DE3503881A1

DE3503881A1 - Strahlabgabesystem fuer einen co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser

Info

Publication number: DE3503881A1
Application number: DE19853503881
Authority: DE
Inventors: Henry William San Leandro Calif. Jones; Joseph Francis Los Altos Hills Calif. Rando
Original assignee: Spectra Physics Inc
Current assignee: Newport Corp USA
Priority date: 1984-02-06
Filing date: 1985-02-01
Publication date: 1985-08-14
Also published as: GB2153785A; GB8502988D0; IT8547637A0; IT8547637A1; JPS60182789A; IT1182173B

Description

Strahlabgabesystem für einen CO^-Laser

Die Erfindung betrifft ein Strahlabgabesystem. Sie bezieht sich insbesondere zu einem Laserstrahlabgabesystem zur Abgabe eines relativ leistungsstarken Laserstrahls von einem stationären Laser zu einem beweglichen Raumpunkt an einer Arbeitsstelle und unter Steuerung durch einen Automaten.

Laser mit relativ hoher Leistung werden häufig bei industriellen Vorgängen, wie z. B. Schneiden oder Schweißen verwendet. Es kann eine große Zahl von Schneide- und Schweiß-

vorgängen an verschiedenen Stellen eines Montagebandes erforderlich sein. Automaten kommen verstärkt zum Einsatz, um solche verschiedenartigen aber wiederholenden Arbeitsvorgänge auszuführen. Die Automaten sind gewöhnlich auf einen festen Grundkörper angeordnet und haben ein Schultergelenk, ein Handgelenk und einpn Gelenkmechanismus, der sich zwischen dem Schultergelenk und dem Handgelenk erstreckt und der ein Ellbogengelenk aufweist. Bekannte Strahlabgabesysteme zur Verwendung mit derartigen Automaten weisen eine Strahlführungseinrichtung auf, bei dem das Strahlabgabesystem an jedem Gelenk des Automaten angeordnet ist. Diese bekannten Strahlabgabesysteme verwenden die Gelenke des Automaten im Ergebnis als Weg, um den Strahl zu führen. Diese bekannten Strahlabgabesysteme sind nicht sehr flexibel, wenn eine Änderung der Automaten gewünscht ist. Sie erfordern weiterhin eine beträchtliche Anzahl von Spiegeln. Jeder Spiegel im System bedeutet einen kleinen aber signifikanten Leistungsverlust.

Bekannte Strahlabgabesysteme, die gelenkige Strahlführungsröhren enthalten, bringen ebenfalls Proleme hinsichtlich unvorhergesehener Trägheitskräfte. Wenn die Röhren schnell von einer Stelle zu einer anderen Stelle bewegt werden und durch eine solche Bewegung Beschleunigungen hervorgerufen werden, führen die durch solche Gelenkröhren hervorgerufenen Trägheitskräfte zu Problemen hinsichtlich von Zeitverzögerungen in der Erreichung der Endposition der Röhren.

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die

Probleme der bekannten Strahlabgabesysteme zu vermeiden.

Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein

flexibles Strahlabgabesystem zu schaffen, das aufgrund

eines sphärischen Koordinatensystem entworfen ist, in dem

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ein Punkt in drei Dimensionen durch zwei Winkel und einen Radius bestimmt ist.

Ein Strahlabgabesystem für Hochleistungslaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch abgedichtete Gelenke und Röhren bestimmt und enthält im wesentlichen drei Untersysteme, nämlich ein sphärisches Gelenk, das in jeder Richtung frei drehen kann, ein Handgelenk, das es ermöglicht, den Strahl am Ende des Strahlabgabesystems in die erforderliche Richtung zu lenken, und einen Abschnitt von zusammenschiebbaren Röhren, die das sphärische Gelenk und das Handgelenk miteinander direkt und in einer geraden Linie ohne dazwischenliegende Spiegelgelenke verbandet.

In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Strahlabgabesystem mit einem Automaten verbunden, der einen Automatengrundkörper, ein Schultergelenk, ein Handgelenk, ein Ellbogengelenk und eine Gestängeanordnung zur Anbindung des Handgelenks an das Schultergelenk und den Automatengrundkörper aufweist.

Das Strahlabgabesystem der vorliegenden Erfindung enthält ein universelles oder sphärisches Schultergelenk, das nahe der vertikalen Achse des Automaten-Schultergelenks und unterhalb des Gelenkarmmechanismus des Automaten angeordnet ist. Das Handgelenk des Strahlabgabesystems ist dem Handgelenk des Automaten zugeordnet. Diese Anordnung erlaubt es, den zusammenschiebbaren Röhrensatz sowohl horizontal als auch vertikal zu drehen, um eine maximale Raumnähe zum Gelenkarmmechanismus des Automaten zu erreichen.

