DE4335367C2 - Roboterhand für die 3-D-Bearbeitung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Roboterhand für die 3-D-Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung, insbesondere für Roboter mit mindestens fünf Achsen, mit einer robotersei­ tigen Handachse, an der eine werkstückseitige Handachse schwenkbeweglich mit einem Achsenkörper angebracht ist, an dem eine die Laserstrahlung auf das Werkstück fokussierende Fokus­ sierlinse vorhanden ist, mit einem Anschluß für ein die Laser­ strahlung zuführendes Lichtleitkabel, der an der roboterseiti­ gen Handachse angebracht ist und die Laserstrahlung koaxial mit der Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse einkoppelt, die einen die Laserstrahlung aus der Schwenkachse zur Fokus­ sierlinse umlenkenden Spiegel aufweist, und mit einer Linsenan­ ordnung zur Kollimierung der mit dem Lichtleitkabel zugeführten Laserstrahlung.

Bei der Werkstückbearbeitung mit Laserstrahlung werden für räumliche Werkstückgeometrien bzw. für eine 3-D-Bearbeitung zu­ nehmend Industrieroboter eingesetzt, die mit einer flexiblen Strahlführung arbeiten. Anwendungsgebiete für solche Roboter sind u. a. das Schneiden und das Schweißen an Automobilkomponen­ ten im Karosseriebereich.

Bei Knickarmrobotern, die mit CO₂-Lasern arbeiten, dienen Spiegelsysteme der Strahlführung innerhalb der Roboterachsen. Bei einer solchen integrierten Strahlführung ist der innerhalb der Roboterachsen erforderliche Platzbedarf ein Grund für größeren baulichen Aufwand. Es ergeben sich dadurch auch Beein­ trächtigungen der Dynamik dieser Knickarmroboter.

Aus der DE-Z: LASER, Juni 1991, S. 126, 129 ist ein Knick­ armroboter mit einem Nd:YAG-Laser bekannt, bei dem die Laser­ strahlung nicht über eine Vielzahl von in den Achsen fest in­ stallierten Spiegeln erfolgt, sondern über ein flexibles Licht­ leitkabel. Dieser bekannte Roboter hat eine Roboterhand mit den eingangs genannten Merkmalen. Der Anschluß für das die Laser­ strahlung zu führende Lichtleitkabel ist an der werkstückseiti­ gen Handachse dieser Roboterhand angebracht. Die Anbringung er­ folgt im wesentlichen quer zum Knickarm des Roboters. Durch diese externe Anflanschung wird der Bewegungsraum des Roboters zum Teil erheblich eingeschränkt. Das Bauvolumen der externe Anflanschung des Lichtleitkabels verschlechtert die Zugänglich­ keit der Bearbeitungszone am Werkstück. Aus Zeitgründen soll die werkstückseitige Hand mit hoher Dynamik bewegt werden, so daß entsprechend große Beschleunigungskräfte auftreten. Hierge­ gen ist das Lichtleitkabel vergleichsweise empfindlich, so daß aus den erheblichen Beschleunigungskräften der werkstückseiti­ gen Handachse Beschädigungen des Lichtleitkabels und der Bear­ beitungsoptik herrühren können.

Aus der JP 1-321 089 A in: "Patents Abstract of Japan", 1990, Sec. M-947, Vol. 14/No. 127 ist ein Maschinenkopf für eine Laserstrahlmaschine bekannt, bei dem ein Anschluß für ein die Laserstrahlung zuführendes Lichtleitkabel vorhanden ist, der roboterseitig angebracht ist und die Laserstrahlung koaxial mit der Schwenkachse einer werkstückseitigen Achse einkoppelt, die einen die Laserstrahlung aus der Schwenkachse zu einer Fo­ kussierlinse umlenkenden Spiegel aufweist, wobei eine Linsenan­ ordnung zur Kollimierung der mit dem Lichtleitkabel zugeführten Laserstrahlung vorhanden ist. Diese Linsenanordnung ist inner­ halb der werkstückseitigen Achse mit Distanz zum Ende des Lichtleitkabels angeordnet, so daß sich eine entsprechende un­ vermeidbare Strahlaufweitung ergibt. Dementsprechend ist das Volumen der werkstückseitigen Achse groß und die bekannte werk­ stückseitige Achse kann nur von geringer dynamischer Qualität sein.

