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Die
Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren und eine Laserschweißvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bzw. 6. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Laserschweißverfahren und
eine Laserschweißvorrichtung,
die in der Lage sind, einen Laserstrahl genau auf eine zuvor erfasste Schweißposition
zu projizieren.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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Stumpfschweißen unter
Verwendung eines Laserstrahls wird überwiegend für Schweißelemente bei
der Herstellung von Automobilen, etc. verwendet. Vor kürzerer Zeit
wurden CO2-Laser durch YAG-Laser ersetzt,
die in der Lage sind, einen Laserstrahl in einem Punkt zu fokussieren,
der kleiner ist als einer, der durch CO2-Laser erzeugt werden
kann. Mit einem Schweißprozess
unter Verwendung eines YAG-Lasers, der in der Lage ist, einen Laserstrahl
in einem kleinen Punkt zu fokussieren, kann ein Feinschweißen unter
Verwendung eines kleinen Laserstrahlpunktes erzielt werden. Im Übrigen erfordert
ein Feinschweißen,
dass der Laserstrahl-Lichtfleck bei einer Nut in einer Positionsgenauigkeit
von 0,1 mm oder weniger ausgebildet wird.
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Jedoch
ist die Spurfolgegenauigkeit eines herkömmlichen Industrieroboters
nicht so groß,
mit dem Ergebnis, dass der zuvor erwähnten Anforderung nicht genügt werden
kann. Daher wird zum Stumpfschweißen unter Verwendung eines
YAG-Lasers im Allgemeinen eine sehr teurere numerisch gesteuerte
(NC)-Schweißmaschine
verwendet, deren Preis bei einigen 10 Millionen Yen liegt. Die Notwendigkeit
einer derart teuren NC-Schweißmaschine stellt
einen Hinderungsgrund für
einen überwiegenden
Einsatz des Stumpfschweißens
unter Verwendung eines YAG-Lasers dar.
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Dieses
Hemmnis kann beseitigt werden, wenn das Verfolgen einer Schweißlinie durch
einen Lichtfleck eines Laserstrahls mit einer großen Spurfolgegenauigkeit
wie zuvor erwähnt
mittels eines kostengünstigen
Industrieroboters bewerkstelligt werden kann, dessen Preis beispielsweise
in der Größenordnung
von einigen Millionen Yen liegt. Ein Industrieroboter, der in der
Lage ist, mit einer großen
Spurfolgegenauigkeit zu arbeiten, ist beispielsweise in JP-A 246660/1994
beschrieben.
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Dieser
Industrieroboter erfasst eine Schweißposition mittels eines Sensors,
bevor eine Schweißoperation
tatsächlich
ausgeführt
wird, und speichert durch den Sensor erhaltene Daten der Schweißposition
in einem Speicher. Dann liest der Industrieroboter die Daten, wenn
diese benötigt
werden, aus dem Speicher aus, berechnet eine Korrektur zum Korrigieren
der Position des Lichtflecks des Laserstrahls auf Basis der Daten,
und führt
eine Spurfolgeoperation aus, so dass der Laserstrahl auf eine gewünschte Position
projiziert wird.
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Jedoch
ist es für
diesen Industrieroboter schwierig, eine hoch genaue Spurfolgeoperation
zu erzielen, um den Laserstrahl genau auf eine gewünschte Position
zu projizieren, da dieser Industrieroboter Teach-Daten (Lehrdaten)
zur Berechnung der Korrektur zum Korrigieren der Position verwendet,
auf die der Laserstrahl projiziert werden soll.
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Das
Dokument
US 5,001,324 ,
auf dem der jeweilige Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6 basiert, offenbart
eine Laser-Profiliereinrichtung, die am Fokussierkopf eines Laserschweißstrahls
angebracht ist, um Profildaten für
aufeinanderfolgende Transversalbetrachtungsebenen einer länglichen
Verbindungsstelle zu erzeugen, bevor diese dem Laserstrahl präsentiert
werden.
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Das
Dokument
DE 198 47
867 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Laserschweißen, die
eine Steuereinheit zum Einstellen der Position eines Laserstrahls
beinhaltet.