Das flexible Strahlabgabesystem kann leicht an eine Vielzahl von verschiedenen Automaten angepaßt werden, wobei die Vorzüge der programmierbaren Flexibilität in den Automaten erhalten bleibt. Das Strahlabgabesystem der vorliegenden

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Erfindung ist nicht ein kompliziertes einmaliges System, das nur für spezielle Teile entworfen und konstruiert wäre.

Weil das universelle oder sphärische Schultergelenk des Strahlabgabesystems in fester Position gehalten ist und der zusammenschiebbare Röhrensatz des Strahlabgabesystems den Strahl zum Handgelenk in einer geraden Linie von dem Schultergelenk überträgt, kann das gesamte Strahlabgabesystem mit einem Minimum von unkontrollierten oder verzögernden Trägheitskräften der Teleskopröhren verstellt werden. Aus diesem Grunde steuert das Strahlabgabesystem im wesentlichen die Position des Röhrensatzes, so daß die Röhren nicht durch Trägheitskräfte beeinflußt werden.

Das Schultergelenk weist zwei drehbare innere Spiegel auf, die eng beieinander angeordnet sind und derart präzise montiert sind, daß das Schultergelenk hinsichtlich seiner optischen Leistung weitgehend ein kugelförmiges Gelenk annähert.

Jeder drehbare Spiegel in dem Schultergelenk ist innerhalb eines Gehäuses montiert, das seinerseits zur Drehung in Lagern angeordnet ist, die sich auf den gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses befinden und die weit auseinanderliegen, um jede Fehlausrichtung der Spiegel zu minimieren, die aus Ungenauigkeiten oder Unregelmäßigkeiten in den Lagern resultieren könnten. Die Lager sind weiterhin zur Vermeidung eines Schlupfes vorbelastet. Dies reduziert zusätzlich eine Spiegelfehleinstellung, die infolge eines Schlupfes in den Lagern entstehen könnte. Das Handgelenk hat zwei oder drei interne Spiegel, abhängig von der erforderlichen Orientierung, und diese Spiegel sind nahe beieinander angeordnet, so daß das Handgelenk ebenfalls in den optischen Eigenschaften ein kugelförmiges Gelenk approximiert.

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Jeder der Spiegel sowohl im Schulter- als auch im Handgelenk ist von der Vorderseite des Spiegels aus einstellbar. Die Befestigungsstellen können die Form von einstellbaren Nocken aufweisen, falls eine Spiegeleinstellung erforderlich ist. Die Rückseite jedes Spiegels steht im engen Kontakt mit einer flüssigkeitsgekühlten oder konvenktionsgekühlten federbelasteten Druckplatte, die den Spiegel gegen seine Befestigungsstellen mit einer konstanten Kraft drückt. Die Druckplatte kann zum leichten Ersatz des Spiegels zurückgezogen werden, welches ohne Neueinstellunq ausgeführt werden kann.

Die präzise Einstellung der Spiegel in dem Schultergelenk und in dem Handgelenk in Kombination mit dem langen Hub oder dem verlängerten Gelenk, das durch die Teleskopröhren erreicht wird, führt dazu, daß das gesamte Strahlabgabesystem der vorliegenden Erfindung wie ein gerader kontinuierlich verlaufender zylindrischer Tunnel zum Laser angesehen werden kann. Jeder Spiegel ist in dem Strahlabgabesystem derart befestigt, daß der Strahl darin hindurchläuft, ohne daß der Strahl der Wand an irgendeinem Punkt näher als an einem anderen Punkt kommt.

Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung kann an dem Handgelenk eine magnetische Wechselstromklemme vorgesehen sein, um Objekte zu halten, die nur von einer Seite punktgeschweißt werden sollen, und wobei kein verbleibender Magnetismus in den Teilen induziert wird, nachdem die Schweißung beendet ist.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung bezüglich der Laserstrahlabgabeeinrichtung und -Verfahren sind nachfolgend näher beschrieben.

Aus der folgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen ergeben sich andere und weitere Aufgaben, Vorzüge und

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Merkmale der Erfindung. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, des Prinzips und dessen, was als die beste Ausführungsform angesehen wird, ist in der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen näher erläutert. Andere Ausführungsformen der Erfindung, die gleiche oder äquivalente Prinzipien verwenden, fallen ebenfalls unter die vorliegende Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine isometrische Ansicht zur Darstellung eines Strahlabgabesystems gem. der vorliegenden Erfindung. Das Strahlabgabesystem wird zusammen mit einem Automaten an einer Autofertigungsstraße gezeigt.

Fig. 2 ist eine Aufsicht, um den Bereich zu zeigen, den das Strahlabgabesystem nach Fig. 1 in horizontaler Richtung überstreichen kann.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht entlang der Linie und der Richtung, die durch die Pfeile 3-3 in Fig. 2 gezeigt ist, die das Ausmaß der vertikalen Bewegung des Strahlabgabesystems in Fig. 1 zeigt.

Fig. 4, 5 und 6 sind Ansichten eines Universal-oder sphärischen Schultergelenks eines Strahlabgabesystems nach Fig.

