DE4202984C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Entsorgen von Butzen beim robotergeführten Laserschneiden von Löchern an dünnwandigen Blechteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ent­ sorgung von Butzen, die beim Laserschneiden von Löchern an dünn­ wandigen Blechbauteilen anfallen.

Verfahren und Vorrichtung sind vorwiegend zum Einsatz in Fertigungs­ linien für z. B. sogenannte harte Weißwaren, Automobile, und andere Produkte aus dünnwandigem Blechmaterial vorgesehen und sind vor dem Hintergrund einer dem Marktbedarf entsprechend steigenden Varianten­ vielfalt dieser Produkte zu sehen.

Mit der bisherigen Fertigungsmethode verbundene logistische Probleme lassen es vorteilhaft erscheinen, statt des bisher üblichen Zusammenbaus vorgefertigter Teile, in die bereits alle für die jeweils gewünschte individuelle Zusatzausstattung erforderlichen Löcher mittels Stanzwerkzeug eingebracht sind, nunmehr Standard­ produkte zu fertigen, die nur diejenigen Löcher bereits enthalten, die einer Minimalausstattung entsprechen.

Im bereits zusammengebauten Produktstadium, aber typischerweise vor der Oberflächenbehandlung und vor der Endmontage werden dann die in­ dividuell erforderlichen Löcher zur Aufnahme von Zusatzausstattungen am dreidimensionalen Teil mittels Laserstrahl geschnitten.

Hierzu werden vorteilhafterweise Knickarmroboter mit angesetzter YAG-Laser-Schneidoptik ("Schneidkopf") verwendet, wobei der Schneid­ kopf zusätzlich mittels einer sensorgesteuerten parallel zur Laser- Strahlrichtung angeordneten hochdynamischen Zusatzachse auf stets gleichbleibendem Fokusabstand zum Objekt gehalten wird.

Der Roboter übernimmt die Orientierung des Schneidkopfes in der Normalen zur Objektoberfläche. Die Führungsbewegung des Schneid­ kopfes entlang der auszuschneidenden Kontur wird entweder (bei großen Schnittlängen) vom Roboter selbst, oder (bei kleinen Löchern, typisch unterhalb 100 mm Durchmesser) aus Gründen der Genauigkeit und Schnelligkeit, mittels einer in einer Ebene senkrecht zum Laserstrahl arbeitenden, freiprogrammierbaren zweiachsigen Zusatz-Werkzeugführungseinrichtung ausgeführt, die zwischen dem Werkzeugflansch des Roboters und der Sensor-Zusatzachse angeordnet ist, an der wiederum der Schneidkopf befestigt ist.

Bei kleinen zu schneidenden Löchern fährt der Roboter hierbei in Nullstellung der Zusatz-Werkzeugführungseinrichtung die Einstich­ position für das zu schneidende Loch an (ebenso wie bei großen Löchern, bei denen der Roboter den Schneidkopf führt und die Zusatz- Werkzeugführungseinrichtung während der Schneidoperation in ihrer Nullposition verbleibt), wird dann aber in dieser Position fixiert gehalten, während die Zusatz-Werkzeugführungseinrichtung die Führung des Schneidkopfes übernimmt.

Stand der Technik

Zum Entsorgen der beim Laserstrahlschneiden von Löchern in Blechen anfallenden Butzen sind bereits Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die aber einige schwerwiegende Nachteile aufweisen, wie nachstehend aufgezeigt werden soll.

So ist in der Druckschrift EP 0 423 069 A2 ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung vorge­ schlagen worden, die den ausgeschnittenen Butzen mittels eines koaxial um den Laserschneidkopf mit Abstandssensor angebrachten Elektromagneten durch magnetische Anziehung erfaßt, diesen durch Umsetzen des Schneidkopfes mit Entsorgungsmagnet und daran hängendem Butzen zu einer Position oberhalb eines Butzen-Sammelbehälters ver­ fährt, den Butzen durch Abschalten des den Elektromagneten erregen­ den Stromes fallen läßt, und darauf den Schneidkopf wieder in den Arbeitsbereich verfährt.

Dieser Vorschlag weist einige prinzipielle Schwächen auf:

