DE202012012817U1 - Multi-axis robot for laser machining of workpieces - Google Patents
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Abstract
Mehrachsroboter (1) zur Laserbearbeitung von Werkstücken mit einer ersten Handachse (12), die eine erste Drehachse (11) aufweist und einer senkrecht dazu orientierten zweiten Handachse (14), die eine zweite Drehachse (13) aufweist sowie einen an der zweiten Handachse (14) befestigten, um die zweite Drehachse (13) drehbaren Laserschneidkopf (2) mit einer eine optische Achse (24) aufweisende Fokussieroptik (23) zum Fokussieren eines durch den Laserschneidkopf (2) geführten Laserstrahls (31) auf ein Werkstück (4), dadurch gekennzeichnet, dass am Laserschneidkopf (2) ein Abstandssensor (22) vorgesehen ist und ein Linearantrieb (25) vorhanden ist, der mit dem Abstandssensor (22) in Verbindung steht, sodass die Fokussieroptik (23) entlang der optischen Achse (24) verschiebbar ist, um den Fokuspunkt (34) auch bei Abstandsänderungen des Laserschneidkopfs (2) zum Werkstück (4) auf dem Werkstück (4) zu halten.Multi-axis robot (1) for laser processing of workpieces with a first hand axis (12), which has a first axis of rotation (11) and a second hand axis (14) oriented perpendicular thereto, which has a second axis of rotation (13) and one on the second hand axis ( 14) attached laser cutting head (2) rotatable about the second axis of rotation (13) with focusing optics (23) having an optical axis (24) for focusing a laser beam (31) guided through the laser cutting head (2) onto a workpiece (4), characterized in that a distance sensor (22) is provided on the laser cutting head (2) and a linear drive (25) is present which is connected to the distance sensor (22) so that the focusing optics (23) can be displaced along the optical axis (24) is to keep the focal point (34) on the workpiece (4) even when the distance between the laser cutting head (2) and the workpiece (4) changes.
Description
Die Erfindung betrifft einen Mehrachsroboter zur Laserbearbeitung von Werkstücken, insbesondere einen Mehrachsroboter zum Führen eines Werkzeugs mit dem ein fokussierter Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet wird. The invention relates to a multi-axis robot for laser machining of workpieces, in particular a multi-axis robot for guiding a tool with which a focused laser beam is directed onto a workpiece.
Da große Werkstücke bei einer zwei- oder dreidimensionalen Bearbeitung schlecht bewegt werden können, ist es sinnvoll die Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug durch eine Bewegung des Werkzeugs zu realisieren. Aufgrund der Werkstückgröße werden zur Ausführung dieser Bewegung häufig Portalmaschinen oder Mehrachsroboter eingesetzt. Since large workpieces can be moved poorly in a two- or three-dimensional machining, it makes sense to realize the relative movement between the workpiece and the tool by a movement of the tool. Due to the size of the workpieces, portal machines or multi-axis robots are often used to carry out this movement.
Für die Programmierung einer Werkzeugbahn und einer entsprechenden Ausrichtung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück ist bezogen auf das Werkzeug ein sogenannter Tool-Center-Point (TCP) festgelegt, mit dem die Wirkungsstelle des Werkzeugs definiert wird. An dieser Wirkungsstelle wird das Werkzeug entlang der programmierten Werkzeugbahn über das Werkstück geführt. Als Wirkungsstelle kann beispielsweise die Spitze einer Schweißelektrode, eine Werkzeugschneide oder ein Punkt (z. B. der Fokuspunkt) in einem Laserstrahl definiert werden. Diese Wirkungsstelle wird außerdem als ein Umorientierungspunkt verwendet, um den das Werkzeug von einem Mehrachsroboter oder von einem anderen Bewegungssystem gegenüber dem Werkstück im dreidimensionalen Raum ausgerichtet wird. For programming a tool path and a corresponding orientation of the tool relative to the workpiece, a so-called Tool Center Point (TCP) is defined with respect to the tool, with which the action point of the tool is defined. At this point of action, the tool is guided along the programmed tool path over the workpiece. For example, the tip of a welding electrode, a cutting edge or a point (eg the focal point) in a laser beam can be defined as the point of action. This point of action is also used as a reorientation point around which the tool is aligned in three-dimensional space by a multi-axis robot or by another movement system relative to the workpiece.