Aus der US 4 855 565 ist eine Roboterhand bekannt, bei der eine roboterseitige Handachse werkstückseitig U-förmig ausgebildet ist und zwischen den U-Schenkeln ein eine Fokussierlinse auf­ weisender Achsenkörper schwenkbar gelagert ist. Die Schwenkach­ sen des Achsenkörpers beziehungsweise der werkstückseitigen Handachse und der roboterseitigen Handachse sind einander pa­ rallel, so daß mit dieser Roboterhand keine 3-D-Bearbeitung im Bereich dieser beiden Achsen möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Roboterhand so zu verbessern, daß ihr die Laserstrahlung über ein Licht­ leitkabel zugeführt werden kann, zugleich aber die dynamischen Qualitäten des Roboters gesteigert werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die roboterseitige Handachse eine zu der Schwenkachse senkrechte Bewegungsachse aufweist und werkstückseitig U-förmig ausgebildet ist, daß der die Fokussierlinse aufweisende Achsenkörper zwischen den U-Schenkeln schwenkbar gelagert ist, daß der Anschluß für das Lichtleitkabel mit einem Befestigungsflansch außen an einem der U-Schenkel befestigt ist, und daß die Linsenanordnung zur Kol­ limierung der mit dem Lichtleitkabel zugeleiteten Laserstrah­ lung in einen eine Steck- oder Schraubverbindung aufweisenden Stecker des Anschlusses integriert oder eine von der fasersei­ tigen Steckverbindung separate Baugruppe ist.

Für die Erfindung ist zunächst von Bedeutung, daß das Lichtleitkabel nicht an der hochdynamischen werkstückseitigen Handachse angebracht wird, sondern an der roboterseitigen Hand­ achse, so daß die werkstückseitige Handachse ohne Rücksicht­ nahme auf den Anschluß für das Lichtleitkabel ausgebildet wer­ den kann, und zwar insbesondere hinsichtlich hoher dynamischer Fähigkeiten. Des weiteren ist von Bedeutung, daß der Anschluß die Laserstrahlung koaxial mit der Schwenkachse der werkstück­ seitigen Handachse einkoppelt. Infolgedessen kann die Strahlzu­ führung und Einkopplung in die werkstückseitige Handachse unab­ hängig von den unterschiedlichen erforderlichen Stellungen der werkstückseitigen Handachse stets ungeändert bleiben. Es ist lediglich ein einziger umlenkender Spiegel erforderlich, um die Laserstrahlung aus ihrer Schwenkachse zur Bearbeitungsoptik um­ zulenken. Bei dieser Ausgestaltung des Anschlusses des Licht­ leitkabels an die Roboterhand ist letzteres gegen Faserbruch seiner Glasfasern durch mechanische Überbeanspruchung gut ge­ schützt und schränkt den Arbeitsbereich des Roboters nicht ent­ scheidend ein. Andererseits werden auch die dynamischen Quali­ täten des Roboters nicht beeinträchtigt. Das ist bei der werk­ stückseitigen Handachse offensichtlich, da diese völlig frei von Anschlußelementen ist. Lediglich diejenige roboterseitige Handachse, an die der Anschluß für das Lichtleitkabel führt, ist insoweit beeinträchtigt. Diese Beeinträchtigung hält sich jedoch in Grenzen, da die Zuführung der Laserstrahlung quer zur Längsachse dieser roboterseitigen Handachse erfolgt, so daß de­ ren Querschnittsabmessungen nicht beeinträchtigt werden. Auch alle weiteren etwa vorhandenen roboterseitigen Achsen bzw. Knickarmelemente werden von dem Anschluß des Lichtleitkabels praktisch nicht beeinträchtigt. Bezogen auf den gesamten Knick­ arm des Roboters liegt eine Teilintegration vor, die auch für die einen vergleichsweise größeren Divergenzgrad der von Fest­ körperlasern herrührende Strahlung praxisgerecht ausgestaltet ist. Es wäre denkbar, die Laserstrahlung in eine Handachse ein­ zukoppeln, die der werkstückseitigen Handachse nicht direkt be­ nachbart ist. Es verlieren sich dann jedoch zumindest zum Teil die oben beschriebenen Vorteile.

