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Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungswerkzeug, insbesondere ein Schweißwerkzeug, mit den Merkmalen im Oberbegriff der Hauptansprüche.
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Ein solches Schweißwerkzeug und eine zugehörige Schweißeinrichtung sind aus der
DE 201 03 411 U1 bekannt. Die Erfassungseinrichtung für die zu verfolgende Bearbeitungsbahn oder Naht ist zusammen mit dem hier als Laserkopf ausgebildeten Schweißkopf an einer zweiten Stellachse und einem Schlitten angeordnet. Dieses Nahtverfolgungssystem ist uni-funktional. Für das Aufsuchen der Naht oder Bearbeitungsbahn in einer separaten Teaching-Fahrt vor dem Schweißprozess ist eine zusätzliche Sensorik vorhanden, die am Gestell des Laserschweißwerkzeugs montiert ist. Die Sensoren haben unterschiedliche Aufgaben und sind an unterschiedlichen Stellen angeordnet.
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Die
DE 10 2008 057 309 B3 befasst sich mit einem Verfahren und einer Laserbearbeitungsmaschine zum Ermitteln einer Dejustage einer Pulverzuführdüse der Laserbearbeitungsmaschine. Die Dejustage wird mittels einer durch Pulverauftragschweißen hergestellten Teststruktur geprüft. Hierdurch wird weder eine zu verfolgende Bearbeitungsbahn, noch die Lage eines Werkstücks detektiert.
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Aus der
DE 33 41 964 A1 ist eine Vorrichtung zur automatischen Führung von Werkzeugen bekannt, bei der Parallaxenfehler durch einen Sensorschlitten behoben werden sollen. Das vom Sensor gebildete Nahtverfolgungssystem ist uni-funktional.
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Die
DD 286 662 A5 zeigt ein ähnliches uni-funktionales Nahtverfolgungssystem mit einer optischen Profilabtastung von Schweißnahtfugen mittels eines CCD-Bildempfängers nach dem Lichtschnittprinzip.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Bearbeitungswerkzeug aufzuzeigen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die Multifunktionalität der Erfassungseinrichtung bietet die Möglichkeit, mit nur einer Erfassungseinrichtung, z. B. einem optischen Sensor, nicht nur die Bearbeitungsbahn zu verfolgen, sondern auch die Lage eines Werkstücks zu detektieren. Der Bauaufwand und Platzbedarf des Bearbeitungswerkzeugs kann deutlich verringert werden.
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Die Erfassungseinrichtung kann einen einzelnen Sensor, insbesondere einen taktilen oder optischen Sensor, aufweisen, der z. B. als Messkamera oder als Lichtschnittsensor ausgebildet ist. Eine solche Sensorik hat den Vorteil einer hohen Erfassungsgeschwindigkeit und großen Erfassungspräzision. Hierbei können u. U. mehrere Formmerkmale des Werkstücks, z. B. Abstand zwischen Sensor und Werkstück, Raumlage relevanter Werkstückkanten in den Raumrichtungen (x, y, z), Ausrichtung relevanter Werkstückkanten, Relativbeziehung von mehreren relevanten Werkstückstellen, insbesondere Kanten etc. erfasst werden. Dies schließt die Erfassung einer Relativbeziehung zwischen mehreren relevanten Werkstückstellen, z. B. Kanten, ein, wobei z. B. Abstände, gegenseitige Winkelausrichtungen oder dgl. detektiert werden können. Das beanspruchte Bearbeitungswerkzeug und die zugehörige Bearbeitungseinrichtung bieten den Vorteil einer schnellen Detektion der Werkstücklage, sodass innerhalb der vorgegebenen Taktzeit mehr Zeit für den eigentlichen Bearbeitungsprozess zur Verfügung steht. Durch die schnelle Erfassung und die gleichzeitige Erfassung mehrerer relevanter Werkstückstellen bzw. -bezüge kann außerdem die Zahl der Messstellen reduziert werden. Hierdurch reduzieren sich auch die Bewegungen der Handhabungseinrichtung, welche das Bearbeitungswerkzeug führt. Die Wege sind kürzer als beim Stand der Technik, wobei auch die Bewegungen schneller ausgeführt werden können. Optische Sensoren, insbesondere eine Messkamera oder ein Lichtschnittsensor, sind hierfür besonders vorteilhaft. Eine mitgeführte Beleuchtungseinrichtung ist günstig für die verschiedenen Erfassungsvorgänge, wobei die Präzision gesteigert wird und Störungen weitgehend ausgeschlossen werden.
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Eine Positioniereinrichtung für die Erfassungseinrichtung hat den Vorteil, dass die Messdaten schnell und sicher ausgewertet werden können. Dies ist insbesondere günstig, wenn die Erfassungseinrichtung an einer Stellachse angeordnet ist, um die relativen Messsignale in einen absoluten Raumbezug setzen zu können. Besonders einfach ist hierbei die Einnahme einer definierten Anschlagposition.
