DE3700190A1 - Vorrichtung und verfahren zum laserschneiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren für Laserstrahl-Arbeiten wie Schneiden, Schweißen u.d., und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren, um mit einem Laserstrahl mehrere Metallschneidvor­ gänge auf einer Montagelinie durchzuführen.

In der jüngeren Vergangenheit wurden einige Industrie­ zweige, in denen Metall geschnitten wird oder andere Schneidvorgänge erfolgen, automatisiert, wobei der Schneidvorgang mittels eines gelenkten Laserstrahls durchgeführt wird. Ein derartiger Industriezweig ist die Kraftfahrzeugindustrie, bei der viele Öffnungen in der Metallkarosserie durch Laserstrahlen geschnitten werden. Auf ähnliche Weise hat man andere Verfahren unter Verwendung von Laserstrahlen wie Schweißen u.d. entwickelt.

Gegenwärtig verwendet man zwei Verfahren, um den Laser­ strahl von der Laserquelle zur Schneidfläche zu lenken. Das erste Verfahren ist bekannt als flexible Strahlzu­ führung und erfolgt unter Verwendung mehrerer Drehspie­ gel, die den Strahl in die gewünschte Richtung lenken. Das zweite Verfahren wird als bewegliche Optik bezeich­ net und in sogenannten Gantry-Robotern verwendet. Dabei wird eine Laserquelle benutzt, die in einer festen Posi­ tion montiert ist, wobei jede Bewegung des Laserstrahls mittels mehrerer Spiegel erfolgt.

Beide Verfahren der Strahlzuführung werden durch hohe Energieverluste und durch die Ungenauigkeit der Zufüh­ rung und des Schneidens beeinträchtigt. Keines von beiden Verfahren ist für die Anwendung an einer Monta­ gelinie geeignet; vielmehr muß die Autokarosserie für diese Arbeitsgänge zu einer besonderen Schneidstation transportiert werden. Dieses Problem wird teilweise durch die Größe des Lasers verursacht, welche erforder­ lich ist, um die für diese Arbeitsgänge notwendige Watt­ zahl zu erzeugen.

In der israelischen Patentanmeldung Nr. 77 631 wird eine Laserstrahl-Zuführvorrichtung mit den folgenden Teilen beschrieben: einer Laser-Quelle, einem starren Laser­ strahl-Zuführrohr, die mit der Laser-Quelle verbunden ist, einer Schneidmündung, die schwebend mit dem Ende des Strahl-Zuführrohrs verbunden ist, einem Sensor zum Ermitteln der Position der Schneidmündung in Relation zu einem zu schneidenden Gegenstand und zum Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals, einer auf das Ausgangssignal ansprechenden Vorrichtung, die die Schneidmündung in eine gewünschte Position bewegt, und einer Kontur-Abtastvorrichtung, die die Schneidmündung während des Schneidens im erforderlichen Schneidabstand vom Gegenstand hält.

All diese Verfahren weisen den Nachteil auf, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine Öffnung an einer Stelle am Gegenstand geschnitten werden kann. Dies be­ einträchtigt wesentlich die Geschwindigkeit, in der jeder Gegenstand mit den auszuschneidenden Öffnungen versehen werden kann, verlangsamt das Fortschreiten der Arbeitsgänge oder erfordert eine große Anzahl zusätzli­ cher Stationen an einer Montagelinie.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Laser-Schneid­ vorrichtung zu schaffen, die ein schnelles Schneiden mehrerer Öffnungen in einem einzigen Gegenstand oder in mehreren Gegenständen gestattet und die Schwierigkeiten beim oben angeführten Stand der Technik überwindet.