Fig. 4 ist eine Aufsicht auf ein Schultergelenk,

Fig. 5 ist eine Seitenansicht entlang der Linie und in der Richtung, die durch die Pfeile 5-5 von Fig. 4 gezeigt ist.

Fig. 6 ist eine Seitenansicht entlang der Linie und der Richtung, wie in Fig. 5 durch die Pfeile 6-6 dargestellt ist.

Fig. 7, 8 und 9 sind Ansichten eines Handgelenks eines Strahlabgabesystems nach Fig. 1, wobei Fig. 7 eine Aufsichti

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Fig. 8 eine Seitenansicht entlang der Linie und der Richtung gemäß der Darstellung der Pfeile 8-8 von Fig. 7, Fig. 9 eine Seitenansicht entlang der Linie und der Richtung, die durch die Pfeile 9-9 von Fig. 8 dargestellt ist, zeigen.

Fig. 10 zeigt eine schematische Teilansicht der vorbelasteten Lager in dem sphärischen Schultergelenk.

Fig. 11 ist eine Seitenansicht zur Darstellung der magnetischen Klemme.

Fig. 12, 13 und 14 zeigen andere Ausführungsformen eines sphärischen Schultergelenks, wobei Fig. 12 eine Aufsicht ist. Fig. 13 eine Seitenansicht entlang der Linie und der Richtung, die durch die Pfeile 13-13 von Fig. 12 dargestellt ist, und Fig. 14 eine Seitenansicht entlang und in Richtung der Pfeile 14-14 von Fig. 13.

Fig. 15 zeigt eine Seitenansicht der Befestigung des ersten Spiegels.

Fig. 16 ist eine Ansicht entlang der Linie und in der Richtung, die durch die Pfeile 16-16 von Fig. 15 dargestellt ist.

Fig. 17 ist eine Ansicht entlang der Linie und in der Richtung, die durch die Pfeile 17-17 von Fig. 15 dargestellt ist.

Fig. 18 ist eine Ansicht entlang der Linie und in der Richtung, die durch die Pfeile 18-18 von Fig. 15 dargestellt ist.

Fig. 19 zeigt ein Diagramm zur Darstellung, wie die Spiegeloberfläche eingestellt wird.

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Fig. 20 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Drehung des Spiegels.

Ein Strahlabgabesystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist durch durch die Ziff. 21 in Fig. 1 angegeben. Das Strahlabgabesystem 21 ist in Fig. 1 zusammen mit einem Automaten 23 zur Ausführung von Arbeit an einer Autofertigungsstraße 25 dargestellt.

Der Automat 23 enthält einen Automatengrundkörper 27, ein Schultergelenk 29, ein Handgelenk 31, ein Ellbogengelenk und eine Gestängeanordnung 35, 37 und 39 zur Verbindung des Handgelenks mit dem Schultergelenk und dem Grundkörper 27.

In Fig. 1 ist der Automat 23 und das Strahlabgabesystem 21 bei der Ausführung eines Schweißvorganges 41 an einem Raumpunkt unter Automatenkontrolle dargestellt.

Wie durch die folgende Darstellung erläutert wird, erlaubt die vorliegende Erfindung, diesen Raumpunkt oder einen anderen Raumpunkt durch ein Strahlabgabesystem 21 nach einem sphärischen Korrdinatensystem zu erreichen, wobei ein Punkt in drei Dimensionen durch zwei Winkel und einen Radius bestimmt ist. Das Strahlabgabesystem der vorliegenden Erfindung erlaubt die überführung eines Hochleistungslaserstrahls durch ein geschlossenes Strahlabgabesystem, das im wesentlichen drei Untersysteme aufweist, nämlich ein Kugelgelenk, das in jeder Richtung frei drehbar ist, ein Untersystem von zusammenschiebbaren, abgedichteten Röhren mit einer minimalen und maximalen Reichweite, und einem Handgelenk, das es ermöglicht, den Strahl am Ende des Strahlabgabesystems in die gewünschte Richtung zu lenken.

Unter weiterem bezug zu Fig. 1 ist ein Hochleistungslaser 43, z. B. ein C0₂-Laser, neben dem Grundkörper 27 aufgestellt

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und mit dem Strahlabgabesystem durch ein dichtes Rohr 45 verbunden.

Das Strahlabgabesystem 21 gemäß Fig. 1 enthält ein sphärisches Schultergelenk 47, einen Satz von dichten zusammenschiebbaren Röhren 49 und ein Handgelenk 51.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird das Schultergelenk 47 von dem Grundkörper 27 und das Handgelenk 51 von der H.andgelenkanordnung 31 des Automaten getragen.