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Das Bearbeitungswerkzeug und die Bearbeitungseinrichtung lassen sich für unterschiedlichste Applikationen einsetzen. Besondere Vorteile bestehen beim Laserschweißen von Fahrzeugkarosserieteilen, insbesondere beim Laserschweißen von Dachblechen an Seitenwänden. Durch die Lageermittlung des Dachblechs können vor dem Schweißprozess evtl. Lagefehler erfasst und korrigiert werden. Zudem kann der Schweißprozess besser und genauer eingerichtet werden. Aus der Lagedetektion des Werkstücks, z. B. des Dachteils, kann in dieser Applikation wie auch in anderen Applikationen zusätzliche Information für die Bahnverfolgung beim anschließenden Bearbeitungsprozess gewonnen werden. Hierdurch kann die Ermittlung und Verfolgung der Bearbeitungsbahn schneller und genauer ablaufen. Ferner ist es möglich, bei Werkstücken mit hoher Formpräzision die Zahl der Messstellen und damit den Detektionsaufwand und den hierfür erforderlichen Zeiteinsatz zu reduzieren, indem Verläufe relevanter Werkstückstellen, z. B. Werkstückkanten, aufgenommen und extra poliert werden. Insbesondere ist es nicht mehr unbedingt erforderlich, den Anfang und das Ende einer Bearbeitungsbahn bei der Lagedetektion messtechnisch zu erfassen. Etwaige Lageabweichungen können auch aus der Extrapolierung ermittelt werden.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
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1: eine Bearbeitungseinrichtung mit einem Bearbeitungswerkzeug und einer Erfassungseinrichtung in Seitenansicht,
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2: eine Variante der Bearbeitungseinrichtung von 1 in Verbindung mit dem Anschweißen von Dachblechen an Seitenwänden,
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3: eine Draufsicht auf relevante Kanten eines Dachblechs und einer Seitenwand gemäß 2,
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4: eine abgebrochene und vergrößerte Stirnansicht eines Ausschnitts IV von 3,
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5: ein Bearbeitungswerkzeug in Rückansicht,
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6 und 7: das Bearbeitungswerkzeug von 5 in Front- und Stirnansicht und
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8 bis 10: verschiedene Darstellungen von Bildfenstern eines optischen Sensors und erfassten Werkstückbereichen.
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Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungswerkzeug (8). Sie betrifft ferner eine Bearbeitungseinrichtung (1) mit einem solchen Bearbeitungswerkzeug (8). Ferner befasst sich die Erfindung mit einem Bearbeitungs- und Erfassungsverfahren.
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Das Bearbeitungswerkzeug (8) kann in beliebiger Weise ausgebildet sein und für beliebige Bearbeitungsprozesse eingesetzt werden. Es kann z. B. mit einem energiereichen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl (21), arbeiten und kann als Laserbearbeitungswerkzeug ausgebildet sein. Mit einem Laserstrahl (21), der ggf. auch mehrfach vorhanden sein kann, können unterschiedliche Bearbeitungsprozesse ausgeführt werden, z. B. Schweißen, Löten, Trennen oder dgl. Ein energiereicher Strahl (21) kann alternativ ein Plasmastrahl sein. In weiterer Abwandlung kann das Bearbeitungswerkzeug (8) als ein anderes Schweißwerkzeug ausgebildet sein, welches z. B. mit einem Lichtbogen oder einer Kombination von Lichtbogen und Laserstrahl oder dgl. anderen Prozessen arbeitet.
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Die Bearbeitungseinrichtung (1) ist entsprechend der Ausbildung des Bearbeitungswerkzeugs (8) z. B. als Laserbearbeitungseinrichtung oder als Schweißeinrichtung, insbesondere als Laserschweißeinrichtung, ausgebildet.
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Das Bearbeitungswerkzeug (1) dient zum Bearbeiten von ein oder mehreren Werkstücken (2, 3). 1 und 2 zeigen hierfür verschiedene Ausführungsbeispiele für das Laserschweißen. Die nachfolgend beschriebenen Merkmale und Funktionen gelten bei entsprechender Anpassung auch für andere Bearbeitungsprozesse.
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Die Werkstücke (2, 3) können von beliebiger Art sein. Vorzugsweise handelt es sich um Karosseriebauteile. 2 zeigt in Verbindung mit 3 und 4 eine Ausführungsform, bei der ein als Dachteil (2) ausgebildetes Werkstück bei einem aus zwei Seitenwandteilen (3) bestehenden Werkstück aufgelegt und angeschweißt wird. Das Dachteil (2) ist ein Blechteil mit Querrändern (46) und Längsrändern (47). Die längs laufenden Randbereiche sind an einer Kante (40) nach unten abgewinkelt und bilden einen Dachflansch (37). Die Seitenwandteile (3) besitzen einen ähnlich stufenförmig ausgebildeten Randbereich mit einer Kante (39) und einem Wandflansch (36). Die Flansche (36, 37) liegen aufeinander auf und werden miteinander durch den Laserstrahl (21) an einer Bearbeitungsstelle (52) bzw. Schweißstelle verschweißt. Der Laserstrahl (21) wird dabei längs der Flansche (36, 37) entlang einer Bearbeitungsbahn (35) geführt, wobei eine durchgängige oder unterbrochene Schweißnaht, insbesondere eine Steppnaht, gesetzt werden kann. Wie 4 in einer Stirnansicht verdeutlicht, bilden die aufeinander aufliegenden Werkstücke (2, 3) im Kontakt- und Randbereich eine Rinne (38), in die der Laserstrahl (21) eintaucht.
