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Die
Erfindung betrifft eine Justiervorrichtung für einen fliegend angeordneten
Laserschweißkopf, der
eine Kassettenaufnahme für
Einschubkassetten aufweist und dessen Abstand zum Werkstück zur genauen
Fokussierung des Schweißlaserstrahls
mit Hilfe eines sichtbaren Justierlaserstrahls programmierbar ist.
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Beim
Laserstrahlschweißen,
das in der Regel ohne Zuführung
von Zusatzwerkstoffen vor allem zum Verschweißen von Blechen eingesetzt
wird, wird auf der Werkstückoberfläche entlang
der Stoßfuge ein
fokussierter Laserstrahl geführt,
der den Werkstoff im Bereich der Stoßfuge auf Grund der hohen Strahlintensität in kurzer
Zeit aufschmilzt, um die beiden Bauteile mittels einer Schweißnaht miteinander zu
verbinden. Bei einem fliegenden Laserschweißkopf ist die Laserschweißoptik nicht
durch eine mechanische Berührung – beispielsweise
durch Rollen oder Taster – an
dem Werkstück
geführt.
Die Programmierung des Laserschweißkopfes mit Bezug auf dessen
Abstand bzw. den Abstand der Fokussierlinse(n) zum Werkstück, das
heißt,
die zur Erzielung einer hohen Schweißleistung erforderliche exakte
Fokussierung des Schweißlaserstrahls
entlang der gesamten Stoßfuge
der beiden miteinander zu verbindenden Werkstücke -erfolgt bekanntermaßen mit
einem im sichtbaren Wellenlängenbereich
liegenden Justierlaserstrahl (Programmier- oder Pilotlaserstrahl),
da der Schweißlaserstrahl
nicht sichtbar ist und demzufolge auch nicht erkennbar ist, ob dessen Brennpunkt
genau auf der Werkstückoberfläche und im
Bereich der Stoßfuge
erzeugt wird. An jedem Laserschweißkopf ist – zum Zwecke des Programmierens
bzw. des dem Schweißvorgang
vorgelagerten Justierens – bekanntermaßen mit
erheblichem Platzbedarf eine Kamera fest installiert, mit der beim
Programmieren der vom Pilotlaserstrahl erzeugte Lichtfleck auf dem
Werkstück
erfasst und dargestellt wird und anhand dessen die jeweilige Lage
der Laseroptik in Bezug auf die Stoßfuge programmiert wird. Da
wegen der unterschiedlichen Wellenlänge der Fokuspunkt des Pilotlaserstrahls
in der Höhe
von dem des Schweißlaserstrahls
abweicht, erfolgt eine Fehlerkorrektur mit einer zusätzlichen
Linse. Ein weiteres, bisher jedoch nicht gelöstes Problem ist die richtige
Einstellung des Abstandes zwischen Laserschweißkopf und Werkstück auf der
Basis der visuellen und mithin fehlerhaften menschlichen Beurteilung
der Größe des Pilotlaser-Fokuspunktes,
zumal die Schweißnahtumgebung
nur schwer eingesehen werden kann und das Messen des Abstandes mit
Hilfe von dafür
vorgesehenen optischen Messgeräten,
das heißt,
sogenannten Teach-Sensoren, insbesondere bei einer an einer Werkstückkante
verlaufenden Stoßfuge
sowie aufgrund optischer Effekte mit Messfehlern verbunden ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Justiervorrichtung zum
Programmieren (Einstellen) der Laserschweißoptik mit Hilfe eines sichtbaren Justierlaserstrahls
anzugeben, die einfach ausgebildet ist und für den Schweißvorgang
eine exakte Positionierung der Laseroptik zu einer zu verschweißenden Stoßfuge gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen
des Schutzanspruchs 1 ausgebildeten Justiervorrichtung für eine Laserschweißoptik gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht in der Aufteilung des Justierlaserstrahls
in Einzelstrahlen, die auf der Werkstückoberfläche zwei oder mehrere, in X-
und Y- Richtung im
Abstand voneinander angeordnete Fokuspunkte, d.h. Justierlaserspots,
erzeugen. Der sichtbare Justierlaserstrahl bzw. Einzelstrahl wird
mit einer Kompensationslinse so beeinflusst, dass die korrigierte
Lage seiner im Abstand liegenden Einzelstrahl-Fokuspunkte der Lage
des Fokuspunktes des Schweißlaserstrahls
entspricht. Diese Justierlaserspots werden mit Hilfe einer Kamera auf
einem Monitorbild abgebildet. Der Abstand der in der x-y-Ebene liegenden Fokuspunkte
zueinander, der ein Maß für die Höheneinstellung
des Laserschweißkopfes
ist, kann von einem Bebachter ohne Schwierigkeiten beurteilt werden.