In dem Strahiabgabesystem 21 nach Fig. 1 ist das eine Ende des Satzes Teleskopröhren 29 von dem sphärischen Schultergelenk 47 und das andere Ende des Satzes von Teleskopröhren 49 durch das Handgelenk 51 gesteuert, so daß das gesamte Strahlabgabesystem 21 mit einem Minimum von verzögerten Trägheitskräften verstellt werden kann. Das System 21 steuert im wesentlichen die Position der Röhren 49 so, daß die Röhren nicht durch Trägheitskräfte beeinflußt werden. Dies wird durch die Steuerung der Gelenke an beiden Enden des einfachen Satzes von Röhren, der Steifheit der Röhren und durch die sehr kompakte Konstruktion des sphärischen Gelenks 47 und des Handgelenks 51 erreicht.

Daher weist das Strahlabgabesystem 21 der vorliegenden Erfindung gegenüber bekannten Systemen, bei denen das Strahlabgabesystem an jedem Gelenk des Automaten befestigt ist, bedeutende Vorteile auf, weil solche bekannten Systeme Probleme hinsichtlich unkontrollierbarer Beschleunigungen und Verzögerungen durch Zwischengelenke in den Röhrensätzen aufweisen, und ebenfalls, weil solche bekannten gelenkigen Röhrenkonstruktionen nicht sehr flexibel sind, wenn es erforderlich ist, den Automaten oder das Strahlabgabesystem zu verändern.

Die vorliegende Erfindung weist gegenüber bekannten

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Systemen mit gelenkigen Röhren die weiteren Vorteile auf, daß das Strahlabgabesystem der vorliegenden Erfindung weniger Spiegel als bekannte Systeme enthält.Mit weniger Spiegeln ergeben sich jedoch geringere Lichtenergieverluste, wie im folgenden näher erläutert ist.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Art, wie das Strahlabgabesystem 21 der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf den Automaten 23 befestigt ist.

Durch Anordnung des Kugelgelenks 47 am Grundkörper des Automaten 27 und unterhalb der zwei größeren Arme 35 und 37 des Automaten, kann das Strahlabgabesystem 21 sowohl in horizontaler Richtung als auch auf und nieder gedreht werden mit einem Maximum des erreichbaren Raumes.

Das Strahlabgabesystem der vorliegenden Erfindung ist daher ein sehr flexibles Strahlabgabesystem, das leicht an eine Vielzahl von Automaten angepaßt werden kann, um die Vorteile der programmierbaren Flexibilität, die in dem Automaten enthalten ist, auszunutzen. Das Strahlabqabesystem der vorliegenden Erfindung ist kein kompliziertes System, das lediglich für ein bestimmtes System und einen speziellen Einsatz vorgesehen wäre.

Das Strahlabgabesystem 21 nach Fig. 1, 2 und 3 weist eine Mündung 53 zur Fokusierung des Strahls zu einem Schweißpunkt 55 auf.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf den Bereich, in dem das Strahlabgabesystem von Fig. 1 in horizontaler Richtung bewegt werden kann.

In Fig. 3 ist das dargestellte Strahlabgabesystem 21 auf einem Befestigungssockel 57 angeordnet, der nahe der vertikalen

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Drehachse xx des Automaten angeordnet ist und nicht unmittelbar auf dem Grundkörper 27 des Automaten, wie in Fig. 1 dargestellt. Der in Fig. 3 dargestellte gestrichelte Bereich zeigt den Bereich, der durch die Mündung des Strahlabgabesystems erreichbar ist, wenn die Mündungsausrichtung in verschiedener Weise begrenzt ist. Der Teil von Fig. 3, der doppelt gestrichelt dargestellt ist, zeigt den Bereich, der durch die Mündung des Strahlabgabesystems erreichbar ist, bei dem die Mündungsausrichtung nicht begrenzt ist.

Fig. 4, 5 und 6 zeigen Konstruktionsdetails einer Ausführungsform eines sphärischen Schultergelenks 47. Diese Ausführungsform des Schultergelenks 47 ist auf dem Befestigungsblock 57 durch eine Bodenplatte 61 befestigt. Eine einstellbare Unterplatte 63 ist auf der Bodenplatte 61 angeordnet und weist Einstellschrauben 65 und 67 zur koaxialen Ausrichtung der Achse yy mit dem Eingangsstrahl auf. Der erste Spiegel des Schultergelenks ist innerhalb des Gehäuses 69 angeordnet. Der zweite Spiegel des Schultergelenks ist innerhalb des Gehäuses 71 angeordnet. Eine Dichtung 73 verhindert das Eindringen von Luft in die Gehäuse 69 und 71 und ermöglicht ein relatives Bewegen zwischen den Gehäusen.

Wie in Fig. 5 deutlich dargestellt ist, ist das Gehäuse 69 im Hinblick auf die Unterplatte 63 durch Lager yy drehbar angeordnet, die sich an der Außenseite und an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses befinden. Die Lager yy liegen durch ihre Anordnung auf der Außenseite und an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses weit auseinander, wodurch jede Fehlausrichtung des ersten Spiegels verhindert ist, welches durch Ungenauigkeiten oder Fehlpräzision in den Lagern yy verursacht werden könnte. Diese Anordnung der Lager ergibt eine hohe Genauigkeit ohne die hohen Kosten eines großen, speziellen und teuren Lagers und ermöglicht die Verwendung von kleinen und billigen Lagern im Strahlabgabesystem der vorliegenden Erfindung. Die gestrichelten Linien in Fig. 4 und 6 zeigen

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wie die Anordnung zu den dargestellten Positionen gedreht werden kann. Einige Teile der Anordnung sind zur besseren Darstellung weggebrochen.