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Das Bearbeitungswerkzeug (8) wird für den Bearbeitungsprozess von einer Handhabungseinrichtung (4) entlang der vorgegebenen und programmierten Bearbeitungsbahn (35) in Vorschubrichtung (51) bewegt. Die zu bearbeitenden Werkstücke (2, 3), insbesondere Blechteile, sind in geeigneter Weise relativ zueinander positioniert und können in der Position ggf. gespannt sein. Das Bearbeitungswerkzeug (8) besitzt daher eine nachfolgend erläuterte Erfassungseinrichtung (25), mit der die programmierten Bearbeitungsbahn (35) verfolgt und Abweichungen der Ist-Lage von der Soll-Lage ermittelt und korrigiert werden können. Die Erfassungseinrichtung (25) kann ferner zur Detektion der Werkstücklage, insbesondere des Dachteils (2), für den Bearbeitungsprozess benutzt werden, um grobe Lagenfehler vor dem Bearbeitungsprozess erkennen und die Werkstückposition ggf. korrigieren zu können.
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Die Handhabungseinrichtung (4) ist mehrachsig beweglich und programmierbar. Sie weist einen Manipulator (5) mit mehreren steuerbaren rotatorischen und/oder translatorischen Achsen auf, der auch eine Hand (6) besitzt, die ihrerseits eine oder mehrere Bewegungsachsen, insbesondere rotatorische Achsen, haben kann. In der gezeigten Ausführungsform ist der Manipulator (5) als Industrieroboter, insbesondere als Gelenkarmroboter mit sechs oder mehr rotatorischen Achsen und ggf. ein oder mehreren Zusatzachsen, insbesondere linearen Fahrachsen oder dgl. ausgebildet. Der Roboter (5) hat eine Roboterhand (6) mit zwei oder drei rotatorischen Handachsen. Die Handhabungseinrichtung (4) weist eine programmierbare Steuerung (7) auf, in der ein Bearbeitungs- und Bahnprogramm für den Bearbeitungsprozess sowie insbesondere die Bearbeitungsbahn (35) gespeichert sind.
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Das Bearbeitungswerkzeug (8) weist ein Gestell (9) mit einem Anschluss (10) zur Verbindung mit der Hand (6) auf. Hier kann ggf. eine Wechselkupplung zwischengeschaltet sein. Das Bearbeitungswerkzeug (8) weist einen Bearbeitungskopf (20) auf, der z. B. als Laserkopf, insbesondere als Laserschweißkopf, ausgebildet ist und der einen oder mehrere Laserstrahlen (21) emittiert. Der Bearbeitungskopf (20) ist über eine oder mehrere Stellachsen (11, 12) relativ zum Gestell (9) beweglich angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei quer zueinander ausgebildete Stellachsen (11, 12) vorhanden, wobei über eine erste Stellachse (11) die Höhenlage des Bearbeitungskopfes (20) über den Werkstücken (2, 3) gesteuert eingestellt werden kann. Über die Stellachse (11) und eine Andrückvorrichtung (24) kann auch ein Anpressdruck des Bearbeitungswerkzeugs (8) auf die Werkstücke (2, 3) aufgebracht werden. Mittels der quer zu der Stellachse (11) und quer zur Vorschubrichtung (51) ausgerichteten zweiten Stellachse (12) kann die Seitenlage des Bearbeitungskopfes (20) gegenüber dem Gestell (9) eingestellt werden. Hierüber kann der Laserstrahl (21) und sein Auftreffpunkt am Werkstück (2, 3) bzw. die hierdurch gebildete Bearbeitungsstelle (52) quer zur Vorschubrichtung (51) und zur verfolgten Bearbeitungsbahn (35) verstellt werden.
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Die Stellachsen (11, 12) sind z. B. lineare Achsen, können alternativ aber auch eine andere, insbesondere rotatorische, Kinematik haben. Die Stellachsen (11, 12) weisen z. B. linear bewegliche Schlitten (15, 16) und Stellantriebe (13, 14) auf, welche z. B. als Zylinder, Spindelantriebe, Zahnstangenantriebe oder dgl. ausgebildet sind. Die Stellantriebe (13, 14) sind mit einer Stellachsensteuerung (50) verbunden, die am Bearbeitungswerkzeug (8) angeordnet sein kann, sie kann alternativ in die externe Steuerung (7) integriert sein. Das Bearbeitungswerkzeug (8) kann mit der externen Steuerung (7) über eine oder mehrere Leitungen (49) zur Übermittlung von Steuersignalen verbunden sein. Über die Leitungen (49) können auch Betriebsmittel, z. B. elektrischer Strom, Kühlmittel oder dgl., dem Bearbeitungswerkzeug (8) zugeleitet werden.