Für die dreidimensionale Bewegung im Raum werden häufig 5- oder 6-Achs-Roboter eingesetzt, bei denen die von der Aufstellbasis des Roboters gezählten ersten drei Achsen als Hauptachsen und die in Richtung des Werkstücks folgenden zwei oder drei Achsen als Hand- oder Nebenachsen bezeichnet werden. Zum Erreichen einer hohen mechanischen Stabilität sind die Hauptachsen in der Regel sehr stabil und damit massiv ausgeführt. Durch die großen bewegten Massen und die dementsprechend dimensionierten Lager der Hauptachsen entsteht bei Bewegung der Roboterarme um diese Achsen ein großes Masseträgheitsmoment und ein erhöhter Reibungswiderstand, der mit entsprechend dimensionierten Antrieben überwunden werden muss. Aus diesem Grund lässt sich mit den Hauptachsen auch nur eine relativ geringe Positioniergenauigkeit bei begrenzter Bearbeitungsgeschwindigkeit erreichen. 5-axis or 6-axis robots are often used for the three-dimensional movement in space, in which the first three axes counted by the positioning base of the robot are referred to as main axes and the two or three axes following in the direction of the workpiece are referred to as manual or secondary axes , To achieve a high mechanical stability, the main axes are usually very stable and thus executed solid. As a result of the large moving masses and the correspondingly dimensioned bearings of the main axes, the movement of the robot arms about these axes produces a large mass moment of inertia and increased frictional resistance, which must be overcome with correspondingly dimensioned drives. For this reason, only a relatively low positioning accuracy can be achieved with a limited machining speed with the main axes.
An Werkstücken, die eine große Anzahl sehr kleiner zu bearbeitender Konturen aufweisen, ist die Werkzeugbewegung mit sehr häufigen Richtungsänderungen verbunden. Dadurch führt der Roboter viele beschleunigte Bewegungen aus, die zu einem deutlichen Anstieg der Bearbeitungszeit führen. Um dennoch kleine Konturen in einer ökonomisch vertretbaren Bearbeitungszeit mit hoher Positioniergenauigkeit herzustellen, sind bereits Lösungen bekannt, mit denen diese Nachteile reduziert werden können. Dazu werden Verfahren vorgeschlagen, bei denen die zur Bewegung des Werkzeugs erforderliche Anzahl von Roboterachsen auf ein Minimum reduziert wird. On workpieces that have a large number of very small contours to be machined, the tool movement is associated with very frequent changes in direction. As a result, the robot performs many accelerated movements, resulting in a significant increase in processing time. In order nevertheless to produce small contours in an economically acceptable machining time with high positioning accuracy, solutions are already known with which these disadvantages can be reduced. For this purpose, methods are proposed in which the number of robot axes required for moving the tool is reduced to a minimum.
In einem in der Patentschrift
Anhand des Schneidens eines kreisrunden Lochs wird beschrieben, dass das Schneidwerkzeug durch Verwendung aller Roboterachsen zunächst gegenüber der Kontur des Lochs positioniert wird. Das Schneidwerkzeug wird dabei möglichst senkrecht zur Werkstückoberfläche, genau über dem Mittelpunkt des Lochs ausgerichtet. Zum Erzeugen des Lochs werden in dieser Position alle Hauptachsen des Roboters fixiert. Anschließend wird die Schnittbewegung ausschließlich mit den Handachsen ausgeführt. Das Schneidwerkzeug wird dazu entlang des Lochradius um den Mittelpunkt des Lochs ausgelenkt, wobei hier der Umorientierungspunkt des Schneidwerkzeugs nicht wie zuvor beschrieben an der Wirkungsstelle (TCP) des Werkzeugs liegt, sondern auf die Handachsen verschoben wird. Ein entsprechend verschobener Umorientierungspunkt ermöglicht dann eine über mindestens zwei Handachsen ausgeführte Pendelbewegung, die durch eine Auslenkung des Schneidwerkzeugs um den Umorientierungspunkt erfolgen kann. By cutting a circular hole it is described that the cutting tool is first positioned by using all the robot axes against the contour of the hole. The cutting tool is aligned as perpendicular as possible to the workpiece surface, just above the center of the hole. To create the hole, all main axes of the robot are fixed in this position. Subsequently, the cutting movement is carried out exclusively with the hand axes. For this purpose, the cutting tool is deflected along the hole radius around the center of the hole, in which case the reorientation point of the cutting tool does not lie, as described above, at the action point (TCP) of the tool, but is displaced onto the hand axes. A correspondingly shifted reorientation point then makes possible a pendulum movement executed via at least two hand axes, which can take place by a deflection of the cutting tool about the reorientation point.