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Das
Dokument
US 5,877,960 offenbart
ein Verfahren zum Überwachen
und Positionieren eines Strahls zum Einwirken auf ein Werkstück, sowie
einen ersten Sensor, der sich vor dem Strahl befindet, um den vom
Strahl zu verfolgenden Weg zu bestimmen.
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INHALT DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung erfolgte in Anbetracht dieser Probleme. Daher ist es in
Ziel der Erfindung, ein Laserschweißverfahren und eine Laserschweißvorrichtung
bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Laserstrahl genau auf
eine Schweißposition
zu projizieren, ohne dass eine Beeinflussung durch verschiedene Fehler
erfolgt, wie sie für
einen zugehörigen
Industrieroboter inhärent
sind.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung wird ein Laserschweißverfahren gemäß Anspruch
1 bereitgestellt. Das Laserschweißverfahren, bei dem eine Schweißabschnittserfassungseinrichtung
und eine Laserstrahlprojektionseinrichtung, die hinter der Schweißabschnittserfassungseinrichtung
angeordnet ist, um eine vorbestimmte Strecke bewegt wird, so dass
sich die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
und die Laserstrahlprojektionseinrichtung nicht relativ zueinander
bewegen, und bei dem ein Laserstrahl durch die Laserstrahlprojektionseinrichtung
auf einen zu verschweißenden
Abschnitt projiziert wird, der durch die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
erfasst wird, beinhaltet die folgenden Schritte: sequentielles Speichern,
und zwar in einem Speicher, von einzelnen Daten betreffend Schweißpositionen,
die durch die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
sequentiell erfasst werden, in Kombination mit Zeiten, bei denen
die einzelnen Daten betreffend die Schweißpositionen erhalten werden,
sowie Bewegungsgeschwindigkeiten, mit denen die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
bewegt wird; Berechnen einer Zeit, bei der die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
einen Punkt passiert hat, an dem die Laserstrahlprojektionseinrichtung
gerade angekommen ist, basierend auf den Zeiten und den Bewegungsgeschwindigkeiten,
die im Speicher gespeichert sind; und Projizieren eines Laserstrahls
durch die Laserstrahlprojektionseinrichtung auf den Schweißabschnitt,
der durch die Schweißabschnittserfas sungseinrichtung
erfasst wurde, zu der durch den Berechnungsschritt berechneten Zeit.
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Die
Zeit, bei der die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
eine Position passiert hat, an der die Laserstrahlprojektionseinrichtung
gerade angekommen ist, kann dadurch bestimmt werden, dass eine Bewegungsstrecke
der Schweißabschnittserfassungseinrichtung
auf Basis der im Speicher gespeicherten Zeiten und Bewegungsgeschwindigkeiten
zurückberechnet
wird und die Zeit als eine Zeit bestimmt wird, bei der die Bewegungsstrecke
der Schweißabschnittserfassungseinrichtung
mit dem vorbestimmten Abstand zwischen der Laserstrahlprojektionseinrichtung
und der Schweißabschnittserfassungseinrichtung übereinstimmt
oder größer ist als
dieser. Vorzugsweise werden die zur Berechnung verwendeten Daten
nach Abschluss der Berechnung der Zeit gelöscht, zu der die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
die Position passiert hat, an der die Laserstrahlprojektionseinrichtung
gerade angekommen ist.
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Die
Schweißabschnittserfassungseinrichtung
projiziert eine Mehrzahl von ebenen Laserstrahlen auf den zu verschweißenden Abschnitt,
Bilder des zu verschweißenden
Abschnittes, der mit den ebenen Laserstrahlen bestrahlt wird, werden
durch eine Bilderzeugungsvorrichtung erzeugt, die Bilder werden
zusammengeführt,
um ein zusammengesetztes Bild zu erhalten, und die Schweißposition wird
auf Basis des zusammengesetzten Bildes erfasst.
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Vorzugsweise
bringt eine Drückvorrichtung, deren
Relativposition bezüglich
der Laserstrahlprojektionseinrichtung fixiert ist, während einer
Laserschweißoperation
Druck auf den zu verschweißenden
Abschnitt auf.
