DE3603033C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien mittels Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In jüngster Zeit werden mehr und mehr Vorrichtungen zur Be­ arbeitung von Materialien mittels Laserstrahl eingesetzt, sogenannte Laserstrahl-Bearbeitungsroboter. Solche Vorrich­ tungen besitzen mehrgelenkige Arme und sind an einem Maschi­ nengestell montiert. Am Ende des Mehrgelenkarms befindet sich eine Fokussiereinrichtung, die den Laserstrahl auf ein Werkstück lenkt. Zur vielseitigen Einsatzmöglichkeit ist die Fokussiereinrichtung in praktisch beliebiger Rich­ tung orientierbar.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 33 43 888 A1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung ist das Unterteil um eine vertikale Achse drehbar. Ein Stück oberhalb des Unterteils im Bereich dieser vertikalen Achse erfolgt die Einkopplung des Laserstrahls in vertikaler Rich­ tung mit Hilfe von Umlenkspiegeln. Zu diesen Umlenkspiegeln gelangt der Laserstrahl über eine Strahlführung von einer Laserlichtquelle. Diese Einkopplung des Laserstrahls in die Bearbeitungsvorrichtung ist konstruktiv aufwendig und erfordert relativ viel Platz.

Aus JP-DS "Pat. abstr. of Japan", 1984, Vol 8/No. 166, M-314, KoKai-No. 59-61 585 ist eine Laserstrahl-Bearbeitungsanlage bekannt, bei der ein länglicher Hohlkörper mit horizontaler Achse zum Einkoppeln eines Laserstrahls von einer stationä­ ren Laserlichtquelle vorgesehen ist. Die Vorrichtung ist entlang der Längsachse des Hohlkörpers bewegbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bearbei­ ten von Materialien mittels Laserstrahl der eingangs genann­ ten Art anzugeben, bei der durch eine spezielle Einkopplung des Laserstrahls eine konstruktiv einfache Anordnung der Vorrichtung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein entlang einer zur ersten Drehachse parallelen Geraden bewegbares Gestell vorgesehen, und der Laserstrahl wird durch eine zu der ersten Drehachse koaxiale Bohrung eingekoppelt. Nach dem Durchtritt durch die Bohrung wird der eingekoppelte Laserstrahl von einem ersten Spiegel in das nachfolgende optische System ge­ lenkt.

Das Gestell der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann praktisch beliebige Hübe entlang der ersten Gerade vollziehen, ohne daß dadurch die Einkopplung des Laserstrahls in irgendeiner Weise geändert werden müßte. Im Vergleich zu einer Vorrich­ tung, deren Untergestell lediglich um eine vertikale Achse drehbar ist, zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung also durch einen größeren möglichen Verschiebehub des Ge­ stells aus.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Laserstrahl- Bearbeitungsroboters mit einem Mehrgelenkarm,

Fig. 2 eine Darstellung des Roboters nach Fig. 1 von der linken Seite her gesehen,

Fig. 3 eine Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 4 eine Ansicht der Ausführungsform nach Fig. 3 von links.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Laserstrahl-Bearbeitungs­ roboter besitzt ein Gestell 1, welches entlang einer Geraden 2, z. B. entlang einer Schiene oder dergleichen, hin- und herbewegbar ist. An dem Gestell 1 ist mit einem Unterteil 4 ein Mehrgelenkarm 3 fest verbunden. Der Mehrgelenkarm 3 enthält einen ersten, gestreckten Arm 5 und ein erstes Gelenk 7, welches sich zwischen dem Unterteil 4 und dem ersten Arm 5 befindet, so daß sich der erste Arm 5 um das erste Gelenk 7 bezüglich des fest auf dem Ge­ stell 1 montierten Unterteils 4 drehen kann.

