine Zone in einer Umgebung des Fokus (11) auswertet und eine Feinjustage von Fügebereich und Laserschweißkopf (8) relativ zueinander steuert und/oder eine Soll-Ist- Abweichung der Lage der Fügeteile (1, 2) relativ zueinander meldet.

2. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilderfassungssystem nach Art einer Kamera (13) ausgebildet und eine zur Fokussierung des Laserstrahles vorgesehene Linse (10) auch als Objektiv bzw. als Teil des Objektives der Kamera angeordnet ist.

3. Positioniersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Strahlengang (9') des Lasers (9) ein zwischen zwei Endlagen schwenkbarer Spiegel (12) angeordnet ist, der in seiner einen Endlage den Strahlengang des Lasers freigibt und in seiner anderen Endlage die Umgebung des Fokus (11) in das Bilderfassungssystem bzw. die Kamera (13) einblendet.

4. Positioniersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (9') des Lasers (9) ein Strahlteiler angeordnet ist, der einerseits den Laserstrahl zum Fügebereich bzw. zu den Fügeteilen (1, 2) hindurchläßt und andererseits eine optische Verbindung zwischen Kamera (13) und Fügebereich bzw. Fügeteilen ermöglicht.

5. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine verstellbare und/oder steuerbare Beleuchtung der Fügeteile bzw. der Werkstückaufnahme vorgesehen ist.

6. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilderfassungssystem bzw. die Kamera Kontrastgrenzen am Fügebereich auswertet.