• a) Die magnetische Kraftliniendichte und damit die magnetische Anziehungskraft ist am größten an der sogenannten Magnetspitze (d.i. die Spitze der nach unten konisch zulaufenden Magnet­ glocke, die die Spule umgibt und die magnetischen Kraftlinien in der Nähe der Fokuszone wirksam werden lassen soll), deren Zentrum mit der Laser-Fokusachse zusammenfällt.
  Die magnetische Anziehung kann sich aber erst auswirken, wenn der Schneidvorgang beendet ist (auch wenn, wie vorgesehen, schon vorher der Magnet eingeschaltet wird).
  Genau in diesem Augenblick befindet sich die Magnetspitze - gemeinsam mit dem gesamten Schneidkopf - am Butzenrand über dem Schneidspalt. Bis zu diesem Zeitpunkt muß aber auch die von oben mit Überdruck auf den Schneidspalt auftreffende Schneidgaszufuhr aufrecht erhalten werden. - Dies führt zu einem ersten Unsicherheitskriterium bezüglich der Ergreifung des Butzens.
  Bei Butzen, die in ihrer Größe unter oder nur wenig über dem effektiven Durchmesser der Magnetspitze liegen, wird der Butzen wahrscheinlich zwar erfaßt. Es ergibt sich aber das Problem, daß eventuell ein derart kleines und leichtes Teil nicht sicher abgeworfen wird, zumal gerade die kleinen Butzen noch relativ günstig im magnetischen Kraftfeld liegen. Ursache hierfür ist der in der Magnetglocke enthaltene Restmagnetismus. - Die Magnetglocke wiederum ist erforderlich, weil die Spule bei tieferer Anbringung den Sensor der hochdynamischen Zusatzachse stört.
  Deshalb wurde bereits der Vorschlag gemacht, an der Spitze der nach unten konisch zulaufenden Magnetglocke einen nicht mag­ netischen Ring (Aluminium) als Abstandselement anzubringen, das den unmittelbar an der Spitze wirkenden magnetischen Kraftfluß, insbesondere zwar den durch Restmagnetismus bewirkten, aber auch den erwünschten, reduziert.
  Andererseits erscheint es wenig sinnvoll, größere Teile, z. B. Butzen von 40 oder 60 mm Durchmesser, ausgerechnet am Butzenrand mittels Magnetkraft zu greifen und während der Umsetzbewegung zu halten. Hierbei besteht dann das andere Problem kaum ausreichen­ der Greifkraft in Verbindung mit dem maximalen Hebelarm bis zum Butzenschwerpunkt. - Dies ist ein zweites Unsicherheitskriterium bezüglich der Ergreifung des Butzens.
  Grundsätzlich dürften sich die Forderungen nach sicherem Greifen und sicherem Abwerfen von gemäß Aufgabenstellung in ihrer Größe variierenden Butzen kaum miteinander vereinen lassen, weshalb der Vorschlag nach Druckschrift EP 0 423 069 A2 sich eher für einen sehr eingeschränkten Größenbereich von Butzen eignen dürfte.
• b) Die gemäß der Druckschrift EP 0 423 069 A2 vorgeschlagene Vor­ richtung weist als weiteren schwerwiegenden Mangel eine wesentliche Verschlechterung des dynamischen Verhaltens des Schneidkopfes auf. Dies ist bedingt durch die im Verhältnis zur Laser-Fokussieroptik immerhin erhebliche Vergrößerung des durch die sensorgesteuerte Zusatzachse zu bewegenden Gewichtes. - Nicht ohne Grund hat der führende Hersteller dieser hochdyna­ mischen Zusatzachsen (Precitec, vorm. Weidmüller, Gaggenau bei Baden-Baden) das Eigengewicht seines kapazitiven Sensors so gering wie möglich gehalten.
  Um Überschwingen zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren, muß deshalb unwirtschaftlich langsam gefahren werden.
• c) Die Vorrichtung gemäß der Druckschrift EP 0 423 069 A2 ist ungeeignet bei der Bearbeitung von Blechen aus nicht magnetischem Material, z. B. aus Chrom-Nickel-Stahl.
• d) Erfahrungsgemäß stellt sich in der unmittelbaren Umgebung der Fokuszone im Dauerbetrieb eine erhöhte Temperatur ein, die sich besonders bei hochwertigen magnetischen Werkstoffen mit geringem Restmagnetismus ungünstig auf die magnetische Permeabilität der Magnetglocke an deren Spitze auswirkt. Dies hat einen Rückgang der wirksamen magnetischen Kraft mit den entsprechenden Konsequenzen zur Folge.
• e) Die Vorrichtung gemäß der Druckschrift EP 0 423 069 A2 weist einen Butzen-Sammelbehälter auf, für den Mittel zur automa­ tischen Entleerung nicht vorgesehen sind. Es muß deshalb davon ausgegangen werden, daß die Entleerung manuell zu erfolgen hat. Dies bedingt im Falle einer für eine Arbeitsschicht nicht aus­ reichenden Behälterkapazität aus Sicherheitsgründen die Still­ setzung der Butzen-Entsorgungseinrichtung oder aber einen so großen Abstand vom zu bearbeitenden Objekt, daß eine Abschottung z. B. durch eine Sicherheits-Lichtschranke erfolgen kann. In beiden Fällen ergibt sich ein nachteiliger zusätzlicher Zeitbedarf.

Weiterhin wurde eine Vorrichtung zur Butzenentsorgung vorgeschlagen, bei der die Butzen nach dem Schneiden nach unten herausgedrückt werden (US 4,797,531).

Diese Vorgehensweise gestattet aber nicht, die Butzen, die beim Schneiden von Löchern an dreidimensionalen Blechbauteilen, z. B. an Autokarossen, auch an z. T. von innen schwer zugänglichen Stellen anfallen (Antennenloch) sicher nach außen zu entsorgen. - Diese Druckschrift zeigt im übrigen keine Lösung auf für die eigentliche Entsorgung der ausgeschnittenen Butzen, sondern gibt nur eine Lösung an für das Durchdrücken der ausgeschnittenen Butzen nach unten für den Fall, daß die Butzen der engen Schneidspalten wegen sonst unkontrolliert hängen bleiben würden. - Die Lösung gilt ausschließ­ lich für Einrichtungen, bei denen nicht der Schneidkopf, sondern das zu schneidende Teil bewegt wird, und nur für 2D-Teile.