Um die Masse der werkstückseitigen Handachse möglichst ge­ ring halten zu können, was entsprechend geringe Trägheitsmo­ mente zur Folge hat und entsprechend schnelle Bewegungen zu­ läßt, wird die Roboterhand so ausgestaltet, daß die robotersei­ tige Handachse werkstückseitig U-förmig ausgebildet ist, daß die werkstückseitige Handachse zwischen den U-Schenkeln schwenkbar gelagert ist, und daß der Anschluß für das Licht­ leitkabel mit seinem Befestigungsflansch außen an einem der U-Schenkel befestigt ist. Bei dieser Ausgestaltung weist die werkstückseitige Handachse lediglich die zu ihrer Lagerung an der roboterseitigen Handachse erforderliche Bauteile auf, sowie die für die Werkstückbearbeitung erforderliche Bearbeitungsop­ tik.

Vorteilhafterweise ist die Roboterhand so ausgestaltet, daß der Anschluß für das Lichtleitkabel einen im von 90° abwei­ chenden Winkel zur Schwenkachse stehenden Umlenkspiegel hat. Durch diese Ausgestaltung der Roboterhand wird durch die Wahl des Winkels gewährleistet, daß das Lichtleitkabel nicht verti­ kal zur Längsachse der roboterseitigen Handachse angeordnet sein muß, sondern in einem für die Dynamik und in Bezug auf den Raumbedarf im Bearbeitungsbereich optimalen Winkel angeordnet sein kann. Sofern gewünscht wird, daß das Lichtleitkabel zumin­ dest kurz vor seinem Anschluß an die Roboterhand möglichst pa­ rallel zur Längsachse der roboterseitigen Handachse geführt ist, wird die Roboterhand so ausgebildet, daß der Anschluß mit einem senkrecht zur Schwenkachse der werkstückseitigen Hand­ achse angeordneten Befestigungsflansch und mit einem dazu im rechten Winkel stehenden Kabelflansch versehen ist, und daß der Umlenkspiegel unter einem Winkel von etwa 45° beiden Flansch­ öffnungen zugeneigt ist.

Um die werkstückseitige Handachse weiterhin bezüglich ih­ rer dynamischen Eigenschaften zu optimieren, wird sie so ausge­ bildet, daß die Bearbeitungsoptik in einem zylindrischen Ge­ häuse angeordnet ist, dessen Längsachse quer zur Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse steht, und daß werkstückseitig eine zylindrische Abdeckkappe mit seitlichem Gasanschluß und/oder mit einer Linsenschutzscheibe und/oder mit einer quer zur Laserstrahlung justierbaren Düse versehen ist. Alle Bau­ teile der Rearbeitungsoptik und der dieser nachgeschalteten Teile sind in gleicher Weise symmetrisch ausgerichtet, und zwar koaxial untereinander und koaxial mit der dem Werkstück zu zu­ führenden Laserstrahlung. Es resultiert eine von der Schwenk­ achse der werkstückseitigen Handachse aus gesehen geringe Bau­ länge mit einem im Sinne hoher Dynamik geringen Massenaufwand.

Um die Einkopplung der Laserstrahlung durch den Anschluß für das Lichtleitkabel koaxial zur Schwenkachse der werkstück­ seitigen Handachse präzise ausrichten zu können, ist der Um­ lenkspiegel am Anschluß justierbar befestigt.

Es ist vorteilhaft, die Roboterhand so auszubilden, daß der die Laserstrahlung aus der Schwenkachse der werkstückseiti­ gen Handachse umlenkende Spiegel ein mit der Schwenkachse ko­ axialer zylindrischer Körper mit dem Mittelquerschnitt eines rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecks ist, dessen Spiegel­ fläche mit einer Spiegelhalterung unter 45° geneigt zur Schwenkachse und zur Linsenmittelebene der Bearbeitungsoptik angeordnet ist. Durch diese Ausbildung wird der umlenkende Spiegel dem Einbauort optimal angepaßt. Er kann insbesondere auf einfache Weise derart lagegenau befestigt werden, daß der gewünschte Verlauf der Laserstrahlung präzise erreicht wird.