Wie im folgenden näher dargestellt ist, dienen die zusammenschiebbaren Röhren 49 als variabler Dreharm, der eine extreme Übersetzung ergibt, indem ein großer Abstand zwischen den Spiegeln im Schultergelenk 47 und den Spiegeln im Handgelenk 51 vorhanden ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin auf die Lager yy an jedem Ende des Gehäuses 69 eine Vorlast aufgebracht, um jede lose Bewegung aufzunehmen, die sonst in den Lagern vorhanden wäre. Damit wird die Fehlausrichtung des ersten Spiegels verringert, die durch eine Lose in den Lagern hervorgerufen werden könnte.

Wie in Fig. 10 dargestellt ist, ist dem Gehäuse für die Lager yy eine Schraube 75 derart zugeordnet, daß eine Einstellung der Schraube 75 eine Kraft in einer Richtung, die durch die Pfeile 77 dargestellt ist, auf den inneren Lagerkäfig und durch die Lagerkugeln auf den äußeren Lagerkäfig aufbringt, wodurch alle diese Teile in engen Kontakt gebracht werden. Eine ähnliche Vorlast wird in der Richtung, die durch die Pfeile 79 dargestellt ist, auf das andere Lager yy aufgebracht, um diese Lager in der in Fig. 10 dargestellten Weise vorzubelasten.

Die Lager xx für den zweiten Spiegel (s. Fig. 6)sind ebenfalls auf der Außenseite des Gehäuses 71 angeordnet und in der gleichen Weise wie bei den Lagern yy vorbelastet, um jede Möglichkeit der Fehlausrichtung des zweiten Spiegels zu verringern, die durch Ungenauigkeiten oder eine Lose in den Lagern xx hervorgerufen werden könnte.

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Fig. 7 bis 9 zeigen, Einzelheiten einer Konstruktion eines Handgelenks 51. Es sind drei innere Spiegel innerhalb des Handgelenkes 51 vorhanden und diese Spiegel sind eng miteinander verkoppelt. Diese enge Koppelung der Spiegel innerhalb des Handgelenks 51 (zusammen mit der s&hr langen Gelenk variabler Länge, das sich durch die zusammenschiebbaren Röhren 49 und in Kombination mit der Anordnung des sphärischen Schultergelenks 47 nahe dem Rotationszentrum des Schultergelenks 29 des Automaten und unterhalb der Gelenkanordnung der Arme 35 und 37 des Automaten ergibt) wird ein sehr ausgeprägtes System im Raum mit dem Strahlabgabesystem nach der vorliegenden Erfindung erreicht.

Eines der Probleme bei der Erreichung eines langen Weges oder Hubes der Lichtenergie in den Teleskopröhren 49 ist es, sicher zu stellen, daß die Spiegel geeignet ausgerichtet sind. Durch enges Verkoppeln der Spiegel in dem Schultergelenk 47 ist dieses Problem minimiert. Dieses Problem ist dadurch weiterhin verkleinert, daß alle Spiegel im Schultergelenk vorderseitig gegen Nockeneinsteller gerichtet sind, die es ermöglichen, die Position der Spiegel von der vorderen Oberfläche einzustellen (und außerdem, um die Rückfläche der Spiegel durch eine federbelastete flüssigkeitsgekühlte Andruckplatte wieder in Position zu bringen),wie näher in Zusammenhang mit den Figuren 15 bis 20 beschrieben ist. Die nahe Verkopplung der Spiegel im Schultergelenk 47 approximiert ein perfektes Kugelgelenk.

Aufgrund der Präzision der Spiegelbefestigung in dem Handgelenk 51, des gestreckten Gelenks der Teleskopröhren 49 und die enge Kopplung der Spiegel in dem Schultergelenk 47 erscheint das ganze Strahlabgabesystem 21 der vorliegenden Erfindung als gerader kontinuierlicher Tunnel zum Laser 43. Jeder Spiegel in dem Strahlabgabesystem ist derart befestigt, daß der Strahl an keiner Stelle näher als an einer anderen Stelle einer Wand nahekommt. Das Strahlab-

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gabesystem 21 der vorliegenden Erfindung erscheint als runde Röhre zum Laser 43, wenn es geeignet zusammengesetzt ist.