Zum Stand der Technik wird weiter verwiesen auf die Veröffentlichung "Sehhilfen für Laser-Roboter", Zeitschrift ROBOTER, Heft 4/91, S. 24-26, sowie auf das Fachbuch "Der Laser in der industriellen Fertigungstechnik", H. Treiber, Darmstadt/Hoppenstedt 1990, und hier insbesondere auf die Abschnitte 4.1.1.1 "Schneidverfahren" und 4.1.1.4 "Verfahrenstechnische Aspekte des Laserstrahlschneidens".

Aufgabenstellung und Beschreibung der Erfindung

Beim Laserschneiden von kleinen Löchern an größeren 3D-Objekten, wie sie zur Aufnahme von individuell verlangten Zusatzeinrichtungen benötigt werden, ist durchgängig eine Entsorgung der anfallenden Butzen von der Unterseite her nur schwer oder kaum möglich. In einer Produktionslinie stellt sich daher die Aufgabe der Butzenentsorgung von oben, wobei sehr kleine Löcher (z. B. unterhalb etwa 12 mm Durch­ messer) durchaus ausgebrannt werden können. - Eine wirksame Schneid­ rauch- und Schneidpartikelabsaugung und -entsorgung ist ohnehin Voraussetzung.

Für die Aufgabenstellung ist typisch, daß hierbei durchweg Löcher unterhalb 100 mm Durchmesser anfallen. Der Einsatz einer die sensor­ gesteuerte Zusatzachse mit Laserschneidkopf tragenden und am Roboter-Werkzeugflansch befestigten Zusatz-Werkzeugführungsein­ richtung kann deshalb beim derzeitigen Stand der Technik vorausge­ setzt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst mit dem im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahren und der im Patentanspruch 2 angegebenen Vorrichtung. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung werden mit den Merkmalen der Patentansprüche 3 bis 20 weitergebildet.

Gemäß der Erfindung wird der Butzen dadurch entsorgt, daß das Einstichloch des Laserstrahls unter Ausnutzung der Schnittfugen­ breite des nach dem Einstechen entlang der Objektoberfläche bewegten Laserstrahls durch Ausbrennen derart vergrößert wird, daß an der Einstichstelle eine Öffnung (Greifloch) geschaffen wird, wobei die Lage des Greifloches derart ist, daß die Verbindungsgerade vom Zentrum des Greifloches zum Zentrum des auszuschneidenden Butzens (bei runden Löchern), bzw. zum Vermaßungs-Bezugspunkt (bei Frei­ formlöchern), parallel zum Roboter-Werkzeugflansch verläuft, und der Butzen durch Einführen eines Greifwerkzeuges in das Greifloch zu einem Zeitpunkt, bei dem das Greifloch hierfür zugänglich, der Butzen aber noch nicht vollständig ausgeschnitten ist, erfaßt wird, und wobei das Greifwerkzeug den Butzen bis zur Ablage in einem Behälter gegriffen hält.

Nach der Herstellung des Greifloches wird - bei fixiertem Roboter - der Schneidkopf durch die Zusatz-Werkzeugführungseinrichtung zu der zu schneidenden Kontur und an dieser entlang unter Berücksichtigung der Schnittfugenbreite verfahren.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Schneid­ bewegung des Laserstrahls nach dem Ausbrennen des Greifloches in Richtung auf das Butzenzentrum zu und darüber hinaus in der Weise, daß der Strahl im Anschluß daran in zunächst gleichbleibender Richtung bei Steigerung der Schnittgeschwindigkeit auf den für das Schneiden der Kontur vorgesehenen Wert auf einer Einlauf-Schneid­ bahn, die etwa in der Mitte desjenigen der beiden dem Greifloch gegenüberliegenden Butzen- oder Lochquadranten, der sich gemäß Schneidrichtung ergibt, sanft in die Konturschneidbahn übergeht, wobei die durch das Greifloch und das Butzenzentrum verlaufende Gerade eine Quadranten-Trennlinie, und der Quadrant, in dem die Einlaufschneidbahn in die Konturbahn übergeht, den in Schneid­ richtung ersten Quadranten darstellt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Entsorgungsarm ("Butzenarm") vorgesehen, der ebenfalls am Roboter-Werkzeugflansch befestigt ist, über je eine eigene Hub- und Schwenkachse verfügt, und am äußeren Ende seines schwenkbaren Armteils ("Schwenkarm") ein als Greifdorn ausgebildetes Greifwerkzeug in einer Greifdornführung trägt, wobei die Hubachse parallel zur Achse des Schneidkopfes orientiert ist und über einen Hub verfügt, der mindestens um den Hub, der zur Einführung des Greifdorns in das Greifloch erforderlich ist, größer ist als der Hub der sensorgesteuerten Zusatzachse und wobei die Schwenkachse um einen Winkel von etwa 45° gegenüber der Ebene des Roboter-Werkzeugflansches in der Weise nach außen geneigt ist, daß der Greifdorn bei einem seitlichen Ausschwenken des Schwenkarmes um etwa 90° zugleich in das Höhenniveau der Schwenk­ achse angehoben wird.