Aufgrund der Pendelbewegung um den Umorientierungspunkt ändert sich beim Auslenken des Werkzeugs der Abstand zwischen der Wirkungsstelle des Werkzeugs und der Werkstückoberfläche. Mit zunehmender Größe einer Kontur nimmt auch der Abstand zu. Da hier ausschließlich kreisrunde Löcher in ebenen Werkstücken hergestellt werden, bleibt der Abstand, nach dem Auslenken des Werkzeugs vom Mittelpunkt des Lochs auf den Lochradius, beim Schneiden entlang des Lochradius konstant. Aus diesem Grund ist es möglich, den Abstand bereits beim Positionieren des Werkzeugs mit den Hauptachsen so einzustellen, dass das Werkzeug nach dem Auslenken auf den Lochradius den gewünschten Abstand zur Kontur aufweist. Due to the pendulum movement around the reorientation point, the distance between the point of action of the tool and the workpiece surface changes when the tool is deflected. As the size of a contour increases, so does the distance. Since only circular holes in flat workpieces are produced here, the distance, after the deflection of the tool from the center of the hole to the hole radius, remains constant when cutting along the hole radius. For this reason, it is possible to set the distance already when positioning the tool with the main axes so that the tool has the desired distance from the contour after the deflection to the hole radius.
Bei einer Bearbeitung von Konturen die keinen kreisrunden Verlauf aufweisen, kann diese Änderung des Abstands nicht mehr so einfach ausgeglichen werden. Weiterhin ist zu beachten, dass der Abstand besonders große Werte erreichen kann, wenn anstatt von ebenen Werkstücken unebene Werkstücke mit Höhenuterschieden bearbeitet werden oder wenn bei der Aufnahme des Werkzeugs an einer der mindestens zwei Handachsen ein Abstand zwischen Werkzeug und der anderen der beiden Handachsen besteht oder wenn es die Werkstückform bzw. die Bauweise des Mehrachsroboters nicht zulässt, das Werkzeug vor der Bearbeitung senkrecht über dem Mittelpunkt der Kontur zu positionieren. When editing contours that do not have a circular course, this can Changing the distance can not be easily compensated. Furthermore, it should be noted that the distance can reach particularly high values if instead of flat workpieces uneven workpieces are processed with Höhenuterschieden or if there is a distance between the tool and the other of the two hand axes when recording the tool on one of the at least two hand axes or if the workpiece shape or the design of the multi-axis robot does not allow the tool to be positioned vertically above the center of the contour before machining.
Für Schneidverfahren, wie z. B. das in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Mehrachsroboter zur Laserbearbeitung von Werkstücken zu schaffen, mit dem es möglich ist, unabhängig von einer Werkstückform und von einer Form der Kontur, kleine Konturen mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit in ein Werkstück einzubringen. The invention has for its object to provide a multi-axis robot for laser machining of workpieces, with which it is possible, regardless of a workpiece shape and shape of the contour to introduce small contours with high speed and accuracy in a workpiece.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, durch einen Mehrachsroboter zur Laserbearbeitung von Werkstücken mit einer eine erste Drehachse aufweisenden ersten Handachse und einer eine zweite Drehachse aufweisenden und senkrecht zur ersten Handachse orientierten zweiten Handachse. An der zweiten Handachse ist ein um die zweite Drehachse drehbarer Laserschneidkopf mit einer eine optische Achse aufweisenden Fokussieroptik befestigt. Mit der Fokussieroptik wird ein durch den Laserschneidkopf geführten Laserstrahl auf ein Werkstück fokussiert, wobei die Fokussieroptik entlang der optischen Achse verschiebbar ist, um den Fokuspunkt auch bei Abstandsänderungen des Laserschneidkopfs zum Werkstück auf dem Werkstück zu halten. Am Laserschneidkopf ist dazu ein Abstandssensor vorgesehen und ein mit dem Abstandssensor in Verbindung stehender Linearantrieb vorhanden. According to the invention the object is achieved by a multi-axis robot for laser machining of workpieces having a first axis of rotation having a first hand axis and a second axis of rotation and oriented perpendicular to the first hand axis second hand axis. On the second hand axis a rotatable about the second axis of rotation laser cutting head is fixed with an optical axis having focusing optics. With the focusing optics, a guided by the laser cutting head laser beam is focused on a workpiece, wherein the focusing optics along the optical axis is displaceable to keep the focal point even with changes in distance of the laser cutting head to the workpiece on the workpiece. For this purpose, a distance sensor is provided on the laser cutting head and a linear drive communicating with the distance sensor is present.