Unter besonderer Referenz zu den Fig. 7 bis 8 enthält das Handgelenk 51 ein Gehäuse 81, das den ersten Spiegel hält. Das Gehäuse 81 steht mit der Strahlröhre 49 durch eine Lageranordnung 83 in Verbindung. Der zweite Spiegel ist innerhalb des Gehäuses 85 befestigt und dieses Gehäuse 85 ist mit dem Gehäuse 81 durch eine Lageranordnung 87 verbunden. Der dritte Spiegel ist ist in einem Gehäuse 89 befestigt, das mit dem Gehäuse 85 durch eine Lageranordnung 91 verbunden ist. Das Gehäuse 89 ist mit dem Automaten am Gelenk 31 durch ein Spannfutter 93 verbunden. Innerhalb des Mundstücks 53 ist eine Linse 95 zur Konzentration des Ausgangs des Laserstrahls zu einem Fokus 55 befestigt. In dem Mundstück 53 ist weiterhin ein Schutzgaseinlaß 97 vorgesehen.

Da der Laserstrahl keine mechanischen Kräfte auf ein zu schweißendes oder zu schneidendes Objekt ausübt, kann der Laserstrahl ohne Berührung schweißen und schneiden.

In einigen Anwendungsfällen, insbesondere im Fall des punktförmigen Zusammenschweißens zweiter Metallstücke ist es von Vorteil, zwei Objekte durch eine Anordnung zusammenzuhalten, die nicht durch mechanisches Verbinden der Objekte ausgeführt ist. Ein mechanisches Klemmen kann kompliziert sein, da dieses ein Umfassen der Teile erfordert.

In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein magnetisches Klemmen verwendet (am Ort des Mundstücks 53 und anstelle einer mechanischen Klemme), um zum Zusammenhalten zweier Teile das Erfordernis des Hintergreifens auf die Rückseite zu vermeiden. Dieses magnetische Klemmen ist in Fig. 11 dargestellt und durch die Ziff. 99 angezeigt. Die magnetische Klemme 99 wirkt nur von einer

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Seite auf die zu schweißenden Objekte. Die Klemme weist eine ringförmige Gestalt auf, wie in den Zeichnungen dargestellt, und wird durch Wechselstrom betrieben. Durch Verwendung von Wechselstrom ist es möglich,.Klemmkräfte zu erhalten, die keine permanente Magnetisierung der Teile bewirken. Durch Erzeugung des Wechselstrommagnetischen Feldes über mehrere Perioden des Wechselstromes und langsames Verringern des Wechselstromes über mehrere Perioden ist es möglich, das verbleibende magnetische Feld in dem zu schweißenden Material auf Null zurückzubringen.

Die magnetische Klemme 99 in Fig. 11 enthält ein Teil 101, das aus nichtmagnetischem Material besteht und das an einem Ende ein Gewinde zum Anbringen an das Handgelenk 51 aufweist. Ein Weicheisenteil 103 ist am anderen Ende des magnetischen Teils 101 angebracht, wobei das Teil 103 Spulen 105 zur Erzeugung des magnetischen Feldes aufweist.

Kühlschlangen 107 lassen Kühlwasser um das Teil 101 zur Kühlung der Linse 95 und des Teils 103 sowie der zugehörigen Spulen 105 umlaufen.

Diese magnetische Klemme 99 erzeugt gute Punktschweißungen, sogar wenn ein kleiner Spalt zwischen den zu schweißenden Teilen vorhanden ist. Die magnetische Klemme weist in Verbindung mit''dem Laser daher Vorteile über eine konventionelle elektrische Widerstandspunktschweißung auf, die einen guten Kontakt zwischen den zu schweißenden Teilen erfordert.

Die in dem Strahlabgabesystem verwendeten Spiegel gemäß der vorliegenden Erfindung sind Molybdänspiegel mit einer rückwärtigen Kupferplatte.

Wie bereits dargestellt, sind die Spiegel in dem Handgelenk

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durch eine Nockeneinstellung vorderseitig befestigt. So spielt es keine Rolle, wenn ein bestimmter Spiegel nicht parallel ist oder wenn der dahinter befindliche Block nicht parallel ist, da die vordere Oberfläche des Spiegels die wichtige Oberfläche darstellt und diese vordere Oberfläche leicht und einfach während der ersten Einrichtung oder der Kalibrierung (und ebenfalls während des Betriebes, sofern notwendig, wieder eingestellt werden kann) ohne Neueinstellung des gesamten Systems, welches normalerweise eine fabrikmäßige Einstellung ist, positioniert werden kann.

Die Einstellung der vorderen Oberfläche der Spiegel in dem Handgelenk 51 ist in den Fig. 15 bis 20 dargestellt. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, wird der erste Spiegel in dem Gehäuse 81 durch drei Nocken eingestellt, die die vordere reflektierende Oberfläche des Spiegels berühren. Gem. Fig. 18 wirken drei Nocken gegen die Oberfläche, eine gemeinsame und Sicherungseinstellungsnocke 102, einen x-Einsteller 104 und einen y-Einsteller 106. Diese drei Nocken bestimmen die Position und den Winkel der vorderen Oberfläche des ersten Spiegels.