Die Roboterhand kann so ausgestaltet werden, daß der um­ lenkende Spiegel und/oder der Umlenkspiegel teiltransparent ist bzw. sind und die jeweilige Spiegelfläche eine Reflexionsbe­ schichtung für die Wellenlänge der Laserstrahlung aufweist bzw. aufweisen. Infolgedessen wird die für die Bearbeitung zu ver­ wendende Laserstrahlung 100%tig reflektiert, während andere Strahlung dem Transparentgrad des Spiegelwerkstoffs entspre­ chend reflektiert bzw. durchgelassen wird.

Durchgelassene Strahlung kann für Meß- und Steuerzwecke ausgenutzt werden. Wenn beispielsweise die Programmierung der Bearbeitungsbahn des Roboters erleichtert werden soll, indem das sogenannte Teach-In-Verfahren angewendet wird, kann die Ro­ boterhand so ausgebildet werden, daß am Anschluß des Lichtleit­ kabels eine durch den Umlenkspiegel strahlungsbeobachtende CCD-Kamera oder deren bildaufnehmender Teil angebracht ist, an die bzw. an den eine Bahnsteuerung für den Roboter angeschlossen ist. Die CCD-Kamera bzw. ihr bildaufnehmender Teil wird vor­ zugsweise außen am Anschluß direkt hinter dem Umlenkspiegel an­ gebracht. Die CCD-Kamera bzw. deren bildaufnehmender Teil wer­ den vergleichsweise massearm ausgebildet, so daß die dynami­ schen Eigenschaften der Roboterhand nur geringfügig beeinträch­ tigt werden. Von der Bearbeitungsstelle herrührende Strahlung wird von der CCD-Kamera oder deren bildaufnehmendem Teil beob­ achtet, und zwar direkt hinter dem Umlenkspiegel oder mit einer weiteren bildübertragenden Optik, die im rechten Winkel zur von der Bearbeitungszone einfallenden Strahlung angebaut ist.

Die Roboterhand kann zur Faserbruchüberwachung des Licht­ leitkabels herangezogen werden, wenn am Anschluß des Lichtleit­ kabels eine durch den Umlenkspiegel pilotstrahlbeobachtende Sensoreinheit angebracht ist, die mit einer laserabschaltenden Steuereinheit in Wirkverbindung steht. Die Sensoreinheit ist beispielsweise die vorgenannte CCD-Kamera oder deren bildauf­ nehmender Teil, oder es wird ersatzweise eine Fotodiode als Sensoreinheit verwendet. Registriert wird ein Pilotstrahl eines HeNe-Lasers oder eines Diodenlasers, deren im roten Bereich liegende Laserstrahlung erheblich geschwächt wird oder ganz verlöscht, falls das Lichtleitkabel bzw. deren Glasfasern teil­ weise oder vollständig brechen. In einem solchen Fall veranlaßt die Sensoreinheit ein Abschalten des Lasers über die mit ihr in Wirkverbindung stehende Steuereinheit.

Die Roboterhand kann vorteilhafterweise auch so ausgestal­ tet werden, daß in der werkstückseitigen Handachse, von der Be­ arbeitungsoptik aus hinter dem umlenkenden Spiegel ein Sensor zur Erfassung prozeßrelevanter Signale der Bearbeitungszone an­ geordnet ist, der an eine Prozeßsteuerung oder -regelung für die Laserleistung angeschlossen ist. Die teilweise Integration der Laserstrahlungsführung in die Roboterhand kann also dazu benutzt werden, den Bearbeitungsprozeß in einfacher Weise zu beobachten, ohne daß die Beobachtungsmittel im Bearbeitungsbe­ reich stören, weil sie außerhalb der werkstückseitigen Hand­ achse möglichst nahe an der Bearbeitungszone angeordnet werden müßten. Die Beobachtungsmittel beeinträchtigen auch nicht die Dynamik der werkstückseitigen Handachse.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutet. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Knickarmrobo­ ters mit schematischer Abbildung seiner wichtigsten Teile, nämlich der Handachsen, und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Roboterhand gemäß der Er­ findung.