Deshalb wird eine Laser-Schneidvorrichtung mit einer Laser-Quelle, mehreren Laserstrahl-Aufnahmegehäusen, einer in jedem Gehäuse angeordneten Schneidmündung und einer Laserstrahl-Leitvorrichtung zum wahlweisen Über­ tragen des Laserstrahls von der Laserquelle zu jedem der Gehäuse geschaffen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leit­ vorrichtung einen beweglichen Spiegel auf, der vorzugs­ weise drehbar mit einem teleskopierbaren Strahl-Zuführ­ rohr verbunden ist.

Entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfin­ dung enthält mindestens eines der Gehäuse einen Nocken­ mechanismus und einen Nockenfolger, wobei die Schneid­ mündung mit dem Nockenfolger verbunden ist, um sich einem vorbestimmten geometrischen Muster entsprechend zu bewegen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält mindestens eines der Gehäuse einen Sensor zum Ermitteln der Posi­ tion der Schneidmündung in Relation zu einem zu schnei­ denden Gegenstand und zum Erzeugen eines entsprechenden Ausgabesignals, eine Vorrichtung, die auf das Ausgabe­ signal anspricht, um die Schneidmündung in eine ge­ wünschte Position zu bewegen, eine Kontur-Abtastvor­ richtung, die die Schneidmündung während des Schneidens in dem erforderlichen Schneidabstand zum Gegenstand hält, und eine Steuervorrichtung, die mit dem Sensor und der Kontur-Abtastvorrichtung verbunden ist, um die Schneidmündung einem gewünschten geometrischen Muster entsprechend zu bewegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird aus der nachfol­ genden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Laser-Schneid­ vorrichtung;

Fig. 2 eine detaillierte Ansicht der Laser-Schneidein­ heit;

Fig. 3 eine detaillierte Ansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Laser-Schneideinheit; und

Fig. 4 einen detaillierten Schnitt einer Schneidmündung gemäß Fig. 2 und 3.

Fig. 1 zeigt die Laser-Schneidvorrichtung. Die Vorrich­ tung und das Verfahren der Erfindung können für das Laserstrahl-Schneiden, -Schweißen oder jedes andere Laserstrahl-Arbeitsverfahren in beliebig vielen Anwen­ dungsmöglichkeiten benutzt werden, besonders wenn man eine Montagelinie mit einer Laserstrahl-Arbeitsstation versehen will. Da die Erfindung insbesondere für Laser­ strahl-Schneidvorgänge bei der Automobilherstellung nützlich ist, wird sie anschließend in diesem Zusammen­ hang beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Art der Verwendung beschränkt.

Die Laser-Schneidvorrichtung enthält eine Laser-Quelle 10, die an einer Stützvorrichtung 12 angebracht ist.

Die Laser-Quelle 10 weist eine Laserstrahl-Zuführvor­ richtung mit einem beweglichen Spiegel 14 auf. Der be­ wegliche Spiegel 14 ist mit einer teleskopierbaren Spie­ gel-Einstellvorrichtung 16 verbunden und zur Bewegung in zwei Freiheitsgraden angelegt, nämlich zur Bewegung parallel zur Längsachse der Einstellvorrichtung 16 und zur Drehung um diese Achse. Die teleskopierbare Spiegel- Einstellvorrichtung 16 kann beliebige herkömmliche teleskopierbare Laserstrahl-Zuführrohre einschließlich der notwendigen Isolierung zum Leiten eines Laserstrahls aufweisen. Vorzugsweise ist spezielle Computer-Software vorgesehen, mit deren Hilfe die Spiegel-Einstellvor­ richtung 16, die sich entlang der Koordinaten R und 0 bewegt, bei dynamischer und gesteuerter Arbeitsweise die gewünschte Übertragung auf die x-y-Ebene leisten kann.

Mehrere Laser-Schneideinheiten 18, 20 sind um das Ob­ jekt 22 angeordnet, welches geschnitten wird, indem es über den beweglichen Spiegel 14 Laserstrahlen ausge­ setzt wird. Die Laser-Schneideinheiten 18 sind einfach aufgebaut und zum Durchführen einer einzigen Aufgabe gedacht; sie werden anschließend genauer beschrieben. Die Laser-Schneideinheiten 20 sind vorzugsweise com­ putergesteuerte Einheiten, die das Schneiden von kom­ plexen geometrischen Formen an schwerer erreichbaren Stellen des Objektes erlauben.