Somit ist – ohne subjektive
Fehleinschätzung – für den Schweißvorgang
eine exakte Einstellung der Fokuslage des Schweißlaserstrahls möglich.
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Die
Justiervorrichtung zum Einstellen des Laserschweißkopfes
umfasst eine in der Kassettenaufnahme des Laserschweißkopfes
austauschbar angeordnete Kameraeinschubkassette mit vorzugsweise
drei – im
Dreieck angeordneten – Strahlformungsbohrungen
zur Erzeugung von Einzelstrahlen sowie aufgesetzter Beobachtungskamera
und integrierten Umlenkspiegeln zur Wiedergabe der entsprechend
im Dreieck angeordneten Fokuspunkte (Justierlaserspots) auf einem
mit Abstandsmarkierungen versehenen Monitorbild der Beobachtungskamera.
Die Abstandsmarkierungen, auf die die Justierlaserspots der Justierlaser-Einzelstrahlen
eingestellt werden, entsprechen der genauen Fokuslage des Schweißlaserstrahls.
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Die
Kameraeinschubkassette, die nur während des Programmierens in
die ansonsten für
andere Kassetten benutzte Kassettenaufnahme des Laserschweißkopfes
eingesetzt wird, kann für
den Justiervorgang mit geringem Aufwand montiert werden. Auf die
Handhabung der Schweißvorrichtung
für den eigentlichen
Schweißvorgang
kann sie sich daher nicht störend
auswirken.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen über einem
Werkstück
positionierten Laserschweißkopf
mit einer Kassettenaufnahme für
unterschiedliche Einschubkassetten;
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2 eine
Schnittansicht eines Laserschweißkopfes mit in der Kassettenaufnahme
gehaltener Kameraeinschubkassette und Darstellung der Justierlaserstrahlausbreitung;
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3 eine
perspektivische Darstellung der Kameraeinschubkassette und des Justierlaserstrahls;
und
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4a und 4b ein
Monitorbild der Justierlaserstrahlspots zur Abstandseinstellung
bzw. zur Ausrichtung/Orientierung des Schweißlaserkopfes.
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Der
in 1 dargestellte Laserschweißkopf 1 weist ein
Gehäuse 2 mit
einer Laserstrahleintrittsöffnung 3,
einer (oder mehreren) Fokussierlinse(n) 4 zur Fokussierung
eines Schweißlaserstrahls 5a auf einem
Werkstück 6 (genauer
gesagt: auf der Stoßfuge
von zwei durch Laserschweißen
zu verbindenden Werkstücken)
sowie einer Kassettenaufnahme 7 zur Aufnahme unterschiedlicher
Einschubkassetten 8 bis 10 auf. Die Einschubkassetten 8 und 9 sind
Stand der Technik und stellen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine Schutzglaskassette 8 und eine Leistungsmesskassette 9 dar.
Die weiterhin dargestellte Kameraeinschubkassette 10 ist
gemäß der Erfindung
ausgebildet und umfasst eine Schublade 11 mit einer auf
dieser justierbar montierten Beobachtungskamera 12 und – in der
vorliegenden Ausführungsform
zwei – in
die Schublade 11 integrierten Umlenkspiegeln 13 zur
Herstellung der optischen Verbindung zwischen der Oberfläche des
Werkstücks 6 und
der – als
CCD-Kamera ausgebildeten – Beobachtungskamera 12.
In der Schublade 11 sind drei durchgehende, im Dreieck
angeordnete Strahlformungsbohrungen 14 ausgebildet. Die
Strahlformungsbohrungen 14 sind rund, können aber auch eine beliebige
andere Querschnittsform haben. Gemäß 1 wird der
in das Gehäuse 2 des
zuvor justierten (in Höhe
und Orientierung eingestellten) Laserschweißkopfes 1 eintretende
Schweißlaserstrahl 5a mit
der Fokussierlinse 4 fokussiert. Der Abstand zwischen dem
Laserschweißkopf 1 und
dem Werkstück 6 wurde
bei der vorangegangenen Programmierung, bei der – wie 2 zeigt – die Kameraeinschubkassette 10 in
die Kassettenaufnahme 7 des Gehäuse 2 eingesetzt ist,
so eingestellt, dass der fokussierte Schweißlaserstrahl 5a senkrecht
und exakt mit seinem Fokuspunkt 1.5 auf die Oberfläche des Werkstücks 6 (die
Schweißfuge)
auftrifft, um ein optimales Schweißergebnis zu erhalten.
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2 zeigt
in einer Schnittansicht schematisch den Laserschweißkopf 1 mit
in dessen Kassettenaufnahme 7 eingeschobener Kameraeinschubkassette 10 zum
Justieren des Laserschweißkopfes 1 mit
einem in einem beliebigen Wellenlängenbereich liegenden Justierlaserstrahl 5b.