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Der Bearbeitungskopf (20) ist in den gezeigten Ausführungsformen als Laserkopf ausgebildet und weist eine Strahlzuführung (22) auf, die als Leitungsverbindung, z. B. Lichtleitfaserkabel, zu einer externen Laserstrahlquelle oder als mitgeführte Laserstrahlquelle ausgebildet sein kann. Der Laserkopf (20) weist ferner eine Fokussiereinrichtung (23) zum Fokussieren des Laserstrahls (21) auf, die als Linsensystem und/oder Spiegelsystem ausgebildet sein kann. Die Fokussiereinrichtung (23) kann eine feste oder veränderliche Brennweite haben. Sie kann ferner mit einem Strahlablenksystem verbunden sein, welches z. B. als sog. Scanneroptik ausgebildet ist und ein oder mehrere bewegliche, insbesondere schwenkbare, Spiegel zur Strahlablenkung aufweist. Hierüber kann der emittierte Laserstrahl (21) in seiner Ausrichtung verändert und abgelenkt werden, wobei er z. B. seitliche und quer zur Vorschubrichtung (51) bzw. zur Bearbeitungsbahn (35) gerichtete Pendelbewegungen ausführt.
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Die Erfassungseinrichtung (25) ist in der vorerwähnten Weise multifunktional und dient einerseits der Erfassung und Verfolgung der Bearbeitungsbahn (35) und andererseits zur Detektion der Werkstücklage. Sie weist hierfür einen Sensor (26), insbesondere einen taktilen oder optischen Sensor, auf. Der Sensor (26) kann alle Detektionsfunktionen ausführen. Die Erfassungseinrichtung (25) kann einen einzigen Sensor (26) aufweisen. Die Erfassungseinrichtung (25) kann ferner eine Beleuchtungseinrichtung (30) haben, die mit dem Sensor (26) zusammenwirkt.
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Der Sensor (26) ist als Messkamera (27) oder als Lichtschnittsensor ausgebildet und weist eine Bildauswerteeinrichtung auf. Mit dieser können die in ihrem Sichtfeld (28) befindlichen charakteristischen Werkstückstellen, insbesondere die Werkstückkanten oder -ränder (39, 40, 47) erkannt und vermessen werden. Die Messkamera (27) oder der Lichtschnittsensor kann hierfür einen CCD-Chip oder dgl. anderes geeignetes optisches Erfassungsmittel mit einer hochauflösenden Pixelmatrix oder dgl. haben.
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Die Erfassungseinrichtung (25) ist am Bearbeitungskopf (20) angeordnet oder in definierter Weise zugeordnet. Wie 6 verdeutlicht, ist der Sensor (26) bzw. die Messkamera (27) am Laserkopf (20) angeordnet und blickt in den Strahlengang des Laserstrahls (21). Die Einkopplung in den Strahlengang kann mittels eines teildurchlässigen Spiegels (29) erfolgen, an dem der zugeführte Laserstrahl (21) umgelenkt wird und durch den der Laser (26) bzw. die Messkamera (27) zur Bearbeitungsstelle (52) blickt.
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Der Bearbeitungskopf (20) und die Erfassungseinrichtung (25) sind gemeinsam beweglich am Gestell (9) angeordnet und befinden sich z. B. gemeinsam am zweiten Schlitten (16), der wiederum am ersten Schlitten (15) quer beweglich gelagert ist. Der Bearbeitungskopf (20) und die Erfassungseinrichtung (25) sind dadurch gemeinsam an einer Stellachse (11, 12), im vorliegenden Fall gemeinsam an der letzten Stellachse (12) angeordnet.
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In einer nicht dargestellten Variante kann nur eine Stellachse (11) und nur ein Schlitten (15) nebst Stellantrieb (13) vorhanden sein, wobei der Bearbeitungskopf (20) und die Erfassungseinrichtung (25) gemeinsam an dieser Stellachse (11) angeordnet sind. In einer weiteren Variante können drei oder mehr Stellachsen vorhanden sein, die eine rotatorische und/oder translatorische Kinematik haben.
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Die Erfassungseinrichtung (25), insbesondere deren Sensor (26) bzw. Messkamera (27), ist signaltechnisch mit der z. B. am Gestell (9) angeordneten Stellachsensteuerung (50) verbunden. Eine signaltechnische Verbindung besteht auch mit der externen Steuerung (7) der Handhabungseinrichtung (1).
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Die Beleuchtungseinrichtung (30) der Erfassungseinrichtung (25) ist dem Sensor (26) bzw. der Messkamera (27) in einer definierten Position und Ausrichtung zugeordnet. Sie befindet sich ebenfalls an der gleichen Stellachse (11, 12) und am gleichen Schlitten (15, 16) wie der Bearbeitungskopf (20). Die Beleuchtungseinrichtung (30) ist auf das Werkstück (2, 3) und insbesondere auf den Bereich um die Bearbeitungsstelle (52) gerichtet. Die Beleuchtungseinrichtung (30) ist dabei distanziert vom Sensor (26) bzw. von der Messkamera (27) angeordnet und schräg zum Werkstück (2, 3) ausgerichtet.
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Die Beleuchtungseinrichtung (30) kann unterschiedlich ausgebildet sein. Sie emittiert ein diffuses oder ein gerichtetes Licht mit dem die Erfassungseinrichtung (25) relevante Werkstückbereiche, insbesondere Werkstückkonturen erkennen kann. Sie kann z. B. einen oder mehrere Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, emittieren.