Das erste Gelenk 7 besitzt also eine erste Drehachse, um die sich der erste Arm 5 dreht, und diese erste Drehachse verläuft parallel zu der Geraden 2, entlang der sich das Gestell 1 hin- und herzubewegen vermag. Das erste Gelenk 7 besitzt eine erste Bohrung 13, welche das erste Gelenk 7 von der einen zu der anderen Seite der ersten Drehachse hin durchsetzt. Die Bohrung ist so be­ schaffen, daß ein von einer (nicht gezeigten) Laserlicht­ quelle kommender Laserstrahl L die Bohrung 13 in Fig. 1 nach links durchsetzt.

Der Mehrgelenkarm 3 besitzt in der Nähe des ersten Gelenks 7 einen ersten Spiegel 12, der das die erste Bohrung 13 des Gelenks 7 durchsetzende Laserlicht L unter einem rechten Winkel parallel zur Längserstreckung des ersten Arms 5 ablenkt. Der erste Spiegel 12 ist an dem ersten Gelenk 7 - ausgerichtet mit der ersten Drehachse des Gelenks 7 - an der linken Seite (betrachtet gemäß Fig. 1) des Mehrgelenkarms 3 derart fest montiert, daß sich der Spiegel 12 zusammen mit dem ersten Arm dreht, wenn sich dieser um die erste Drehachse bezüglich des Unterteils 4 dreht. Der die erste Bohrung 13 durchsetzende Laserstrahl L trifft also immer auf den ersten Spiegel 12 auf und wird von diesem parallel zur Längsrich­ tung des ersten Arms 5 abgelenkt, auch wenn letzterer sich um die erste Drehachse dreht.

Am fernen Ende des ersten Arms 5 befindet sich ein zweites Gelenk 8, um das sich ein ebenfalls gestreckter zweiter Arm in bezug auf den ersten Arm 5 zu drehen vermag. Das zweite Gelenk 8 besitzt eine zweite Drehachse, um die sich der zweite Arm 6 bezüglich des ersten Arms 5 zu drehen vermag. Auch das zweite Gelenk 8 besitzt eine zweite Bohrung 14, die parallel zu der ersten Bohrung 13 und koaxial mit der zweiten Drehachse des zweiten Gelenks 8 verläuft. Ein zweiter Spiegel 8 ist auf dem zweiten Gelenk 8 an der Seite des ersten Arms 5 fest montiert.

Der Mehrgelenkarm 3 besitzt außerdem einen rechts in Fig. 3 an dem zweiten Gelenk 8 montierten dritten Spiegel 16, der dem zweiten Spiegel 15 gegenüber­ liegt. Der Spiegel 16 ist so angeordnet, daß er mit der zweiten Drehachse des zweiten Gelenks 8 ausgerichtet ist.

Der zweite Arm 6 trägt an seinem fernen Ende ein drittes Gelenk 9. Ein Spiegelpaar aus einem vierten und einem fünften Spiegel 17 bzw. 18 ist an dem dritten Gelenk 9 montiert. Diese Spiegel 17 und 18 sind an der linken Seite des Arms 3 montiert. Der vierte Spiegel 17 ist so montiert, daß er eine feste Lagebezie­ hung bezüglich des zweiten Arms 6 beibehält und deshalb der vom Spiegel 16 kommende Laserstrahl L unter einem rechten Winkel in eine dritte Drehrichtung abgelenkt wird, welche parallel zu der ersten und der zweiten Drehachse und somit mit der Geraden 2 ist. Andererseits ist der fünfte Spiegel 18 am dritten Gelenk 9 ausgerichtet mit der dritten Drehachse derart montiert, daß er sich in bezug auf den zweiten Arm dreht, so daß der von dem vierten Spiegel 17 entlang der dritten Drehachse kommende Laserstrahl immer im rechten Winkel in eine gewünschte Richtung reflektiert wird, wie nachstehend näher erläutert wird.