Der in Fig. 1 dargestellte Roboter 11 ist so ausgestaltet, daß er in allen Richtungen der karthesischen Koordinaten x, y und z die erforderlichen Bewegungen im Rahmen der Reichweiten seiner Achsen 1 bis 5 durchführen kann. Die Achsen 1 bis 5 sind sämtlich Drehachsen, deren Drehantrieb durch die schematisch dargestellten Stellmotoren 14 bewirkt wird, welche von einer nicht dargestellten Bahnsteuerung so beaufschlagt werden, daß sie die gewünschten Achsenbewegungen veranlassen. Die hierfür erforderlichen Kraftübertragungselemente sind ebenfalls nicht dargestellt. Der Roboter 11 soll für die 3-D-Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung eingesetzt werden, wozu er eine spezielle Roboterhand 10 hat, die im wesentlichen aus einer ro­ boterseitigen Handachse 4 und einer werkstückseitigen Handachse 5 besteht. Die roboterseitige Handachse 4 hat eine Bewe­ gungsachse 18 und die werkstückseitige Handachse 5 hat eine Schwenkachse 16, die senkrecht zur Bewegungsachse 18 angeordnet ist. Das werkstückseitige Ende der Handachse 4 ist U-förmig ausgebildet und zwischen den U-Schenkeln 4 lagert schwenkbar die Handachse 5. Die Darstellung der Handachse 5 ist schema­ tisch und stimmt in Einzelheiten nicht mit den Darstellungen der Fig. 2 überein, die aufgrund eines vergrößerten Maßstabes eine genauere Darstellung erlauben.

Fig. 2 zeigt, daß die roboterseitige Handachse 4 eine hohle Struktur hat, an deren werkstückseitigem Ende U-Schenkel 4′ vorhanden sind, die der Lagerung des Achsenkörpers 29 der Hand­ achse 5 dienen. Der Achsenkörper 29 ist um seine Schwenkachse 16 schwenkbar, wozu ein nicht näher beschriebener Schwenkan­ trieb 30 vorhanden ist, der innerhalb der Abdeckkappe 31 einen Riemenantrieb aufweist, welcher mit einem im Hohlraum 32 des Endes der Handachse 4 untergebrachten Kegelradgetriebe ange­ trieben wird, das seinerseits in geeigneter Weise durch die Bohrung 33 hindurch von einem Stellmotor beaufschlagt wird.

Die drehbare Lagerung des Achsenkörpers 29 erfolgt rei­ bungsarm mit Wälzlagern 34, die in der Darstellungsebene der Fig. 2 beidseitig des Achsenkörpers 29 vorhanden sind. Der Ach­ senkörper 29 weist hierzu je Wälzlager einen ringförmigen La­ gerflansch 35 auf, der mit dem nicht dargestellten Innenring des Wälzlagers 34 verbunden ist. Der ebenfalls nicht darge­ stellte Außenring des Wälzlagers 34 ist in einer Halterung 36 des U-Schenkels 4′ befestigt, die eine dem Wälzlager 34 koaxia­ le Ringabdichtung 37 aufweist, welche an Ringflächen des Ach­ senkörpers 29 dichtend anliegen, der im übrigen Spiel zur Hal­ terung 36 hat.