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In den gezeigten Ausführungsformen von 5 und 6 emittiert die Beleuchtungseinrichtung (30) mehrere schräg zueinander ausgerichtete und z. B. konvergierende Lichtstrahlen, die mehrere voneinander distanzierte, detektierbare Lichtstreifen (33, 34) an der Auftreffstelle am Werkstück (2, 3) erzeugen. Die Lichtstreifen (33, 34) können alternativ parallel ausgerichtet sein. Sie befinden sich im Sichtfeld (28) des Sensors (26) bzw. der Messkamera (27) und werden von dieser optisch erfasst. Die Beleuchtungseinrichtung (30) weist mehrere räumlich getrennt voneinander angeordnete und schräg sowie mit unterschiedlichen Winkeln zum Werkstück (2, 3) ausgerichtete Leuchtelemente (31, 32) auf, die z. B. über einen Ausleger am zweiten Schlitten (16) angeordnet sind und die z. B. als Laserdioden ausgebildet sind, welche einen querliegenden Lichtstrahl erzeugen. Die Leuchtelemente (31, 32) können einen einzelnen Lichtstrahl oder mehrere parallele Lichtstrahlen mit definierten Abständen emittieren. Gemäß 6 sind die Lichtstreifen (33, 34) vor und hinter der Auftreffstelle (52) des Laserstrahls am Werkstück (2, 3), insbesondere am Dachflansch (37), angeordnet. Die Beleuchtungseinrichtung (30) ist für Vorwärts- und Rückwärtsfahrten des Bearbeitungswerkzeugs (8) geeignet.
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In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Beleuchtungseinrichtung in anderer Weise, z. B. ringförmig, ausgebildet sein und kann auch an anderer Stelle angeordnet sein, z. B. am Bearbeitungskopf (20) mit konzentrischer Ausrichtung zum emittierten Laserstrahl (21). Ein solcher Leuchtring kann aus mehreren LED-Leuchtelementen oder dgl. anderen Leuchtmitteln bestehen. Bei dieser Variante wird die Beleuchtungseinrichtung ebenfalls mit dem Bearbeitungswerkzeug (8) mitgeführt. In einer weiteren Variante kann eine Beleuchtungseinrichtung extern und stationär ausgerichtet sein und kann aus mehreren Leuchtelementen oder Lampen bestehen, die das oder die Werkstücke (2, 3) zumindest im Bearbeitungsbereich beleuchten. Durch mehrere distanziert voneinander angeordnete Leuchtelemente mit unterschiedlichen Einstrahlrichtungen zum Werkstück (2, 3) kann ggf. eine schattenfreie Beleuchtung erzielt werden.
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4, 6 und 7 verdeutlichen auch die Anordnung der Andrückeinrichtung (24). Diese ist an der ersten Stellachse (11) bzw. am ersten Schlitten (15) angeordnet und ist z. B. als frei drehbare und schräg ausgerichtete Andrückrolle gestaltet. Sie drückt neben der Bearbeitungsstelle (52) auf die Werkstücke (2, 3), insbesondere deren Flansche (36, 37). Alternativ kann die Andrückvorrichtung (24) mehrere Andrückelemente, z. B. Andrückrollen, aufweisen, die die Werkstücke (2, 3), insbesondere deren Flansche (36, 37) zwischen sich einspannen und von verschiedenen Seiten dagegen drücken. Ferner kann die Andrückvorrichtung (24) auch einen Andrückfinger oder ein anderes Andrückelement aufweisen. An der ersten Stellachse (11) bzw. am ersten Schlitten (15) kann außerdem weitere Zusatzausrüstung für den Bearbeitungsprozess angeordnet sein. Dies kann z. B. eine Schutzgaseinrichtung (48), eine Zuführeinrichtung für ein Schweißhilfsmittel, z. B. Pulver, ein Zusatzdraht oder dgl., sein.
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8 bis 10 verdeutlichen die Funktion der Erfassungseinrichtung (25). Die Bearbeitungsbahn (35) kann unmittelbar oder mittelbar über eine repräsentative Werkstückkontur, z. B. über den Dach- oder Flanschrand (47), erfasst werden. Wenn an der Erfassungsstelle, insbesondere an einer Kante (39, 40, 47), ein Höhenunterschied vorhanden ist, werden der oder die schräg zur Erfassungsstelle gerichteten und querliegenden Lichtstrahlen gebrochen, wobei durch den Höhenunterschied eine optisch erkennbare Stufe (41) entsteht. 8 verdeutlicht dies bei der Bahn -oder Nahtverfolgung. Beim Lichtschnittverfahren können die Stufen (41) von mehreren parallelen Lichtstrahlen bzw. Lichtstreifen (33, 34) am Werkstück erfasst und vermessen werden. Über Triangulation kann einerseits aus dem Lichtstreifenabstand und/oder der Lichtstreifenposition die Höhe der Beleuchtungseinrichtung (30) und des hiermit gekoppelten Sensors (26) bzw. der Messkamera (27) sowie des Bearbeitungskopfes (20) über dem Werkstück (2, 3) ermittelt werden. Ferner kann die seitliche Position und auch die Erstreckung der Bearbeitungsbahn (35) oder der repräsentativen Werkstückstelle, insbesondere Kante (47), detektiert werden. Hieraus kann für die Bahnverfolgung eine etwaige Abweichung der Ist-Lage der Bearbeitungsbahn (35) von der programmierten Soll-Lage ermittelt und über die Stellachse(n) (11, 12) und die Stellachsensteuerung (50) im Bearbeitungsprozess korrigiert werden. Über einen geeigneten Stellantrieb (13) der ersten Stellachse (11), z. B. gegeneinander wirkende Zylinder, kann außerdem ein vorgegebener Anpressdruck eingestellt und das Werkzeuggewicht ggf. kompensiert werden.