Gegenüber einer grundsätzlich auch möglichen Butzenentsorgung mittels eines roboterunabhängigen Armes, der ebenfalls mit einem Greifwerkzeug ausgestattet sein könnte, ist die Anordnung mit Anbindung der Greifeinrichtung an den Roboter-Werkzeugflansch aus folgenden Gründen vorzuziehen:

• - Keine Probleme bei der Einhaltung der erforderlichen hohen Positioniergenauigkeit beim Positionieren und Einführen des Greifwerkzeuges in das Greifloch (typischer Greifloch­ durchmesser: ca. 2 mm), da stets gleichartige Einführ- und Umsetzbewegungen durchzuführen sind, die keiner individuellen Programmierung bedürfen,
• - keine Kollisionsprobleme zwischen Roboter- und Entsorgungs­ arm,
• - keine Doppelprogrammierung erforderlich,
• - erheblich bessere Zugänglichkeit zu dem zu bearbeitenden Objekt.

Das Einführen des Greifdornes erfolgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zu einem Zeitpunkt, an dem der Laserschneidkopf bereits etwa zur Hälfte den ersten und vollständig den zweiten und dritten Quadranten der Lochkontur abgefahren und geschnitten hat, und in den vierten Quadranten soweit eingefahren ist, daß die Außenkante der Schneiddüse des Schneidkopfes den dritten Quadranten soeben verlassen hat, und in der Weise, daß zunächst, und zwar bereits während der Herstellung des Greifloches, die Hubachse durch Übernahme des aktuellen Positionssignals der sensorgesteuerten Zusatzachse auf eine Hubposition voreingestellt wird, die bei in die Greifposition eingeschwenktem Schwenkarm die Unterkante des Greifdorns auf den vor dem Einführen (Absenken) des Greifdornes in das Greifloch erforderlichen Abstand zur Objektoberfläche bringt und wobei diese Position für die Dauer der Schneidoperation dieses Loches in der Hubachsensteuerung als Bezugsniveau für den Einführ­ hub des Greifdornes festgehalten wird, und daß anschließend beim Austritt der Schneidkopfdüse aus dem dritten Quadranten des Butzens der Schwenkarm mit dem Greifdorn in die Greifposition eingeschwenkt wird, und schließlich der Greifdorn durch Absenken des gesamten Butzenarmes mittels der Hubachse bis zum Aufliegen der Unterkante der Greifdornführung auf der Oberfläche des Butzens in das Greifloch eingeführt wird.

Diese Absenkbewegung erfordert stets den gleichen Hub und kann deshalb fest einprogrammiert und einfach abgerufen werden.

Es sind dann noch mindestens 1 bis 1½ Quadranten abzufahren, der Butzen ist noch sicher mit dem Bauteil verbunden, und eine ein­ wandfreie zeitliche Überlappung ist sichergestellt, ohne daß für den Greifdorn eine Kollisionsgefahr mit dem Schneidkopf besteht, da dieser nach beendetem Abfahren der Lochkontur und einer kleinen Überlappung an der Einlaufstelle in der Bewegung angehalten und der Laserstrahl abgeschaltet wird.

Die Positionierung des Schneidkopfes erfolgt - bei Nullstellung der Werkzeugführungseinrichtung - in bekannter Weise durch einen nach Reichweite, Genauigkeit und Dynamik geeigneten Industrie­ roboter. Als Laser ist ein Nd : YAG-Laser vorgesehen, der mit dem Schneidkopf über einen flexiblen Lichtwellenleiter verbunden ist.

Bei Löchern mit einem Durchmesser von etwa 20 mm oder mehr könnte durchaus das Greifloch im Butzenzentrum angeordnet werden. Bei kleineren Löchern würde aber dann ein Greifen des Butzens zu einem Zeitpunkt, an dem dieser noch teilweise mit dem Objekt verbunden ist, aus Kollisionsgründen nicht möglich sein.

Damit wäre für alle Löcher unterhalb 20 mm Durchmesser ein Aus­ brennen mittels Laserstrahl auf spiral- oder mäanderförmiger leicht überlappender Bahn (je nach Art der Lochkontur) erforderlich. Dies erscheint zwar für Löcher unter ca. 12 mm (entsprechend ca. 115 mm²) noch gerade zulässig, nicht aber für die gerade bei Zusatzlöchern recht häufigen Lochgrößen im darüberliegenden Bereich bis 20 mm Durchmesser (entsprechend etwa 315 mm²), und zwar nicht nur wegen des erhöhten Schneidrauchanfalls, sondern auch wegen der hierbei völlig unbefriedigenden Taktzeiten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist deshalb das Aus­ brennen des Greifloches in einem Abstand A vom Butzenzentrum auf der Trennlinie zwischen dem zweiten und dem dritten Quadranten vorge­ sehen, wobei der Roboter jedoch - mit der Zusatz-Werkzeugführungs­ einrichtung in Nullstellung - die Position des Butzenzentrums anfährt, und die Zusatz-Werkzeugführungseinrichtung selbst mittels einer weiteren Verschiebeachse ("Querachse"), die parallel zum Roboter-Werkzeugflansch und senkrecht zur Achse des Schneidkopfes angeordnet ist, um den Hub A zur Herstellung des Greifloches seitlich verschoben, und nach dem Ausbrennen des Greifloches wieder auf die Nullposition zurückgeführt wird. Der Abstandswert A ergibt sich aus den einander zugewandten Radien von Greifdornführung und Schneiddüse zuzüglich eines Sicherheitsabstandes, bezogen auf die minimale zur körperlichen Butzenentsorgung geeignete Butzengröße. Die Querachse ist anschlagpositioniert, hochgenau, und kann bezüg­ lich etwaiger zusätzlicher Positionsunsicherheiten vernachlässigt werden.