Mit dem schwenkantreibbaren Achsenkörper 29 der werkstück­ seitigen Handachse 5 ist laserstrahlungsausgangsseitig ein Aus­ gangsflansch 8 verbunden, der eine Bearbeitungsoptik 15 trägt. Die Bearbeitungsoptik 15 besteht im wesentlichen aus einem zy­ lindrischen Gehäuse 23, in dem eine Fokussierlinse 38 unterge­ bracht ist, deren Linsenmittelebene 24 exakt senkrecht zur Ge­ häuselängsachse 23′ ausgerichtet ist. Die Austrittsöffnung 23′′ des Gehäuses 23 ist von einer Abdeckkappe 25 verschlossen, in der sich eine Linsenschutzscheibe 27 befindet, welche die Bear­ beitungslinse 38 vor Schneid- oder Schweißdämpfen schützt, die aus der Bearbeitungszone herrühren. Werkstückseitig der planpa­ rallelen Linsenschutzscheibe 27 hat die Abdeckkappe 25 einen Gasanschluß 26, in den Schutz- und/oder Arbeitsgas mit regelba­ rem Gasdruck oder Gasdurchfluß zugeführt werden kann bzw. kön­ nen. Dieses Gas strömt aus der Abdeckkappe 25 in eine Düse 28 und von dieser durch eine Düsenöffnung 28′ in die Bearbeitungs­ zone. Die Düse 28 ist in einen Stellring 39 eingeschraubt, an dem Stellschrauben 40 angreifen, die ihrerseits verstellbar in der Abdeckkappe 25 lagern, so daß die Düse 28 quer zur Längs­ achse 23′ des zylindrischen Gehäuses 23 bzw. quer zur Laser­ strahlung 9 verschoben werden kann, die von der Fokussierlinse 38 derart fokussiert wird, daß sie ohne Beaufschlagung der Düse 28 aus der Düsenöffnung 28 austritt und einen Brenn­ punkt 41 aufweist, der im Bereich des Werkstücks liegt, wenn der Roboter 11 seiner Steuerung bzw. Bahnsteuerung entsprechend dem nicht dargestellten Werkstück genähert wurde.

Die der Werkstückbearbeitung dienende Laserstrahlung 9 wird der Roboterhand 10 gemäß Fig. 2 durch ein Lichtleitkabel 13 zugeleitet, welches mit einem Anschluß 12 mechanisch verbunden ist, beispielsweise mit einer Steckverbindung 42 des darge­ stellten Steckers 50 für das Lichtleitkabel 13. Anstelle der Steckverbindung kann auch eine Schraubverbindung verwendet wer­ den. Faserseitig ist eine Steckverbindung zum einfachen Faser­ wechsel vorgesehen. Das Lichtleitkabel 13 ist gegen mechanische Überbeanspruchung geschützt, z. B. durch eine Spiraldrahtumman­ telung in bekannter Bauweise. In den Stecker 50 ist eine opti­ sche Linsenanordnung integriert, mit der die Laserstrahlung in bekannter Weise zu einem parallelen Laserstrahl kollimiert wird. Die Linsenanordnung kann auch eine von der faserseitigen Steckverbindung separate Baugruppe sein. Die Kollimierung ist an die verwendete Laserstrahlung angepaßt, beispielsweise an die Strahlung eines Nd:YAG-Lasers, dessen Strahlung aufgrund der numerischen Apertur der Glasfaser mit einem bestimmten Di­ vergenzwinkel austritt.

Der Anschluß 12 wird an einer Halterung 36 des U-Schenkels 4′ mit Befestigungsschrauben 43 festgelegt, die in einem Flansch 19 des Anschlusses 12 angeordnet sind. Rechtwinklig zu diesem Flansch 19 ist der Anschluß 12 mit einem Kabelflansch 21 versehen und in Bezug auf die Flanschöffnungen 19′, 21′ ist ein Umlenkspiegel 20 in einem Winkel α von etwa gleich 45° so ange­ ordnet, daß die vom Lichtleitkabel 13 herrührende Laserstrah­ lung 9 durch die Flanschöffnung 21′ zugeleitet und vom Umlenk­ spiegel 20 durch die Flanschöffnung 19′ exakt in der Richtung der Schwenkachse 16 der Handachse 5 eingekoppelt werden kann. Der Umlenkspiegel 20 ist dabei in einer Spiegelhalterung 44 an­ gebracht, welche justierbar ist. Zur Justierung sind Feingewin­ deschrauben 45 vorgesehen, welche die Halterung 44 über die er­ sichtlichen Zylinderfedern gegen den Anschluß 12 drücken. Mit diesen Feingewindeschrauben 45 können bauteile- und anordnungs­ bedingte Toleranzen so ausgeglichen werden, daß der Umlenkspie­ gel 20 für die Laserstrahlung 9 so genau wie erforderlich ju­ stiert werden kann.