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9 und 10 verdeutlichen die Funktion der Erfassungseinrichtung (25) bei einer Ermittlung der Werkstückposition, insbesondere der Relativlage des Dachteils (2) gegenüber den Seitenwandteilen (3). Für diese Funktion weist das Bearbeitungswerkzeug (8) eine Positioniereinrichtung (17) für die Erfassungseinrichtung (25) auf, mit der die Erfassungseinrichtung (25) für die Lagedetektion eines Werkstücks (2, 3) eine definierte oder erfassbare Relativposition zum Gestell (9) einnimmt. Die Positioniereinrichtung (17) kann auch zur Einnahme einer Nullposition der Erfassungseinrichtung (25) z. B. für Kalibrierzwecke oder dgl. benutzt werden.
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Die Positioniereinrichtung (17) kann unterschiedlich ausgebildet sein. Sie kann einerseits die Stellachse(n) (11, 12) der Erfassungseinrichtung (25) auf einen Anschlag und damit in eine vorgegebene und definierte Position fahren. Hierdurch besteht ein bekannter und definierter Bezug zwischen dem eigenen Koordinatensystem des Sensors (26) bzw. der Messkamera (27), auf das die Messergebnisse bezogen sind und einem übergeordneten stationären Koordinatensystem, welches z. B. ein Raum- oder World-Koordinatensystem der Handhabungseinrichtung (4) oder der Bearbeitungsstation sein kann. In diesem übergeordneten Koordinatensystem ist die Position der Hand (6) und damit auch die Position des Bearbeitungswerkzeugs (8) sowie des Koordinatensystems der Erfassungseinrichtung (25) bzw. ihres Sensors (26) oder der Messkamera (27) bekannt. Die Messergebnisse der Erfassungseinrichtung (25) können an die externe Steuerung (7) gemeldet und über die bekannte Lagezuordnung als Absolutwerte im Raum erfasst werden.
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In einer anderen Variante kann die Positioniereinrichtung (17) eine oder mehrere Messeinrichtungen (18, 19) an der oder den Stellachse(n) (11, 12) zur Ermittlung der Relativlage der Erfassungseinrichtung (25) gegenüber dem Gestell (9) aufweisen. Über die Messwerte dieser Messeinrichtungen (18, 19) kann ebenfalls ein definierter Lagenbezug zwischen dem Koordinatensystem der Erfassungseinrichtung (25) und dem übergeordneten Koordinatensystem hergestellt werden.
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Die Stellachse(n) (11, 12) kann/können autark über die Stellachsensteuerung (50) gesteuert werden. Dies kann insbesondere bei der Nahtverfolgung im Bearbeitungsprozess der Fall sein. Der Bearbeitungskopf (20) kann hierbei über die z. B. zweite Stellachse (12) entlang der Ist-Lage der Bearbeitungsbahn (35) geführt werden. Die Stellachsensteuerung (50) kann z. B. am Gestell (9) angeordnet sein. Zur Bildung der Positioniereinrichtung (17) kann bei der ersten vorgenannten Variante der Anschlagsteuerung ein Softwaremodul in der Stellachsensteuerung (50) vorhanden sein, welches für die Lagenermittlung des Werkstücks (2, 3) die Anschlagfahrt veranlasst, überwacht und an die Steuerung (7) zur Auswertung der Messergebnisse der Erfassungseinrichtung (25) meldet.
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Zur Lagedetektion eines Werkstücks (2), z. B. eines Dachteils, können mit dem Bearbeitungswerkzeug (8) mehrere repräsentative Erfassungsstellen (42, 43, 44, 45) am Werkstück (2) angefahren und in den Sichtbereich (28) des Sensors (26) bzw. der Messkamera (27) gebracht werden. Die Zahl und Lage der Erfassungsstellen (42, 43, 44, 45) hängt vom Bearbeitungsprozess ab. Bei der gezeigten Ausführungsform zum Anschweißen eines Dachteils (2) sind zwei Schweißnähte erforderlich, für die jeweils eine den Nahtbeginn repräsentierende Erfassungsstelle (42, 43) angefahren wird. Ferner kann mindestens eine weitere vom Nahtbeginn distanzierte Erfassungsstelle (45) im Bahnbereich angefahren werden, um den Bahn- und Nahtverlauf bzw. den Verlauf des Werkstückrandes (47) zu detektieren. Wenn die Werkstückmaße eng toleriert sind, kann eine einzelne solche Erfassungsstelle (45) genügen, aus der über Extrapolation auf den weiteren Naht- oder Kantenverlauf bis zu dessen Ende geschlossen werden kann. Wenn die Werkstückränder (47) an beiden Längsseiten mit engen Toleranzen parallel verlaufen, kann ggf. auf eine weitere Erfassungsstelle (45) an der anderen Werkstückseite verzichtet werden.