Der Mehrgelenkarm 3 enthält ein viertes Gelenk 10, welches an dem dritten Gelenk 9 derart montiert ist, daß es um 380° drehbar ist bezüglich einer Linie, die senkrecht auf der zwischen dem vierten und dem fünften Spiegel 17 und 18 definierten Drehachse steht. Die Richtung des von dem fünften Spiegel 18 reflektierten Laserstrahls definiert also diese Linie. Am vierten Gelenk 10 ist ausgerichtet mit der genannten Linie ein sechster Spiegel 19 angebracht, der den Laserstrahl stets unter rechten Winkeln ablenkt. Das vierte Gelenk 10 besitzt außerdem eine Fokussiereinrichtung 11, der sich zusammen mit dem sechsten Spiegel 19 über 360° um eine Linie drehen läßt, die definiert wird durch die Ablenkrichtung des fünften Spiegels 18. Obschon dies nicht besonders dargestellt ist, versteht sich, daß die Fokussiereinrichtung 11 ein optisches Element wie beispielsweise eine Konvergenz­ linse besitzt, um den Laserstrahl L zu fokussieren. Der variable Lichtweg wird bei der Maschine also entlang dem Mehrgelenkarm 3 definiert durch die Spiegel 12, 15, 16, 17, 18 und 19, und der Lichtweg verläuft durch den Gelenkarm 3 hindurch und umfaßt Abschnitte auf beiden Seiten des Arms 3.

Bei diesem Aufbau der Maschine gelangt der von einer (nicht gezeigten) Laserlichtquelle kommende Laserstrahl L zunächst entlang der ersten Drehachse durch die erste Bohrung 13 des ersten Gelenks 7. Dann wird der Laserstrahl L entlang dem Lichtweg geleitet, welcher an bzw. in dem Mehrgelenkarm 3 definiert wird durch die verschiedenen Spiegel 12, 15, 16, 17, 18 und 19, und schließlich wird der Laserstrahl von der Fokussiereinrichtung 11 in Richtung auf ein (nicht gezeigtes) Werkstück abgestrahlt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Spiegel 15 und 16 auf gegenüberliegenden Seiten des Mehrgelenkarms 3, so daß Wartungs- und Reparaturarbeiten dieser Spiegel sehr einfach sind. Alternativ kann der Lichtweg teilweise oder voll­ ständig innerhalb der Arme 5 und 6 verlaufen, falls dies erwünscht ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Laserstrahl-Bearbeitungs­ roboter mit einem Mehrgelenkarm gemäß einer weiteren Aus­ führungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist ähn­ lich wie die oben anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Aus­ führungsform. Gleiche Bezugszeichen werden für gleiche und ähnliche Teile verwendet. Der Unterschied zwischen den bei­ den Ausführungsformen besteht in der Art der Anbringung des fünften Spiegels 18. Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 ist der fünfte Spiegel 18 auf der dem Spiegel 17 gegenüberliegenden Seite des Mehrgelenkarms 3 angeordnet. Obschon dies nicht besonders dargestellt ist, muß also das dritte Gelenk 9 am fernen Ende des zweiten Arms 6 eine dritte Bohrung besitzen, die das dritte Gelenk 9 von der einen Seite des Arms 3 zu dessen anderer Seite hin durchsetzt, damit der von dem vierten Spiegel 17 unter rechtem Winkel reflektierte Laserstrahl den auf der anderen Seite des Mehrgelenkarms befindlichen fünften Spiegel 18 erreichen kann. Diese dritte Bohrung sollte die dritte Dreh­ achse enthalten, die als Teil des Lichtwegs zwischen dem vierten und dem fünften Spiegel 17 bzw. 18 de­ finiert wird.