Vorteilhaft weist der Laserschneidkopf einen, zur Aufnahme der Fokussieroptik, entlang der optischen Achse beweglichen Schneidtubus auf, um den Laserschneidkopf in einem konstanten Abstand zum Werkstück zu halten. Advantageously, the laser cutting head has a cutting tube movable along the optical axis for receiving the focusing optics in order to keep the laser cutting head at a constant distance from the workpiece.
Zweckmäßig weist dazu der bewegliche Schneidtubus eine über den Linearantrieb hergestellte, mittelbare Verbindung mit dem Laserschneidkopf auf. For this purpose, the movable cutting tube expediently has an indirect connection to the laser cutting head which is produced via the linear drive.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstandssensor ein berührungsloser Abstandssensor zur kapazitiven Abstandsmessung. In an advantageous embodiment, the distance sensor is a non-contact distance sensor for capacitive distance measurement.
Der Abstandssensor ist dazu vorzugsweise, unmittelbar dem Werkstück gegenüberliegend, am beweglichen Schneidtubus angeordnet. For this purpose, the distance sensor is preferably arranged directly opposite the workpiece, on the movable cutting tube.
Die Verbindung zwischen Abstandssensor und Linearantrieb erfolgt vorteilhaft über eine Steuereinheit. The connection between distance sensor and linear drive is advantageously carried out via a control unit.
Besonders vorteilhaft weist die Steuereinheit zur Auswertung der vom Abstandssensor bereitgestellten Messwerte und zur entsprechenden Ansteuerung des Linearantriebs eine Datenverarbeitungsgeschwindigkeit in Echtzeit auf. For the evaluation of the measured values provided by the distance sensor and for the corresponding control of the linear drive, the control unit particularly advantageously has a data processing speed in real time.
In einer speziellen Ausgestaltung weist der Linearantrieb einen Stellweg von +/–30 mm um eine Mittenlage auf. In a special embodiment, the linear drive has a travel of +/- 30 mm about a center position.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to embodiments. In the accompanying drawings show:
Gemäß
Der Laserschneidkopf
Weiterhin weist der Laserschneidkopf
Die Fokussieroptik
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Fokussieroptik
Zum Verschieben des Schneidtubus
Der Linearantrieb
Der von einer Laserstrahlquelle
Der kollimierte Laserstrahl
Entsprechend der im Stand der Technik offenbarten Vorrichtung wird der Laserschneidkopf
Die Bewegung des Laserschneidkopfs
Bei der Auslenkung um den Umorientierungspunkt ist jede Bewegung des Laserschneidkopfs
Bei einer in
Eine andere Ausführung des Mehrachsroboters
Zur Ermittlung der Abstandsänderungen zwischen Schneidtubus
Neben dem kapazitiven Abstandssensor
Zur Auswertung der Abstandsmessung ist der Abstandssensor
Anhand den in
Der in
Der in
In dem in
Anhand des Beispiels in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Mehrachsroboter multi-axis robot
- 1111
- erste Drehachse first axis of rotation
- 1212
- erste Handachse first hand axis
- 1313
- zweite Drehachse second axis of rotation
- 1414
- zweite Handachse second hand axis
- 1515
- Achsabstand Wheelbase
- 22
- Laserschneidkopf Laser cutting head
- 2121
- Schneidtubus cutting tube
- 2222
- Abstandssensor distance sensor
- 2323
- Fokussieroptik focusing optics
- 2424
- optische Achse optical axis
- 2525
- Linearantrieb linear actuator
- 33
- Laserstrahlquelle laser beam source
- 3131
- Laserstrahl laser beam
- 3232
- Laserstrahleinkopplung Laserstrahleinkopplung
- 3333
- Umlenkspiegel deflecting
- 3434
- Fokuspunkt focus point
- 44
- Werkstück workpiece
- 4141
- Kontur contour
- 4242
- Schwerpunkt der Kontur Center of gravity of the contour
- 55
- Steuereinheit control unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7209802 B2 [0006, 0010] US 7209802 B2 [0006, 0010]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20140306 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GLEIM PETRI OEHMKE PATENT- UND RECHTSANWALTSPA, DE |
|
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |