DE3823948A1

DE3823948A1 - Vorrichtung zum laserstrahlbearbeiten von werkstuecken

Info

Publication number: DE3823948A1
Application number: DE3823948A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Rippl; Norbert Settele; Anton Englhard
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1988-07-14
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1990-01-18
Also published as: DE3823948C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist in der Praxis bekannt, zum Laserstrahlbearbeiten, beispielsweise zum Schweißen oder Schneiden einen mehrachsigen Manipulator, insbesondere einen Industrie-Roboter einzusetzen. Der Laserstrahl wird diesem von einem ortsfesten Laser über ein flexibles Strahlführungssystem zugeführt, das aus einer Teleskopanordung mit mehreren gelenkig gelagerten Umlenkspiegeln oder einem Lichtleiterkabel bestehen kann. Das Strahlführungssystem ist mit seinem Einkoppelpunkt am Laser ortsfest angeschlossen und erstreckt sich frei durch den Raum zur Hand des Manipulators, wobei die Bewegungsachsen des Manipulators und des Strahlführungssystems völlig unterschiedlich sind. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß unter Umständen der Arbeitsbereich eines Industrie-Roboters nicht voll ausgeschöpft werden kann. Sollen beispielsweise längere Schweißnähte gezogen werden, ist dies mit der vorbekannten Anordnung nicht oder nur unzureichend möglich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Laserstrahlbearbeiten von Werkstücken aufzuzeigen, die einen größeren Arbeitsbereich besitzt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Kennzeichenteil des Hauptanspruchs.

Der Einkoppelpunkt ist erfindungsgemäß in mindestens einer weiteren Achse beweglich gegenüber dem Laser gelagert. Das Strahlführungssystem, das in sich eine geschlossene bauliche Einheit darstellt, hat durch seine begrenzte Länge und Beweglichkeit in sich nur einen eingeschränkten Arbeitsbereich. Mit dem Einkoppelpunkt wird auch das Strahlführungssystem verfahren und kann damit den Manipulatorbewegungen unter Vergrößerung seines Arbeitsbereiches folgen. Dies hat den Vorteil, daß der Arbeitsbereich des Manipulators voll ausgeschöpft und sogar vergrößert werden kann.

Im einfachsten Fall ist der Einkoppelpunkt in einer einzigen Achse entlang des am Laser austretenden Strahls beweglich. Im Prinzip kann der Laserstrahl sich hierbei frei und ungeschützt vom Laser zum Einkoppelpunkt erstrecken. Es empfiehlt sich jedoch in den meisten Fällen, eine verstellbare Strahlführung vorzusehen. Diese dient dem Schutz des Laserstrahls und der Erhöhung der Beweglichkeit des Einkoppelpunktes. Die Strahlführung kann unterschiedlich ausgebildet sein und beispielsweise aus einer Abschirmung und/oder Umlenkspiegeln sowie einem optischen System zur Bündelung des Laserstrahls bestehen. Mittels der Umlenkspiegel kann der Einkoppelpunkt sich mehrachsig bewegen oder gegenüber der Laserstrahlachse seitlich versetzt sein. In der Ausführung als Lichtleiterkabel gibt die Strahlführung dem Einkoppelpunkt eine maximale räumliche Beweglichkeit um beliebige Achsen. Das optische System ermöglicht ihm hingegen größere Fahrstrecken. Die einzelnen Teile der Strahlführung können nach Bedarf unterschiedlich miteinander kombiniert werden.

Die Erfindung ermöglicht es ferner, auch dem Manipulator eine oder mehrere zusätzliche Bewegungsachsen zu verleihen und ihn insbesondere translatorisch zu verfahren. Der Arbeitsbereich der Manipulator/Strahlführungssystem- Kombination kann hierdurch noch wesentlich gesteigert werden. Auf dem Automobilsektor kann eine Karosserie nun von zwei Manipulatoren geschweißt werden. Bisher waren hierfür mindestens vier Manipulatoren nötig. Die Erfindung gestattet es auch mehrere Arbeitsstationen zu verketten und eine Mehrplatzbearbeitung zu betreiben. Während in der einen Station das Werkstück bearbeitet wird, kann in der Nachbarstation bereits das nächste aufgerüstet und vorbereitet werden.

Das Strahlführungssystem mit seinem Einkoppelpunkt kann vom Manipulator über eine Verbindungsstange geschleppt werden oder einen eigenen Antrieb aufweisen. Der Einkoppelpunkt kann hierbei mit dem Manipulator synchron oder asynchron mitbewegt werden. Eine synchrone Bewegung gestattet ein längeres Streckenschweißen oder- schneiden. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die zusätzlichen Bewegungsachse(n) des Einkoppelpunktes und die zusätzlichen Manipulatorachse(n) sowie die Laserstrahlachse(n) zusammenfallen. Damit kann ein erhöhter Steuerungsaufwand vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Lösung läßt die freie Wahl der Art des Strahlführungssystems, das außer dem im Ausführungsbeispiel gezeigten Teleskopsystem auch als Lichtleitkabel oder dergleichen ausgebildet sein kann. Desgleichen kann auch der Manipulator beliebig ausgebildet sein. Vorzugsweise wird ein sechsachsiger Industrie-Roboter verwendet.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:.

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht,

Fig. 2 eine abgewandelte Vorrichtung in Stirnansicht gemäß Pfeil II von Fig. 1 und

Fig. 3 und 4 einen Roboter mit Strahlführungssystem in Gesamt- und Detailansicht.

Fig. 1 zeigt die komplette Vorrichtung zum Laserstrahlbearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Schweißen von Fahrzeugkarosserien oder dergleichen. Die Vorrichtung besteht aus einem vorzugsweise stationären Laser (1), der einen Laserstrahl (4) hoher Intensität emitiert. Der Laserstrahl (4) wird zum Werkstück über ein Strahlführungssystem (3) zugeleitet, das von einem Manipulator (2), hier einem sechsachsigen Industrie-Roboter geführt wird.

Das Strahlführungssystem (3) besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Teleskoprohr (7) und mehreren drehbar gelagerten Umlenkspiegeln (8) sowie einer ausgangsseitigen Fokussieroptik (nicht dargestellt), mit der der austretende Laserstrahl konzentriert wird. Das Strahlführungssystem besitzt eine beschränkte Auszugslänge und Kinematik. Es erstreckt sich von seinem Einkoppelpunkt (5) frei im Raum zum Manipulator, hier zur Roboterhand (9). Alternativ kann das Strahlführungssystem (3) auch zum Ausleger des Industrie-Roboters geführt sein, wobei von dort der Laserstrahl über roboterinterne Leitungen oder Strahlführungen zur Austrittsstelle an der Roboterhand weitergeleitet wird. In beiden Fällen wird jedoch das Strahlführungssystem (3) von einem Punkt außerhalb zum Manipulator (2) geführt. Damit stimmen die Bewegungsachsen des Strahlführungssystems (3) und des Manipulators (2) nur teilweise oder überhaupt nicht überein.

Um die daraus resultierende eingeschränkte Kinematik des Strahlführungssystems (3) auszugleichen, ist der Einkoppelpunkt (5) auf einer oder mehreren zusätzlichen Achsen (10) gegenüber dem Laser (1) beweglich gelagert. Die Verbindung erfolgt über eine verstellbare Strahlführung (6), die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Teleskoprohr besteht, das sich längs der Austrittsachse des Laserstrahles (4) zum Laser (1) erstreckt.

Wie Fig. 2 verdeutlicht, ist noch ein Umlenkspiegel (8) vorgesehen, der den Laserstrahl (4) umlenkt, bevor er in den Einkoppelpunkt (5) eintritt. Der Einkoppelpunkt (5) ist auf einem Schlitten (12) angeordnet, der auf einem Rahmen (13) horizontal längs verfahrbar gelagert ist. Der Rahmen (13) ist portalartig ausgebildet, wobei sich die Laufschiene für den Schlitten (12) oberhalb des Manipulators (2) erstreckt.

Der Manipulator (2) kann mit seinem Grundgestell ortsfest angeordnet sein. Der bewegliche Einkoppelpunkt (5) gestattet dann eine volle Ausnutzung des Manipulatorarbeitsbereiches.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Manipulator (2) auf einem Fahrwerk (14) angeordnet, das auf einer bodennahen Schiene (15) längsbeweglich gelagert ist. Hierdurch erhält der Manipulator (2) eine zusätzliche Bewegungsachse (11), die parallel zur Bewegungsachse (10) des Einkoppelpunktes (5) verläuft.

Der Schlitten (12) des Einkoppelpunktes (5) besitzt einen eigenen Antrieb (nicht dargestellt), der von der Manipulatorsteuerung beaufschlagt wird. Der Einkoppelpunkt (5) kann damit asynchron oder synchron mit dem Manipulator (2) bewegt werden. Bei asynchroner Bewegungsweise bleibt der Manipulator (2) zumindest zeitweise stehen, während der Schlitten (12) zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches des Strahlführungssystems (3) verfahren wird.

In Fig. 2 ist außerdem gestrichelt eine weitere Ausführungsform dargestellt, die eine Verbindungsstange (16) zwischen dem Manipulator (2) bzw. seinem Fahrwerk (14) und dem Schlitten (12) vorsieht. Der Manipulator schleppt bei seinen Bewegungen den Schlitten (12) mit, für den ein eigener Antrieb dadurch entbehrlich ist.

Die Strahlführung (6) kann auch ein optisches System (17) zur Strahlengangbeeinflussung des Laserstrahls (4) aufweisen. Über längere Strecken weitet sich das Strahlenbündel des Laserstrahls (4) auf und bedarf einer Korrektur. Dies ist z.B. bei einem langen Rahmen (13) der Fall, der sich über mehrere Arbeitsstationen erstreckt und eine Mehrplatzbearbeitung ermöglicht. Befindet sich der Einkoppelpunkt (5) am Rahmenende, ist der Laserstrahl (4) mehrere Meter länger, als wenn der Einkoppelpunkt (5) in der ersten Station am Laser (1) steht.

Das optische System besteht beispielsweise aus einer Linsenanordnung (17), die vorzugsweise schwenkbar am Rahmen (13) bzw. der Fahrschiene des Schlittens (12) befestigt ist. Mit der Linsenanordnung (17) kann der aufgeweitete Laserstrahl (4) wieder eng gebündelt werden. Die Linsenanordnung (17) wird bei Bedarf, d.h. wenn der Einkoppelpunkt (5) sich über einen vorgegebenen Abstand vom Laser (1) entfernt, in den Strahlengang geschwenkt. Für kürzere Entfernungen wird sie wieder ausgeschwenkt.

In Variation zu den gezeigten Ausführungsbeispielen können weitere Bewegungsachsen (10, 11) vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Fahrwerk (14) als Kreuzschlitten ausgebildet sein, der dem Manipulator (2) eine zusätzliche orthogonale Beweglichkeit verleiht. Entsprechend ist auch die Strahlführung (6) zum Einkoppelpunkt (5) in ihrer Beweglichkeit erweitert, indem hinter dem Umlenkspiegel (8) (vgl. Fig. 2) ein weiteres Teleskoprohr zum Einkoppelpunkt (5) vorgesehen ist.

Anstelle eines Teleskoprohres kann die Strahlführung (6) auch ein elastisches Lichtleiterkabel oder einen Faltenbalg aufweisen. Die Bewegungsachse (10) braucht beim Lichtleiterkabel nicht mehr mit der Austrittsachse des Laserstrahles (4) am Laser (1) zusammenfallen. Desgleichen kann auch das Strahlführungssystem (3) aus einem Lichtleiterkabel bestehen.

Stückliste:

1  Laser
2  Manipulator, Industrieroboter
3  Strahlführungssystem
4  Laserstrahl, Laserstrahlachse
5  Einkoppelpunkt
6  Strahlführung
7  Teleskoprohr
8  Umlenkspiegel
9  Roboterhand
10  Achse, Einkoppelpunkt
11  Achse, Manipulator
12  Schlitten
13  Rahmen
14  Fahrwerk
15  Schiene
16  Verbindungsstange
17  optisches System, Linsenanordnung

Claims

1. Vorrichtung zum Laserstrahlbearbeiten von Werkstücken, bestehend aus einem Laser und einem mehrachsigen Manipulator, die durch ein flexibles Strahlführungssystem verbunden sind, wobei das Strahlführungssystem über einen Einkoppelpunkt am Laser angeschlossen ist und frei im Raum zum Manipulator geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelpunkt (5) des Strahlführungssystems (3) in mindestens einer zusätzlichen Achse (10) beweglich gelagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelpunkt (5) mittels einer verstellbaren Strahlführung (6) mit dem Laser (1) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführung (6) eine verstellbare Abschirmung aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelpunkt (5) längs der Laserstrahlachsen beweglich gelagert ist, wobei die Strahlführung (6) einen oder mehrere Umlenkspiegel (8) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführung (6) ein optisches System zur Bündelung des Laserstrahls (4) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelpunkt (5) auf einem Schlitten (12) angeordnet ist, der in einem Rahmen (13) über dem Manipulator (2) geführt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator (2) mindestens eine zusätzliche Bewegungsachse (11) aufweist, die parallel zur entsprechenden Achse (10) des Einkoppelpunktes (5) verläuft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (12) angetrieben und synchron mit dem Manipulator (2) verfahrbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (12) mit dem Manipulator (2) über eine Verbindungsstange (16) gekoppelt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (12) angetrieben und asynchron mit dem Manipulator (2) verfahrbar ist.