Wie in Fig. 15 dargestellt ist, wirkt eine flüssigkeitsgekühlte Andruckplatte 107 gegen die rückseitige Oberfläche des ersten Spiegels. Drei Belastungsfedern 108, jeweils gegenüber den aktiven Einstellnocken, drücken die Andruckplatte 107 gegen die rückwärtige Oberfläche des Spiegels. Diese drückt wiederum die Vorderfläche der Spiegel gegen die Nocken 102, 104 und 106.

Wie in Fig. 16 gezeigt ist, leiten zwei flexible Kühlschläuche 109 Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle 111 in der Andruckplatte 107. Die Schläuche 109 sind wegen des Hochenergiestrahls durchsichtig, aber flexibel, um Spiegeleinstellungen zu ermöglichen. Fig. 19 illustriert den Bereich der Einstellung der reflektierenden Spiegeloberfläche durch Drehung einer Nocke.

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Fig, 20 zeigt die Spiegeldrehung in der χ- und Y-Richtung, die durch Einstellung des Nockenmechanismus nach Fig. 15 bis 18 erzeugt wird.

Eine andere Ausführung eines sphärischen Schultergelenks gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 12 bis 14 dargestellt. Die Anordnung verwendet drei Spiegel anstelle von zwei Spiegeln in dem Schultergelenk nach Fig. 4 bis 6. Die Teile in den Figuren 12 bis 14, die den gleichen Teilen in Fig. 4 bis 6 entsprechen, sind durch gleiche Ziffern gekennzeichnet. In den Fig. 12 bis 13 entsprechen der zweite Spiegel und der dritte Spiegel dem ersten und dem zweiten Spiegel in den Fig. 4 bis 6. In den Fig. 12 bis 14 drehen die Spiegel 2 und 3 um yy und xx wie dargestellt, jedoch ist der erste Spiegel festgelegt.

Diese Ausführung des Schultergelenks 47, die einen dritten festen Spiegel enthält, wird verwendet, wenn es erforderlich ist, einen festen Spiegel, wie den ersten Spiegel zu haben, um den empfangenen Laserstrahl vom Laser 43 um 90° gedreht zu erhalten, bevor dieser Laserstrahl zu den drehbaren Spiegeln im Schultergelenk geleitet wird.

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Bezugszeichenliste:

21	Strahlabgabesystem	87	Lageranordnung
23	Automat	89	Gehäuse
25	Fertigungsstraße	91	Lageranordnung
27	Grundkörper	93	Spannfutter
29	Schultergelenk	95	Linse
31	Handgelenk	97	Schutzgaseinlaß
33	Ellbogengelenk	99	Klemme
35)		101	Teil
37)	Gestängeanordnung	102	Sicherungsnocke
39)		103	Weicheisenteil
41	Schweißvorgang	104	x-Einstellachse
43	Laser	105	Spulen
45	Rohr	106	y-Einsteller
47	Schultergelenk	107	Andruckplatte
49	Röhren	108	Belastungsfedern
51	Handgelenk	109	Schläuche
53	Mundstück	111	Kühlkanäle
55	Schweißpunkt
57	Befestigungsblock
61	Bodenplatte
63	Unterplatte		•
65	Schraube
67	Schraube
69	Gehäuse
71	Gehäuse
73	Dichtung
75	Schraube
77	Pfeile
79	Pfeile
81	Gehäuse
83	Lageranordnung
85	Gehäuse

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Claims

Ansprüche:

Strahlabgabesystem zur Abgabe eines Laserstrahls von einem Laser zu einem Raumpunkt unter Zuhilfenahme einer Automatensteuerung, wobei der Automat einen festen Grundkörper (27) und einen Gelenkmechanismus aufweist, der wenigstens ein Schultergelenk (29), ein Handgelenk (31) und ein Gestänge (35, 37) aufweist, das das Handgelenk (31) mit dem Schultergelenk (29) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Schultergelenk (47) mit einem Einlaß zur Aufnahme eines Strahls von einem Laser (43) vorhanden ist, das einen Auslaß zur Übertragung des Strahls zu einem weiteren Handgelenk (51), und zwei drehbare innere Spiegel enthält, wobei das weitere Schultergelenk (47) innerhalb der Grenzen seines Einsatzbereiches den Strahl in jeder Richtung zum Auslaß abzulenken in der Lage ist, daß das weitere Handgelenk (51)einen Einlaß zur Aufnahme des Strahls von dem Schultergelenk (47), einen Auslaß zur übertragung des Strahls zu einer Arbeitsstelle (41) und zwei oder drei innere Spiegel aufweist, wobei das weitere Handgelenk (51) derart ausgebildet ist, daß es den Strahl innerhalb seines Arbeitsbereiches in jeder Richtung zur Arbeitsstelle zu dem Raumpunkt (41) lenkt, der durch den Automaten bestimmt ist, und wobei ferner zusammenschiebbare abgedichtete Rohre (49) zur direkten übertragung des Strahls in gerader Linie von dem Auslaß des weiteren Schultergelenks (47) zum Einlaß des weiteren Handgelenks (51)