Die in die Handachse 5 eingekoppelte Laserstrahlung 9 trifft auf einen umlenkenden Spiegel 17, der sie der Bearbei­ tungsoptik 15 zuleitet. Die Zuleitung muß hochexakt erfolgen, so daß es auf die genaue Positionierung des Umlenkspiegels 17 ankommt. Dieser ist hierfür als zylindrischer Körper ausgebil­ det, der in der Darstellungsebene einen dreieckigen Querschnitt hat. Das Querschnittsdreieck hat einen rechten Winkel und gleich lange Schenkel, welche die Katheten des rechtwinkligen Dreiecks bilden. Eine der Kathetenflächen 17′ bzw. die teilzy­ lindrische Außenumfangsfläche des Spiegelkörpers ist in einer hülsenartigen Halterung 46 z. B. durch Kleben befestigt. Die Halterung 46 wird mit Befestigungsschrauben 47 durch Befesti­ gungsbohrungen 51 eines Hülsenflansches 52 am Achsenkörper 29 bzw. an dessen Lagerflansch 35 befestigt und kann genau ortho­ gonal zur Längsachse 23′ des Gehäuses 23 der Bearbeitungsoptik 15 angeordnet werden, so daß die Reflexionsfläche 17′′ im ge­ wünschten Winkel von 45° geneigt zur Schwenkachse 16 und zur Linsenmittelebene 24 der Bearbeitungsoptik 15 angeordnet ist.

Die Reflexionsfläche 17′′ des umlenkenden Spiegels 17 ist ebenso mit einer nicht dargestellten Reflexionsbeschichtung versehen, wie die nicht bezeichnete Reflexionsfläche des Um­ lenkspiegels 20. Die Beschichtung ist beispielsweise für die Wellenlänge 1064 nm geeignet, d. h. für die Wellenlänge des vor­ zugsweise als Festkörperlasers verwendeten Nd:YAG-Lasers. Die Spiegel 17, 20 bestehen aus einem transparenten oder teiltrans­ parenten Material, wie Quarzglas oder BK-7-Glas, so daß Strah­ lungen anderer Wellenlänge zumindest zum Teil nicht reflektiert werden, sondern die Spiegel durchdringen. Es ist infolgedessen möglich, integrierte Prozeßbeobachtungs- und Diagnostikeinrich­ tungen in die Roboterhand einzubauen, wie es oben näher be­ schrieben wurde. Im Falle des Einsatzes einer CCD-Kamera wird deren Gehäuse beispielsweise in einer Durchgriffsöffnung 48 für eine der Befestigungsschrauben 43 festgelegt, z. B. durch Ein­ stecken und/oder Verschrauben am Anschluß 12.

Die Halterung 46 ist mit einer Durchtrittsbohrung 46 ver­ sehen, durch welche von der Bearbeitungszone herrührende Strah­ lung in eine Bohrung 49 eindringen kann, in der der oben er­ wähnte Sensor zur Erfassung prozeßrelevanter Signale angeordnet werden kann, beispielsweise zur Erfassung von Plasmaleuchten oder Temperatur in der Bearbeitungszone. Ein solcher Sensor be­ einflußt die Dynamik der Handachse 5 praktisch nicht und kann mit dünnen leitenden Verbindungen an eine Prozeßsteuerung oder -regelung für die Laserleistung angeschlossen werden.

Claims (10)