Die auf die Butzenfläche entfallenden und vom Greifdorn aufzu­ nehmenden Kräfte setzen sich zusammen aus der Gravitationslast (je nach Lage im Raum) und dem Druck, der durch das Schneidgas auf den Butzen ausgeübt wird. Diese Druckkräfte sind nicht unerheblich, da das Schneidgas mit etwa 2 bis 14 bar, je nach Art des zu schneidenden Werkstoffes, aus der im Abstand von etwa 1 mm oder weniger von der Oberfläche des Objektes befindlichen Düsenöffnung auftrifft.

Es muß deshalb sichergestellt sein, daß der Greifdorn den Butzen in zuverlässiger Weise erfaßt, wobei zugleich die Orientierung des Butzens zum Greifdorn während des späteren Transportes des ausgeschnittenen Butzens zu einem Sammelbehälter im wesentlichen beibehalten werden sollte, um kontrollierte Umsetzbewegungen zu ermöglichen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist deshalb der Greifdorn als Dehnhülse ausgeführt und mit einem zwangsbetätigten und ver­ riegelbaren Dehnantrieb versehen, der den Greifdorn im Greifloch des Butzens festkeilt, wobei die Orientierung des Butzens durch Anlage der Greifdornführung am Butzen erreicht wird.

Die Dehnhülse besteht in einer ersten Bauform vorteilhafterweise aus einer im Antriebsteil konisch geformten und im Antriebs- und Greif­ teil geschlitzten, nach innen durch Federwirkung des Materials vor­ gespannten Hülse, die im nicht gespannten (also nicht betätigten) Zustand im Greifteil an einem zylindrischen, im Arbeitsteil an einem konischen Teil eines als letztem Glied des Dehn- oder Verriegelungs­ antriebes fungierenden Verriegelungsstiftes anliegt.

Der Greifdorn kann aber in einer zweiten, alternativen Bauform auch als formschlüssiges Element ausgeführt werden, wobei eine günstige Ausführungsform die Verwendung von mehreren parallel zueinander angeordneten Federdrähten vorsieht, die an der Greifdornführung befestigt und an ihren äußeren Enden mit dem Ende eines Zugstiftes verbunden sind, der nach dem Einführen des Greifdornes in das Greifloch durch einen gegen die Einführ­ richtung orientierten und an der Greifdornführung oder dem fest hiermit verbundenen Schwenkarm abgestützten Zug die Federdrähte zum Auseinanderspreizen und dadurch den Butzen zur Anlage an der Greifdornführung bringt.

Hakengreifer bieten sich wegen der hierfür erforderlichen größeren Greiflöcher weniger an, sind jedoch ebenfalls - insbesondere bei größeren Butzen und hierbei zulässigen größeren Greiflöchern - einsetzbar, was durch einen zusätzlichen Schwenkarm mit eigenem Schwenk- und Verriegelungsantrieb, der ebenfalls am Abtriebs­ schlitten der Butzenarm-Hubachse angebracht ist, bei Bedarf realisierbar ist.

Der Greifdorn mit seinem Verriegelungsantrieb (Dehn- oder Zugan­ trieb) befindet sich gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung am äußeren Teil des Schwenkarmes. Dieser verfügt, wie bereits erwähnt, über einen eigenen Schwenkantrieb, mit dem der Schwenkarm aus seiner Wartestellung in die Greifposition geschwenkt werden kann, und ist über eine Schwenklagerhalterung mit einer Hubachse verbunden, die einen um den Einführhub des Greifdornes vergrößerten Gesamthub gegenüber dem Hub der sensorgesteuerten Zusatzachse auf­ weist.

Nach Beendigung der Schneidoperation und dem Abschalten des Lasers (Schließen des Shutters) bewegt der Roboter die Gesamtheit von Laserschneidkopf, Sensor-Zusatzachse, Zusatz-Werkzeugführungsein­ richtung, Butzenarm-Hubachse mit angeschlossener Schwenklager­ halterung, Schwenkachse, Schwenkarm, Greifdorn und Butzen, sowie der Querachse und einem ebenfalls am Werkzeugflansch befestigten Butzen-Sammelbehälter vom Objekt weg.