vorgesehen sind, so daß nur Spiegel im weiteren Schulter- und im weiteren Handgelenk (47, 51) vorhanden sind.
2. Strahlabgabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Schultergelenk (47) am Grundkörper (27) des Automaten nahe dessen vertikaler Drehachse und in der Nähe des Gelenkmechanismus des Automaten angeordnet ist, um eine Drehung der zusammenschiebbaren abgedichteten Röhren (49) sowohl horizontal als auch vertikal zu ermöglichen und um eine größtmögliche räumliche Nähe zum Gelenkmechanismus des Automaten zu erreichen.
3. Strahlabgabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenschiebbaren abgedichteten Röhren (49) nur mit dem weiteren Schultergelenk (47) und dem weiteren Handgelenk (51) und nicht mit dem Gelenkmechanismus des Automaten verbunden ist, um eine relativ schnelle Bewegung des Automaten und des zugehörigen Strahlabgabesystems mit einer sehr kleinen Auswirkung auf die Trägheitskräfte des Strahlabgabesystems zu ermöglichen.
4. Strahlabgabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Gehäuse (69, 71) zur jeweiligen Befestigung eines der drehbaren inneren Spiegel in dem weiteren Schultergelenk (47) vorhanden sind, daß erste und zweite Lager (44) zur Befestigung der ersten und zweiten Gehäuse zur Drehung in den Lagern vorhanden sind, wobei die Lager auf der Außenseite jedes Gehäuses (69, 71) befestigt sind und zwei Rollenlager enthalten, die voneinander so weit entfernt sind, daß die Befestigung der Lager zu einer Verkleinerung der Auswirkung von Ungenauigkeiten

in den Lagern auf die Positionierung der zugehörigen Spiegel führt.
5. Strahlabgabesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Lager zur Vermeidung von Schlupf in den Lagern und zur weiteren Verringerung der Auswirkungen von Ungenauigkeiten oder einer Lose in den Lagern für eine genaue Positionierung der zugehörigen Spiegel vorbelastet ist.
6. Strahlabgabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einstellmittel (101, 103, 105) zur Positionierung jedes der zwei oder drei inneren Spiegel von der Vorderseite der Spiegel in dem weiteren Handgelenk (51) vorhanden sind.
7. Strahlabgabesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Spiegeleinstellmittel 3 bewegliche Nocken enthalten, die mit der Vorderoberfläche jedes Spiegels in Verbindung stehen.
8. Strahlabgabesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Spiegeleinstellmittel eine federbelastete Druckplatte (107) aufweisen, die mit der rückwärtigen Oberfläche jedes Spiegels verbunden sind.
9. Strahlabgabesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß eine Kühleinrichtung zum Umlauf von Kühlmittel durch Kühlkanäle (111) in der federbelasteten Druckplatte (107) vorgesehen sind.
10. Strahlabgabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zwei drehbaren inneren Spiegel in dem weiteren Schultergelenk (47) eng gekoppelt sind und daß die zwei oder drei inneren Spiegel in dem weiteren

3503881 Handgelenk (51) eng miteinander verkoppelt sind, so daß jedes Gelenk ein sphärisches optisches Gelenk approximiert, wobei das weitere Schultergelenk (47) und das weitere Handgelenk (51) durch die zusammenschiebbare abgedichtete Röhre (49) relativ weit auseinanderliegen.
11. Strahlabgabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Klemmittel (99) am Ende des weiteren Handgelenks vorgesehen sind, wobei das Klemmittel (99) ein erstes ringförmiges Teil aus nichtmagnetischem Material (101) und ein zweites ringförmiges Teil aus Weicheisen (103) aufweist, welches elektrische Spulen (105) zur Erzeugung einer magnetischen Klemmspannung durch Wechselstrom enthält, und wobei das ringförmige Teil (101) des nichtmagnetischen Materials Kühlspulen (111) zum Umlauf von Kühlmittel aufweist, um sowohl die optischen Teile innerhalb der Klemme als auch die Weicheisenteile zu kühlen.
12. Magnetische Klemme zur Verwendung in einem Strahlabgabesystem für einen Laserlichtstrahl, dadurch gekennzeichnet , daß ein erstes nichtmagnetisches Teil (101) eines Strahlabgabesystems für Laserlicht an dessen einem Ende angeordnet ist, daß ein Weicheisenteil am anderen · Ende des nichtmagnetischen Teils befestigt ist, wobei das Weicheisenteil elektrische Spulen zur Erzeugung einer magnetischen Klemmspannung durch Wechselstrom enthält, daß eine Kühleinrichtung zur Zirkulierung von Kühlflüssigkeit zur Außenseite der magnetischen Klemme vorgesehen ist, um die optischen Elemente innerhalb der Klemme und ebenfalls die Weicheisenteile zu kühlen und das Weicheisenteil ein ringförmiges Teil ist, das eine flache äußere Oberfläche aufweist, um die zu klemmenden Teile nur von einer Seite zu erfassen.