Die Anzahl von einfachen Schneideinheiten 18 und die Anzahl von komplexen Schneideinheiten 20 in jedem vor­ liegenden Schneidsystem hängt vollkommen von Anzahl, Anbringungsort und Konfiguration der herzustellenden Öffnungen ab. Somit ist es möglich, daß das System nur Schneideinheiten der einen oder der anderen Art ent­ hält, oder gemäß Fig. 1 eine Kombination beider Arten.

Es ist ein besonderes Merkmal der Erfindung, daß die Laser-Quelle, die sich in einer festen Position befin­ den kann, mit einem beweglichen Spiegel versehen ist, der den Laserstrahl zu einer jeden von mehreren "Satel­ liten"-Schneideinheiten (oder Einheiten zum Durchführen anderer Laserstrahl-Arbeitsgänge) überträgt. Dies ge­ stattet das schnelle Durchführen jedes Schneidvorgangs und das schnelle Umlenken des Laserstrahls von einer Schneideinheit zur anderen, was einen fortlaufenden Schneidvorgang für mehrere Öffnungen an einem Gegen­ stand ermöglicht.

Fig. 2 zeigt detailliert eine einfache Laser-Schneid­ vorrichtung 18. Die Laser-Schneidvorrichtung 18 weist ein Laser-Aufnahmegehäuse 24 auf, das in gewünschter Höhe auf einer (nicht gezeigten) Stütze angebracht ist. Das Gehäuse 24 enthält ein starres Strahl-Zuführrohr 26 und mindestens einen Spiegel 28, der den Laserstrahl vom beweglichen Spiegel 14 aufnimmt und ihn zur Schneid­ mündung 30 weiterleitet, welche in dem Strahl-Zuführ­ rohr 26 angebracht ist. In der dargestellten Ausfüh­ rungsform sind zwei Spiegel 28 und 29 vorgesehen, die den Laserstrahl zur Schneidmündung leiten. Der Spiegel 28 ist innerhalb des festen Gehäuses 24 angebracht, und der Spiegel 29 ist in einem beweglichen Teil 32 des Gehäuses angeordnet, mit welchem die Schneidmündung angekuppelt ist.

Das bewegliche Teil 32 des Gehäuses 24 ist beispiels­ weise über Lager 36 mit einem Motor 38 verbunden, der seinerseits mit einem Nockenmechanismus 40 verbunden ist, durch den ein Schneiden in einer gewünschten geo­ metrischen Form erfolgt, etwa mit Hilfe herkömmlicher Räder und eines Riemens 42. Ein Nockenfolger 44, der mit dem beweglichen Teil 32 des Gehäuses und der Schneidmündung 30 in Verbindung steht, ist mit dem Nockenmechanismus 40 gekoppelt, um sich dessen Bewegung anzupassen. Ein Elektromagnet 46, eine Vakuum-Vorrich­ tung oder jede andere geeignete Vorrichtung kann zum Entfernen des ausgeschnittenen Teils in der Nähe der Schneidmündung angebracht werden.

Fig. 3 zeigt im genaueren eine komplexe, vorzugsweise computergesteuerte Laser-Schneideinheit 20. Die Laser- Schneideinheit 20 gleicht im wesentlichen der Laser- Schneideinheit 18; gleiche Teile sind mit gleichen Be­ zugszahlen gekennzeichnet. Der Unterschied besteht da­ rin, daß die Schneideinheit 20 gemäß Fig. 3 kein Nocken­ element oder einen Nockenfolger aufweist. Vielmehr wer­ den die Radialbewegungen entlang der Achse R und die Drehbewegung um die Achse 0 durch (nicht gezeigte) pro­ grammierbare Vorrichtungen erzeugt.