Hierauf kann der Schwenkarm problemlos in die seitliche Warte­ lage geschwenkt werden. Dies erfolgt gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung unter gleichzeitiger Orientierung der Ebene des Roboter-Werkzeugflansches in die Vertikale.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist unterhalb der Warte­ position des Greifdornes (seitlich herausgeschwenkter Schwenkarm) in kollisionsfreiem Abstand zum größten vom Greifdorn mitführbaren Butzen ein Sammelbehälter mit einem oberen und einem unteren Verschlußschieber angeordnet. Die Verschlußschieber können mittels je eines Aktuators unabhängig voneinander alternativ in eine Offen- oder Verschlußlage gebracht werden. - Beide Schieber sind normaler­ weise in Verschlußlage.

Zum Abwerfen des Butzens in den Sammelbehälter wird bei Erreichen der vertikalen Werkzeugflanschorientierung und kurz vor Erreichen der vorbeschriebenen Warteposition des Schwenkarmes der obere Verschlußschieber geöffnet und anschließend nach der Entriegelung des Greifdornes der Butzen mittels eines Druckluftstrahls aus einer Düse vom Greifdorn abgestreift und in den Sammelbehälter abgeworfen.

Die Luftdruckdüse kann am Schwenkarm angeordnet sein und ist dann vorteilhafterweise in die Greifdornführung integriert.

Unmittelbar nach dem Abwerfen des Butzens, das gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung durch eine ebenfalls in die Greif­ dornführung integrierte Sensorik, vorzugsweise fluidischer Art, - ebenso wie das Einführen und Spannen/Verriegeln des Greifdorns - überwacht wird, wird der Verschlußschieber wieder geschlossen und bis zum nächsten Butzenabwurf geschlossen gehalten. Dies ist erforderlich, weil bei der 3D-Bearbeitung von Bauteilen sonst durchaus eine ungewollte Entleerung des Sammelbehälters statt­ finden könnte.

Der untere Verschlußschieber verbleibt während der Bearbeitung eines Objektes stets geschlossen, es sei denn, es wäre aus Kapazitäts­ gründen eine Zwischenentleerung erforderlich.

Der Butzen ist nach dem Greifen verhältnismäßig fest mit dem Greifdorn verbunden, da hierzu aus Sicherheitsgründen ein Kniehebelantrieb eingesetzt wird. Um die Verriegelung wieder zu lösen, ist erfindungsgemäß ein separater Entriegelungsantrieb vorgesehen, der ebenso wie der Verriegelungsantrieb als Druck­ luftzylinder ausgeführt, aber mit frei vorlaufendem Überhub ausgestattet ist und hierdurch unter Beschleunigung einer an die Aufgabe angepaßten Masse durch Hammerwirkung eine sichere und schnelle Entriegelung bewirkt.

Die im Greifdorn vorzugsweise eingesetzten Dehnhülsen und Ver­ riegelungsstifte müssen als Verschleißteile betrachtet werden, die in kürzeren Abständen prophylaktisch durch neue zu ersetzen sind, auch wenn die bisherigen noch funktionsfähig sind. Erfindungsgemäß sind deshalb Dehnhülse und Verriegelungsstift als leicht auswechsel­ bare Elemente ausgebildet.

Weitere Einzelheiten werden in Verbindung mit den nachstehend aufgeführten Abbildungen erläutert:

Abb. 1 zeigt den Schwenkarm (30) mit Greifdorn-Verriegelungsantrieb (31) sowie die Störkonturen von Laser-Schneidkopf (33) und sensorgesteuerter Zusatzachse (34), und zwar von letzterer auch in der innersten möglichen Position der Zusatz-Werkzeugführungsein­ richtung (51).

Abb. 2 zeigt die Vorrichtung in der Draufsicht bei abgenommener, aber in den Konturen angedeuteter Zusatz-Werkzeugführungseinrichtung (51). Nicht dargestellt sind hierbei Schneidkopf (33), Schwenkan­ trieb (52) und Hubachsenantrieb (43).

Abb. 3 zeigt die Spitze des Schwenkarmes (30) mit Greifdornführung (22), Dehnhülse (23), Verriegelungsstift (24) mit Zapfenkopf (28), Führungsbuchse (56) und - versetzt angedeutet - den in die Greif­ dornführung (22) integrierten Düsenbohrungen für den fluidischen Sensor (48) zur Butzenpräsenzkontrolle und für den Druckluftstrahl zum Butzenabwurf (49).

Abb. 4 zeigt die Greifdornführung (22) in der Draufsicht, wobei auch die seitlichen Ausnehmungen (55) im Greifdornführungskörper zu erkennen sind, die den Zugang zur Entriegelung der Dehnhülsen­ halterungslappen, und damit zum Auswechseln der Dehnhülsen (23) ermöglichen. Bei herausgenommener Dehnhülse (23) kann auch die Führungsbuchse (56) leicht gewechselt werden.

Abb. 5 zeigt beispielhaft eine Dehnhülse (23) im Schnitt mit Kennzeichnung von Antriebs- (25) und Greifteil (26).

Abb. 6 zeigt die Dehnhülse (23) in der Ansicht von unten.

Abb. 7 zeigt den Verriegelungsstift (24) mit Zapfenkopf (28) in Front- und Seitenansicht.

Abb. 8 veranschaulicht den Begriff des Formloches (16) als nicht rundes Freiformloch.