Der Justierlaserstrahl 5b wird mit der Fokussierlinse 4 gebündelt. Der gebündelte Justierlaserstrahl 5b' trifft auf
die Schublade 11 auf und durchdringt diese im Bereich der Strahlformungsbohrungen 14,
so dass, wie 3 zeigt, drei abgeschattete,
fokussierte, schwache Einzelstrahlen 16 in Richtung des
Werkstücks 6 strahlen.
Die drei Einzelstrahlen 16, die sich normalerweise wieder
in einem Punkt treffen, werden durch den Strahlformungsbohrungen 14 zugeordnete
Kompensationslinsen (nicht dargestellt) so korrigiert, dass zusätzlich zu
der aufgrund der unterschiedlichen Wellenlänge bestehende Höhenunterschied
zwischen Justierlaserstrahl 5b und Schweißlaserstrahl 5a vergrößert wird.
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Die
drei im tatsächlichen
Fokusabstand des Schweißlaserstrahls
jetzt auf der Werkstückoberfläche erzeugten
Fokuspunkte (Justierlaserspots 17) der Einzelstrahlen 16 sind
auf der Werkstückoberfläche in deutlichem
Abstand als Dreieck angeordnet. Die Abstandslage der drei von den
Einzelstrahlen 16 erzeugten Justierlaserspots 17,
die der richtigen Einstellung des Abstands zwischen Laserschweißkopf und
Werkstück
dient, kann von einem Beobachter (im Gegensatz zur Einschätzung der
richtigen Größe eines
einzelnen Fokuspunktes) ohne Schwierigkeiten/subjektive messfehler
beurteilt werden. Die auf der Werkstückoberfläche erzeugten Justierlaserspots 17 werden
mit Hilfe der Umlenkspiegel 13 und der Beobachtungskamera 12 erfasst
und auf einem mit Markierungen 19 (Ax, Ay) versehenen Monitorbild 18 abgebildet.
Zur Justierung (Programmierung des Schweißvorgangs) wird der Laserschweißkopf 1 so eingestellt,
dass die auf dem Monitorbild 18 nach 4a abgebildeten,
im Dreieck angeordneten Justierlaserspots 17 im Bereich
der auf dem Monitorbild 18 vorgesehenen Abstandsmarken 19 (Ax,
Ay) liegen, die den richtigen Abstand zwischen Laserschweißkopf 1 und
Werkstück 6 und
damit die bestmögliche
Fokussierung des Schweißlaserstrahls 5a festlegen.
Darüber
hinaus kann mit der erfindungsgemäßen Kameraeinschubkassette 10 auch
die richtige Orientierung des Laserschweißkopfes 1 zur Stoßfuge überprüft und eingestellt
werden. Aus 4b ist ersichtlich, dass die
auf dem Monitorbild 18 abgebildeten Justierlaserspots 17 zwar
an dem vorgegebenen Abstandsmarken Ax, Ay zur Höhenlageneinstellung liegen,
aber unrund sind und eine unterschiedliche Helligkeit haben. Die
richtige Orientierung zwischen Laserschweißkopf 1 und Werkstück 6 ist
dann erreicht, wenn die Form der Justierlaserspots 17 – wie in 4a dargestellt – der Querschnittsform
der Strahlformungsbohrungen 14 entspricht und die Helligkeit
der Justierlaserspots übereinstimmt.
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In
der Zeichnung nicht dargestellt sind der Kameraeinschubkassette 10 zugeordnete,
einstellbare Leuchtdioden, die über
die Umlenkspiegel 13 die üblicherweise zu dunkle und
mithin nicht sichtbare Umgebung der Schweißfuge beleuchten. Die vom Justierlaserstrahl 5b erzeugten
Einzelstrahlen 16 sind hierfür zu schwach. Diese Leuchtdioden
sind jedoch so eingestellt, dass die Justierlaserspots 17 auf dem
Werkstück
und damit im Monitorbild 18 der Beobachtungskamera 12 ausreichend
gut sichtbar sind.
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- 1
- Laserschweißkopf
- 2
- Gehäuse
- 3
- Laserstrahleintrittsöffnung
- 4
- Fokussierlinse
- 5a
- Schweißlaserstrahl
- 5b
- Justierlaserstrahl
- 6
- Werkstück (Stoßfuge)
- 7
- Kassettenaufnahme
- 8
- Schutzglaskassette
- 9
- Leistungsmesskassette
- 10
- Kameraeinschubkassette
- 11
- Schublade
- 12
- Beobachtungskamera
- 13
- Umlenkspiegel
- 14
- Strahlformungsbohrungen
- 15
- Fokuspunkt
von Schweißlaserstrahl
- 16
- Einzelstrahlen
von Justierlaserstrahl
- 17
- Justierlaserspots,
Fokuspunkte von 16
- 18
- Monitorbild
von 12
- 19
- Markierung,
Abstandsmarke (Ax, Ay)