Jede Laser-Schneidvorrichtung 18, 20 kann an einem Punkt- zu-Punkt-Roboter (point-to-point robot) oder alternativ auf einem Standautomaten angebracht sein, der das Gehäu­ se an die Automobilkarosserie auf der Montagelinie angreifen läßt und wieder von dieser fortbewegt. Die Schneidvorrichtung kann auf einem herkömmlichen X-Y- Tisch montiert sein, so daß die Schneideinheit ein­ schließlich der Schneidmündung in Relation zur Stütze oder zum Roboter in X- und Y-Richtung bewegt werden kann, um die gewünschte Schneidstelle zu erreichen. Ein Beispiel eines geeigneten Roboters ist der vom Volks­ wagenwerk in Deutschland hergestellte Aufnahme- und Plazierungsautomat VW-S1, wenngleich jede andere Vor­ richtung verwendet werden kann, um die Schneideinheit zur geeigneten Schneidstelle zu bewegen.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Schneidmündung. Die­ se besteht vorzugsweise aus einer Strahlzuführmündung 52, die innerhalb eines Gehäuses 54 durch Federn in Position gebracht wird. Die Mündung 52 begrenzt einen Auslaß 56 und enthält eine Linse 58 zum Fokussieren des Laserstrahls durch den Auslaß 56. Ein Kappenteil 57 ist beispielsweise mittels Schrauben auf der Mündung 54 und um den Auslaß 56 befestigt und greift um die Schneid­ stelle herum an den Gegenstand an. Die Mündung 54 wird durch Federwirkung, beispielsweise durch Federn 60, derart aus dem Gehäuse herausgedrückt, daß das Kappen­ teil 57 stets in Eingriff mit der Schneidfläche gehal­ ten wird, wobei es deren Oberfläche folgt. Somit steu­ ert die Vorrichtung die Schneidmündung auch in Z-Rich­ tung.

Entsprechend Fig. 1 arbeitet die Vorrichtung wie folgt. Ein zu schneidender Gegenstand, etwa eine Automobilka­ rosserie, wird in eine Arbeitsstation in der Nähe der Vorrichtung bewegt. Jede der Schneidvorrichtungen wird in einer Warteposition außerhalb der Produktionslinie oder des Transportweges des Gegenstandes angeordnet, bis sich der Gegenstand in der richtigen Position be­ findet.

Die Laserquelle 10 wird aktiviert und erzeugt einen Laserstrahl, der zum beweglichen Spiegel 14 transpor­ tiert wird. Auf Befehle der Steuereinheit der (nicht gezeigten) Vorrichtung, die aus jedem geeigneten Com­ puter oder Mikroprozessor bestehen kann, bewegt die teleskopierbare Spiegel-Einstellvorrichtung 16 den Spie­ gel 14 in die geeignete Höhe und dreht ihn um den pas­ senden Winkel, um den Laserstrahl vom Spiegel zur er­ sten der gewünschten Schneideinheiten 16, 18 zu über­ tragen. Die Schneideinheit bewegt sich nun in die Schneidposition, und der Schneidvorgang wird durchge­ führt. Wenn der Schneidvorgang abgeschlossen ist, be­ wegt die Spiegeleinstellvorrichtung 16 den Spiegel 14 in die geeignete Höhe und um den geeigneten Winkel, um den Laserstrahl zur zweiten Schneideinheit zu übertra­ gen. Dieser Ablauf wird wiederholt, bis alle gewünsch­ ten Schneidvorgänge durchgeführt worden sind.

Schneidstellen befinden sich häufig an der von der La­ serquelle abgelegenen Seite des Gegenstandes. In diesem Fall kann ein auf einem erhöhten Träger 68 befestigter zwischengeschalteter Spiegel 66 oder ein anderer beweg­ licher Spiegel verwendet werden.