Abb. 9 schließlich zeigt in der Draufsicht im Detail den Schnitt­ bahnverlauf (15) für ein kleines Loch, bei dem gerade noch mit dem Greifdorn (53) der Butzen (50) entsorgt werden kann. Hier sind auch die Störkanten (5, 7-9) von Greifdornführung (22) und Schneiddüse (32) gut zu erkennen.

Weitere Erläuterungen sind in der nachstehenden Positionsübersichts­ tabelle enthalten.

Positions-Übersichtstabelle zu den Abb. 1 bis 9

Claims (21)

1. Verfahren zum Entsorgen von Butzen beim robotergeführten Laser­ schneiden von Löchern an dünnwandigen Blechbauteilen mit einer Einrichtung, die den Butzen (50) bis zur Ablage in einen Behäl­ ter (46) hält, dadurch gekennzeichnet, daß der auszuschneidende Butzen (50) vor dem Beginn des Abfahrens der Loch- oder Butzen­ konturbahn (15, 16) mit einem durch Ausbrennen mittels Laser­ strahl hergestellten Greifloch (2) versehen wird, das die Loch­ konturbahn (15, 16) nicht tangiert, und in das ein Greifwerkzeug (53) zu einem Zeitpunkt eingeführt wird, bei dem das Greifloch (2) hierfür zugänglich, der Butzen (50) aber noch nicht voll­ ständig ausgeschnitten ist.

2. Vorrichtung zum Entsorgen eines Butzens (50), der beim Schneiden von Löchern an dünnwandigen Bauteilen entsteht, mit einem robotergeführten Laserschneidkopf und einer Einrichtung für die Aufnahme und Ablage des ausgeschnittenen Butzens in einen Behäl­ ter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Roboter-Werkzeugflansch (54) ein Butzen- Entsorgungsarm angebracht ist, der über eine eigene Hubachse (43) und eine Schwenkachse (52) verfügt, daß der Butzen- Entsorgungsarm weiterhin aus einer Schwenklagerhalterung (29) und einem Schwenkarm (30) besteht, daß der Schwenkarm (30) am äußeren Ende einen Greifdorn (53) als Greifwerkzeug trägt, der in einer Greifdornführung (22) gelagert ist, daß die Hubachse (43) parallel zur Achse (20) des Schneidkopfes (33) orientiert ist und über einen Hub verfügt, der mindestens um den Hub, der zur Einführung des Greifdornes (53) in das Greifloch (2) erfor­ derlich ist, größer ist als der Hub der sensorgesteuerten Zu­ satzachse (34) für die Schneidkopfführung, und daß die Schwenk­ achse (52) um einen Winkel von etwa 45° gegenüber der Ebene des Roboter-Werkzeugflansches (54) in der Weise geneigt ist, daß der Greifdorn (53) bei seitlichem Ausschwenken des Schwenkarmes (30) um etwa 90° - bei senkrechter Orientierung der Hubachse (43) - auf das Höhenniveau der Schwenkarmlagerung anhebbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Greifloches (2) derart ist, daß die Verbindungsgerade vom Zentrum (3) des Greifloches (2) zum Zentrum (1, 17) des auszu­ schneidenden Butzens (50) parallel zum Werkzeugflansch (54) des Roboters verläuft, und daß das Greifloch (2) in einem Abstand A zum Butzenzentrum (1, 17) angeordnet wird, wobei sich der Ab­ stand A aus den einander zugewandten Radien von Greifdornführung (22) und Schneiddüse (32), zuzüglich eines Sicherheitsabstandes, und bezogen auf den kleinstmöglichen erfaßbaren Butzendurch­ messer ergibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidbewegung des Laser-Schneidkopfes (33) nach dem Ausbrennen des Greifloches (2) in Richtung auf das Butzenzentrum (1, 17) erfolgt und darüber hinaus in gleicher Richtung auf einer Einlauf-Schneidbahn (14), die etwa in der Mitte desjenigen der beiden dem Greifloch (2) gegenüberliegenden Lochquadranten, der sich gemäß Schneidrichtung ergibt, sanft in die Kontur­ schneidbahn (15) einmündet, wobei die durch das Greiflochzentrum (3) und das Butzenzentrum (1, 17) verlaufende Gerade eine Quadrantentrennlinie und das Butzenzentrum (1, 17) den Ursprung der Quadrantenteilung darstellen und der Quadrant, in dem die Einlaufschneidbahn (14) in die Konturbahn (15) einmündet, den in Schneidrichtung ersten Quadranten darstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtriebsschlitten (44) der Butzenarm-Hubachse (43) während der Herstellung des Greifloches (2) bei noch seitlich ausgeschwenkt in Warte-Position befindlichem Schwenkarm (30) durch Übernahme des aktuellen Positionssignals der sensor­ gesteuerten Zusatzachse (34) auf eine Hubposition voreinge­ stellt ist, die bei Einschwenken des Schwenkarmes (30) in die Greifposition die Unterkante des Greifdornes (53) auf den vor dem Einführen des Greifdornes (53) in das Greifloch (2) er­ forderlichen freien Abstand zur Butzenoberfläche bringt, und wobei die Hubachsensteuerung diese Position der Hubachse (43) für die Dauer der Schneidoperation eines Loches festhält.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkarm (30) mit dem Greifdorn (53) beim Austritt der Schneidkopfdüsen-Störkante (7) aus dem dritten Quadranten des Butzens (50) in die Greifposition einschwenkt, und daß an­ schließend der Greifdorn (53) durch Absenken des gesamten Butzenarmes mittels der Butzen-Hubachse (43) um den Einführhub des Greifdornes, bezogen auf den durch Übernahme des aktuellen Positionssignals der sensorsgesteuerten Zusatzachse (34) vor­ eingestellten Wert, in das Greifloch (2) bis zum Anliegen der der Unterkante der Greifdornführung (22) an der Butzenober­ fläche eingreift.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Schneiden kleiner Löcher erforderliche Zusatz-Werkzeugführungseinrichtung (51) über eine Querschlittenachse (40) mit dem Roboter-Werk­ zeugflansch (54) verbunden ist, wobei diese Querschlittenachse (40) mit ihrem Hub genau auf den Abstand A zwischen Greifloch­ zentrum (3) und Butzenzentrum (1, 17) eingerichtet ist und nur jeweils eine dieser beiden Endlagen als definierte Positionen einnehmen kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn einer Lochschneidoperation