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Mit der Erfassungseinrichtung (25) können nicht nur die Lagen der relevanten Werkstückstellen, insbesondere der Querkanten (46) und Längskanten (47), sondern auch die Relativlage des einen Werkstücks (2), z. B. des Dachteils, gegenüber dem anderen Werkstück (3), z. B. den beiden Seitenwandteilen, detektiert werden. Hierbei kann z. B. der Verlauf und Abstand der repräsentativen Kanten (39, 40) der Flansche (36, 37) erfasst werden. Auch die absolute Lage und/oder Orientierung eines Werkstücks (2, 3) im Raum kann detektiert werden.
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9 zeigt diesen letztgenannten Fall. An den besagten repräsentativen Kanten (39, 40) bestehen Höhenänderungen in den Werkstücken (2, 3), die sich als Stufen (41) in den quer dazu verlaufenden Lichtstreifen (33, 34) äußern. Am Boden der Rinne (38) und am dortigen Dachflansch (37) haben die Lichtstreifen (33, 34) einen anderen Verlauf als an den höherliegenden Werkstückbereichen, wobei aus dem Abstand zwischen diesen Streifenbereichen auf die Rinnentiefe geschlossen werden kann. Innerhalb der Rinne (38) kann außerdem der längs laufende Dachrand (47) bzw. die Kante (40) des Dachflansches detektiert werden, was der Übersicht halber in 9 nicht dargestellt ist. Zur Lageermittlung des Werkstücks, insbesondere Dachteils (2), an dessen Längsrändern können wahlweise die Flanschkanten (40) oder die Kanten (39, 40) oder alle zusammen detektiert und vermessen werden. Desgleichen wird auch der Querrand (46) des Dachteils (2) detektiert und vermessen.
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10 zeigt den Fall eines Sichtfelds (28), das so groß bemessen ist, dass hier auch Eckbereiche (44) eines Werkstücks oder Dachteils (2) sowie Quer- und Längskanten (46, 47) in einem Bild erfasst und vermessen werden können. 10 verdeutlicht außerdem den Fall einer anderen und umfassenden Ausleuchtung des Bildbereichs mit einer entsprechenden anderen oder ggf. auch zusätzlichen Beleuchtungseinrichtung. Hierbei sind die Kanten (46, 47) als Hell-/Dunkel-Unterschiede erkennbar und können lokalisiert und vermessen werden. Hierbei kann ggf. auch das andere Werkstück (3) zusätzlich detektiert werden, z. B. bei Existenz einer relativ scharfen und gut sichtbaren Kante (39) eines Wandflansches.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es außerdem möglich, zur gleichzeitigen Erfassung von Quer- und Längskanten (46, 47) die vorbeschriebene Lichtschnitttechnik einzusetzen und die schrägen Lichtstrahlen derart auf den Eckbereich (44) zu richten, dass der oder die ersten Lichtstreifen (33) am Längsrand (47) oder ggf. auch an den längs laufenden Kanten (39, 40) gebrochen werden und der oder die anderen Lichtstreifen (34) an der Querkante (46) gebrochen werden. Der Streifenverlauf ist dabei ein anderer als in 9. In 9 waren die Lichtstrahlen im wesentlichen längs der Vorschubrichtung (51) bzw. der Kanten (39, 40, 47) ausgerichtet. Bei der letztgenannten Eckenerfassung sind die Lichtstrahlen in mehreren Raumrichtungen schräg bzw. windschief auf die Kanten (39, 40, 46, 47) gerichtet.
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Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen Ausführungsform sind in verschiedener Weise möglich. Die Zahl und Anordnung der Leuchtelemente (31, 32) kann variieren. Statt der zwei vor und hinter die Bearbeitungsstelle (52) zielenden Leuchtelemente (30, 31) kann nur ein einziges Leuchtelement mit Schrägausrichtung zum Laserstrahl (21) und zum Werkstück (2, 3) vorhanden oder nur eines der Leuchtelemente (30, 31) in Betrieb sein. In weiterer Abwandlung können drei oder mehr Leuchtelemente vorhanden sein. Die besagten Leuchtelemente können jeweils einen einzelnen oder mehrere parallele Lichtstrahlen emittieren. In 8 und 9 sind der Einfachheit halber die Lichtstreifen (33, 34) der beiden Leuchtelemente (30, 31) als Einzelstreifen dargestellt. Bei einer mehrteiligen Strahlenemission werden sie jeweils von mehreren eng benachbarten parallelen Streifenelementen gebildet. Ferner kann die Zahl, Ausbildung und Anordnung der Stellachsen (11, 12) variieren. In einer besonderen einfachen Ausführungsform kann der Schlitten (15) nur mit einer Feder einseitig belastet sein, wobei seine Anschlagstellung durch eine entsprechende Bewegung der Handhabungseinrichtung (1) angefahren wird. Ein Bearbeitungswerkzeug (8) kann auch mehr als zwei Stellachsen aufweisen. Nicht jede Stellachse muss einen steuerbaren Stellantrieb aufweisen. Zur Definition oder Erfassung der Relativposition der Erfassungseinrichtung (25) gegenüber dem Gestell (9) kann eine andere Positioniereinrichtung (17) vorgesehen sein. Diese kann z. B. für eine Stellachse mit einem Anschlag und für eine andere Stellachse mit einer Messeinrichtung arbeiten. Ferner kann auf andere Weise die besagte Relativposition ermittelt werden, z. B. durch Referenzierung an einem raumfesten Referenzelement mit genau bekannter räumlicher Position. Wenn dieses mit der Erfassungseinrichtung (25) erfasst und vermessen wird, kann hieraus auf die Relativposition der Erfassungseinrichtung (25) gegenüber dem Gestell (9) und dem übergeordneten Koordinatensystem geschlossen werden.