1. Roboterhand (10) für die 3-D-Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung, insbesondere für Roboter (11) mit mindestens fünf Achsen (1 bis 5), mit einer robotersei­ tigen Handachse (4), an der eine werkstückseitige Hand­ achse (5) schwenkbeweglich mit einem Achsenkörper (29) angebracht ist, an dem eine die Laserstrahlung (9) auf das Werkstück fokussierende Fokussierlinse (38) vorhan­ den ist, mit einem Anschluß (12) für ein die Laserstrah­ lung (9) zuführendes Lichtleitkabel (13), der an der ro­ boterseitigen Handachse (4) angebracht ist und die La­ serstrahlung (9) koaxial mit der Schwenkachse (16) der werkstückseitigen Handachse (5) einkoppelt, die einen die Laserstrahlung (9) aus der Schwenkachse (16) zur Fo­ kussierlinse (38) umlenkenden Spiegel (17) aufweist, und mit einer Linsenanordnung zur Kollimierung der mit dem Lichtleitkabel (13) zugeführten Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die roboterseitige Handachse (4) eine zu der Schwenkachse (16) senkrechte Bewegungsachse (18) aufweist und werkstückseitig U-förmig ausgebildet ist, daß der die Fokussierlinse (38) aufweisende Achsen­ körper (29) zwischen den U-Schenkeln (4′) schwenkbar ge­ lagert ist, daß der Anschluß (12) für das Lichtleitkabel (13) mit einem Befestigungsflansch (19) außen an einem der U-Schenkel (4′) befestigt ist, und daß die Linsenan­ ordnung zur Kollimierung der mit dem Lichtleitkabel (13) zugeleiteten Laserstrahlung in einen eine Steck- (42) oder Schraubverbindung aufweisenden Stecker (50) des An­ schlusses (12) integriert oder eine von der faserseiti­ gen Steckverbindung (42) separate Baugruppe ist.

2. Roboterhand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (12) für das Lichtleitkabel (13) einen im von 90° abweichenden Winkel (α) zur Schwenkachse (16) stehenden Umlenkspiegel (20) hat.

3. Roboterhand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (12) mit einem senkrecht zur Schwenk­ achse (16) der werkstückseitigen Handachse (5) angeord­ neten Befestigungsflansch (19) und mit einem dazu im rechten Winkel stehenden Kabelflansch (21) versehen ist, und daß der Umlenkspiegel (20) unter einem Winkel (α) von etwa 45° beiden Flanschöffnungen (19′, 21′) zugeneigt ist.

4. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsoptik (15) in einem zylindrischen Gehäuse (23) angeordnet ist, dessen Längsachse (23′) quer zur Schwenkachse (16) der werk­ stückseitigen Handachse (5) steht, und daß werkstücksei­ tig eine zylindrische Abdeckkappe (25) mit seitlichem Gasanschluß (26) und/oder mit einer Linsenschutzscheibe (27) und/oder mit einer quer zur Laserstrahlung (9) ju­ stierbaren Düse (28) versehen ist.

5. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (20) am Anschluß (12) justierbar befestigt ist.

6. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Laserstrahlung (9) aus der Schwenkachse (16) der werkstückseitigen Handachse (5) umlenkende Spiegel (17) ein mit der Schwenkachse (16) koaxialer zylindrischer Körper mit dem Mittelquerschnitt eines rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecks ist, dessen Spiegelfläche (17′′) mit einer Spiegelhalterung (22) unter 45° geneigt zur Schwenkachse (16) und zur Linsenmittelebene (24) der Bearbeitungsoptik (15) ange­ ordnet ist.

7. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der umlenkende Spiegel (17) und- /oder der Umlenkspiegel (20) teiltransparent ist bzw. sind und die jeweilige Spiegelfläche eine Reflexionsbe­ schichtung für die Wellenlänge der Laserstrahlung (9) aufweist bzw. aufweisen.

8. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Anschluß (12) des Lichtleitka­ bels (13) eine durch den Umlenkspiegel (20) strahlungs­ beobachtende CCD-Kamera oder deren bildaufnehmender Teil angebracht ist, an die bzw. an den eine Bahnsteuerung für den Roboter (11) angeschlossen ist.

9. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Anschluß (12) des Lichtleitka­ bels (13) eine durch den Umlenkspiegel (20) pilotstrahl­ beobachtende Sensoreinheit angebracht ist, die mit einer laserabschaltenden Steuereinheit in Wirkverbindung steht.

10. Roboterhand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der werkstückseitigen Handachse (5), von der Bearbeitungsoptik (15) aus hinter dem um­ lenkenden Spiegel (17) ein Sensor zur Erfassung prozeß­ relevanter Signale der Bearbeitungszone angeordnet ist, der an eine Prozeßsteuerung oder -regelung für die La­ serleistung angeschlossen ist.