Es ist ein besonderes Merkmal der Erfindung, daß die Schneid- oder Arbeitsgeschwindigkeit lediglich durch die Lasergeschwindigkeit begrenzt wird, d.h. es erfolgt ein stark gesteigerter dynamischer Arbeitsablauf. Bei herkömmlichen Schneidvorrichtungen treten bei schnellem Arbeitsablauf gravierende Fehler beim Verfolgen der Schneidlinie auf, wodurch das gewünschte Muster nicht genau wiedergegeben wird.

Claims (8)

1. Laser-Schneidvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Laser-Quelle (10);
mehrere Laserstrahl-Aufnahmeeinheiten, von denen jede ein Gehäuse (24) und eine am Gehäuse (24) angebrachte Schneidmündung (52) aufweist; und
eine Laserstrahl-Leitvorrichtung (14, 16) zum wahlweisen Übertragen des Laserstrahls von der Laser-Quelle (10) zu jedem der Gehäuse (24).

2. Laser-Schneidvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtung (14, 16) einen beweglichen Spiegel (14) aufweist.

3. Laser-Schneidvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Spiegel (14) drehbar mit teleskopierbaren, rohrförmigen Strahl-Zu­ führvorrichtungen verbunden ist.

4. Laser-Schneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Laserstrahl-Aufnahmeeinheiten einen Nockenmechanismus (40) und einen Nockenfolger (44) aufweist, wobei die Schneidmündung (52) mit dem Nockenfolger (44) verbunden ist, so daß sie sich entsprechend einem vorbestimmten Schneidmuster bewegt.

5. Laser-Schneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Laserstrahl-Aufnahmeeinheiten eine mit der Schneidmün­ dung (52) gekoppelte programmierbare Vorrichtung auf­ weist, welche die Mündung (52) derart steuert, daß de­ ren Bewegung gemäß einem vorbestimmten Schneidmuster erfolgt.

6. Laser-Schneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Laserstrahl-Aufnahmeeinheiten folgende Teile aufweist:
eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln der Position der Schneidmündung (52) in Relation zu einem zu schneiden­ den Gegenstand und zum Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals;
eine auf das Ausgangssignal ansprechende Vorrichtung, welche die Schneidmündung in eine gewünschte Position bewegt;
eine Kontur-Abtastvorrichtung, die die Schneidmündung (52) während des Schneidens im gewünschten Schneidab­ stand vom Gegenstand hält; und
eine Steuervorrichtung, die mit der Sensorvorrichtung und der Kontur-Abtastvorrichtung verbunden ist, um die Schneidmündung (52) entsprechend dem gewünschten Schneidmuster zu bewegen.

7. Vorrichtung, um einen Laserstrahl nacheinander zu jeder von mehreren Arbeitsstationen zu lenken, gekenn­ zeichnet durch:
eine Laser-Quelle (10);
mehrere Laserstrahl-Aufnahmeeinheiten, von denen jede ein Gehäuse (24) und ein im Gehäuse (24) angebrachtes laserbetriebenes Arbeitsteil (52) aufweist; und
eine Laserstrahl-Leitvorrichtung (14, 16) zum wahlweisen Übertragen des Laserstrahls von der Laser-Quelle (10) zu jedem der Gehäuse (24).

8. Verfahren zum aufeinanderfolgenden Leiten eines La­ serstrahls zu jeder von mehreren Arbeitsstellen, gekenn­ zeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
das Erzeugen eines von einer Laser-Quelle (10) ausge­ henden Laserstrahls;
das Leiten des Laserstrahls über einen beweglichen Spie­ gel (14) zu einer ersten Arbeitsstelle;
das Durchführen eines Arbeitsganges an der ersten Ar­ beitsstelle;
das Leiten des Laserstrahls über den beweglichen Spie­ gel (14) zu einer zweiten Arbeitsstelle; und
das Durchführen eines Arbeitsganges an der zweiten Ar­ beitsstelle.