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In einer weiteren nicht dargestellten Abwandlung kann die Erfassungseinrichtung (25) mit dem Sensor (26, 27) und der Beleuchtungseinrichtung (30) getrennt vom Bearbeitungskopf (20) angeordnet sein und sich z. B. am Gestell (9) oder am ersten Schlitten (15) befinden. Bei einer gestellfesten Anordnung kann die Werkstücklage mit direktem Bezug zu einem übergeordneten Koordinatensystem detektiert werden. Auch die Lage der Bearbeitungsbahn (35) kann bei der Bahnverfolgung als Absolutlage in dem übergeordneten Koordinatensystem detektiert werden, wobei die Relativposition des Bearbeitungskopfes (20) und des ggf. emittierten energiereichen Strahls (21) durch eine oder mehrere Messeinrichtungen (18, 19) an der oder den Stellachse(n) (11, 12) detektiert wird. In einem solchen Fall kann auf eine autarke Stellachsensteuerung (50) ggf. verzichtet werden, wobei die externe Steuerung (7) die Stellachse(n) (11, 12) beaufschlagt und bei detektierten Bahnabweichungen den Bearbeitungskopf (20) entsprechend nachführt. In den gezeigten Ausführungsformen kann eine Relativvermessung durch die feste Ortsbeziehung zwischen Erfassungseinrichtung (25) und Bearbeitungskopf (20) stattfinden, wobei die Erfassungseinrichtung (25) mit ihrem Sichtfenster (28) auf eine definierte Lage der Bearbeitungsstelle (52) im Sichtfenster (28) ausgerichtet ist und zu Nachführzwecken ermittelt, ob die Bearbeitungsbahn (35) bzw. die repräsentative Kante (47) sich an der vorgegebenen Position relativ zum Arbeitspunkt, insbesondere Bildzentrum, befindet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bearbeitungseinrichtung, Schweißeinrichtung
- 2
- Werkstück, Dachteil
- 3
- Werkstück, Seitenwand
- 4
- Handhabungseinrichtung
- 5
- Manipulator, Roboter
- 6
- Hand
- 7
- Steuerung
- 8
- Bearbeitungswerkzeug, Schweißwerkzeug
- 9
- Gestell
- 10
- Anschluss
- 11
- Stellachse
- 12
- Stellachse
- 13
- Stellantrieb
- 14
- Stellantrieb
- 15
- Schlitten
- 16
- Schlitten
- 17
- Positioniereinrichtung
- 18
- Messeinrichtung, Wegmesser
- 19
- Messeinrichtung, Wegmesser
- 20
- Bearbeitungskopf, Schweißkopf, Laserkopf
- 21
- Laserstrahl
- 22
- Strahlzuführung
- 23
- Fokussiereinrichtung
- 24
- Andrückvorrichtung, Andrückrolle
- 25
- Erfassungseinrichtung
- 26
- Sensor optisch
- 27
- Messkamera
- 28
- Sichtfeld
- 29
- Spiegel
- 30
- Beleuchtungseinrichtung
- 31
- Leuchtelement, Laserdiode
- 32
- Leuchtelement, Laserdiode
- 33
- Lichtstreifen
- 34
- Lichtstreifen
- 35
- Bearbeitungsbahn, Naht, Schweißbahn
- 36
- Flansch, Wandflansch
- 37
- Flansch, Dachflansch
- 38
- Rinne
- 39
- Kante von Wandflansch
- 40
- Kante von Dachflansch
- 41
- Stufe
- 42
- Erfassungsstelle, Nahtbeginn
- 43
- Erfassungsstelle, Nahtbeginn
- 44
- Erfassungsstelle, Eckbereich
- 45
- Erfassungsstelle, Bahnbereich
- 46
- Werkstückrand, Dachrand quer
- 47
- Werkstückrand, Dachrand längs
- 48
- Schutzgaseinrichtung
- 49
- Leitung
- 50
- Stellachsensteuerung
- 51
- Vorschubrichtung
- 52
- Bearbeitungsstelle, Schweißstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20103411 U1 [0002]
- DE 102008057309 B3 [0003]
- DE 3341964 A1 [0004]
- DD 286662 A5 [0005]