Da sich der fünfte Spiegel 18 auf der dem Spiegel 17 gegenüberliegenden Seite des Mehrgelenk­ arms 3 befindet, ist auch das mit dem dritten Gelenk 9 ver­ bundene vierte Gelenk 10 auf der gleichen Seite wie der fünfte Spiegel 18 vorgesehen, d. h., links in Fig. 3. Der sechste Spiegel 19 am vierten Gelenk 10 ist also so angeordnet, daß er den von dem fünften Spiegel 18 reflektierten Laserstrahl empfängt und den Strahl in Richtung auf die Spitze Fokussiereinrichtung 11 lenkt, damit der Laserstrahl in die von der Fokussiereinrichtung 11 definierte gewünschte Richtung abgestrahlt wird. Bei der Ausführungs­ form nach Fig. 3 und 4 befinden sich also nicht nur die Spiegel 15 und 16 am Gelenk 8, sondern auch die Spiegel 17 und 18 am Gelenk 9 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Mehrgelenkarms 3, so daß Wartungs- und Reparaturarbei­ ten des optischen Systems bei diesem Ausführungsbeispiel sehr einfach und ungehindert durchgeführt werden können.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien mittels Laser­ strahlung, die einen auf einem Unterteil (4) befestigten Mehrgelenkarm (3) aufweist, welcher umfaßt:

• - einen ersten Arm (5), der mittels eines ersten Gelenks (7) um eine erste Drehachse drehbar an dem Unterteil (4) gelagert ist,
• - einen zweiten Arm (6), der mittels eines zweiten Gelenks (8) um eine zweite Drehachse drehbar mit dem ersten Arm (5) verbunden ist,
• - eine Fokussiereinrichtung (11) und
• - ein mit dem Mehrgelenkarm (3) verbundenes optisches System, das einen Laserstrahl (L) von einer stationären Laserlicht­ quelle der Fokussiereinrichtung (11) zuleitet,

dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrgelenkarm auf einem entlang einer ersten, zur ersten Drehachse parallelen Geraden (2) hin- und herbewegbaren Gestell (1) angeordnet ist, daß der Laserstrahl (L) entlang der zu der ersten Geraden (2) parallel verlaufenden ersten Drehachse zugeführt wird, wozu das erste Gelenk (7) eine zur ersten Drehachse koaxiale Bohrung besitzt, und daß an der Bohrung (13) ein erster Spiegel (12) angeordnet ist, der den durch die Bohrung (13) gelangenden Laserstrahl unter einem rechten Winkel in das nachfolgende optische System lenkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (12) zusammen mit dem ersten Arm (5) drehbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Arm (5) gestreckt verläuft, daß der erste Spie­ gel den Laserstrahl parallel zur Längserstreckung des ersten Arms (5) ablenkt, daß ein zweiter und ein dritter Spiegel (15, 16) an den Seiten des zweiten Gelenks (8) angeordnet sind, welches eine zweite, zu der zweiten Drehachse koaxiale Bohrung (14) besitzt, daß der zweite Spiegel ortsfest bezüglich des ersten Arms angeordnet ist, daß der dritte Spiegel (16) zusammen mit dem zwei­ ten Arm drehbar ist, so daß der zweite Spiegel den von dem ersten Spiegel (12) kommenden Laserstrahl in Rich­ tung auf den dritten Spiegel (16) lenkt, der den Laser­ strahl ebenfalls unter einem rechten Winkel ablenkt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrgelenkarm außerdem ein drittes Gelenk (9) am fernen Ende des zweiten Arms (6) enthält, und daß das optische System außerdem einen vierten und einen fünf­ ten Spiegel (17, 18) enthält, um den vom dritten Spiegel kommenden Laserstrahl zu der Fokussiereinrichtung (11) zu leiten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte und der fünfte Spiegel (17, 18) bezüglich des Mehrgelenkarms an dem dritten Gelenk (9) auf der gleichen Seite montiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Gelenk (9) mit einer dritten, zur dritten Drehachse koaxialen Bohrung ausgestattet ist, die pa­ rallel zu der ersten und der zweiten Drehachse verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrgelenkarm außerdem ein viertes Gelenk (10) ent­ hält, welches an das dritte Gelenk (9) gekoppelt ist, und daß ein sechster Spiegel (19) an dem vierten Gelenk montiert ist, um den von dem fünften Spiegel (18) kom­ menden Laserstrahl auf einen Ausgang der Fokussierein­ richtung (11) zu lenken, welche an dem vierten Gelenk montiert ist, welches bezüglich des dritten Gelenks um 360° verdreht werden kann.