• - sich der Querschlitten (40) mit der Zusatz-Werkzeug­ führungseinrichtung (51) und dem Schneidkopf (33) um den Hub A aus der Nullstellung in Richtung des zu erstellenden Greifloches (2) verschiebt,
• - der Roboter den Schneidkopf (33) mit seiner Achse (20) so über dem auszuschneidenden Butzen (50) positioniert, daß die Schneidkopfachse (20) bei Nullstellung des Quer­ schlittens (40) sich über dem Butzenzentrum (1, 17) befinden würde,

und daß der Querschlitten (40) nach der Herstellung des Greif­ loches (2) sogleich wieder in seine Nullstellung zurückfährt und dort bis zum Beginn der nächsten Lochschneidoperation verbleibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Greifwerkzeug ein aus einer Dehnhülse (23) mit Ver­ riegelungseinrichtung (24) bestehender Greifdorn (53) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnhülse (23) in ihrem dem Butzen (50) zugewandten Teil geschlitzt, durch Federwirkung des Materials nach innen vor­ gespannt, und durch Eindrücken eines Verriegelungsstiftes (24) im Greifloch (2) festklemmbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifdorn (53) aus zylindrisch um eine Zugstange angeordneten und oben in der Greifdornführung (22) gehaltenen Federdrähten besteht, die nach dem Einführen in das Greifloch (2) durch Aufbringen von Druckkräften auf ihre unteren Enden mittels der dort angreifenden nach oben ziehenden Zugstange aufspreizen und den Butzen (50) formschlüssig greifen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter als Butzen-Sammelbehälter (45) ausgebildet und am Roboter-Werkzeugflansch (54) derart befestigt ist, daß er sich bei vertikaler Stellung der Hubachse (43) und seitlich aus­ geschwenktem Schwenkarm (30) kollisionsfrei unterhalb des größten zu entsorgenden Butzens (50) befindet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Butzensammelbehälter (45) mit einem oberen und mit einem unteren Verschlußschieber mit jeweils eigenem Aktuator aus­ gerüstet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor die Präsenz eines Butzens (50) bei in das Greifloch (2) eingeführtem Greifdorn (53) kontrolliert.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein fluidischer Staudrucksensor eingesetzt ist, dessen Düsenelement (48) in die Greifdornführung (22) integriert ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein impulsartiger Druckluftstrahl den gegriffenen Butzen (50) vom Greifdorn (53) nach dem Ausschwenken des Schwenkarmes (30) und dem Entriegeln des Greifdornes (53) abstreift, der in Abstreif­ richtung auf den Butzen (50) gerichtet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftdüsenbohrung (49) in die Greifdornführung (22) inte­ griert ist.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2, 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein separater Entriegelungsaktuator den Greifdorn (53) oder die Dehnhülse (23) mit Verriegelungsstift (24) bei gleichzeitiger Umsteuerung des Verriegelungsantriebes (31) von Verriegeln auf Lösen entriegelt, der vorzugsweise - ebenso wie der Verriegelungsaktuator (31) - als Druckluftzylinder aus­ geführt ist, aber über einen frei vorlaufenden Überhub verfügt, und hierdurch unter Beschleunigung einer angekoppelten Masse eine mit Sicherheit zum Lösen der Verriegelung ausreichende impulsförmige Kraft bereitstellt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnhülse (23) mittels mehrerer, am ihrem umgestülpten Oberteil befindlichen ausgeklinkten und federnd nach außen gerichteten Lappen nach Eindrücken der Dehnhülse (23) in die Greifdornführung (22) dort durch Einrasten der Lappen in Ausnehmungen (55) der Greifdornführung (22) sich selbst gegen Herausfallen sichert, und daß die Ausnehmungen (55) zugleich durch ihre Zugänglichkeit von außen das Ansetzen eines Werk­ zeuges zum Entriegeln der Dehnhülsenlappen beim Auswechseln der Dehnhülsen (23) gestatten.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Greifloch (2) im Butzenzentrum (1, 17) angeordnet wird.