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Vorzugsweise
projiziert die Laserstrahlprojektionseinrichtung einen YAG-Laserstrahl.
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Gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung wird eine Laserschweißvorrichtung gemäß Anspruch 6
bereitgestellt. Die Laserschweißvorrichtung
beinhaltet: eine Schweißabschnittserfassungseinrichtung zum
Erfassen eines zu verschweißenden
Abschnittes; eine Laserstrahlprojektionseinrichtung, welche einen
Laserstrahl auf den zu verschweißenden Abschnitt projiziert;
einen Halte- und Schwenkmechanismus, der die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
und die Laserstrahlprojektionseinrichtung hält, so dass ein vorbestimmter
Abstand zwischen der Schweißabschnittserfassungseinrichtung
und der Laserstrahlprojektionseinrichtung beibehalten wird, und
der die Laserstrahlprojektionseinrichtung in Richtung senkrecht
zu einer Bewegungsrichtung der Laserstrahlprojektionseinrichtung
schwenkt; eine Bewegungseinheit, die den Halte- und Schwenkmechanismus
bewegt; und eine Steuereinheit zum Steuern einer Laserschweißoperation,
wobei die Steuereinheit einzelne Daten bezüglich von der Schweißabschnittserfassungseinrichtung
erfassten Schweißpositionen
zusammen mit Zeiten, bei denen die einzelnen Daten betreffend die
Schweißpositionen
erfasst werden, sowie Bewegungsgeschwindigkeiten, mit denen der
Halte- und Schwenkmechanismus bewegt wird, in einem Speicher sequentiell
speichert, eine Zeit berechnet, bei der die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
eine Position passiert hat, an der die Laserstrahlprojektionseinrichtung
gerade angekommen ist, und die Laserstrahlprojektionseinrichtung
und den Halte- und
Schwenkmechanismus derart steuert, dass ein Laserstrahl auf eine
Schweißposition
projiziert wird, die durch die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
zu der durch die Steuereinheit berechneten Zeit erfasst wurde.
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Die
Zeit, bei der die Schweißabschnittserfassungseinrichtung
eine Position passiert hat, an der die Laserstrahlprojektionseinrichtung
gerade angekommen ist, kann dadurch bestimmt werden, dass eine Bewegungsstrecke
der Schweißabschnittserfassungseinrichtung
auf Basis der im Speicher gespeicherten Zeiten und Bewegungsgeschwindigkeiten
zurückberechnet
wird und die Zeit als eine Zeit bestimmt wird, bei der die Bewegungsstrecke
der Schweißabschnittserfassungseinrichtung
mit dem vorbestimmten Abstand zwischen der Laserstrahlprojektionseinrichtung
und der Schweißabschnittserfassungseinrichtung übereinstimmt
oder größer ist als
dieser.
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Die
Schweißabschnittserfassungseinrichtung
beinhaltet eine Vorrichtung zum Projizieren ebener Laserstrahlen
und eine Bilderzeugungsvorrichtung, die Steuerein heit beinhaltet
eine Bildverarbeitungsvorrichtung, im Gebrauch projiziert die Vorrichtung
zum Projizieren ebener Laserstrahlen eine Mehrzahl von ebenen Laserstrahlen,
die in vorbestimmten Intervallen angeordnet sind, die Bilderzeugungsvorrichtung
erzeugt Bilder von mit den ebenen Laserstrahlen bestrahlten Teilen,
und die Bildverarbeitungsvorrichtung führt die durch die Bilderzeugungsvorrichtung
erzeugten Bilder zusammen, um ein zusammengesetztes Bild zu erzeugen,
und eine Schweißposition
auf Basis des zusammengesetzten Bildes wird erfasst.
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Vorzugsweise
weist die Laserschweißvorrichtung
weiter eine Drückvorrichtung
auf, deren Relativposition bezüglich
der Laserstrahlprojektionseinrichtung festgelegt ist. Die Drückvorrichtung
bringt während
einer Laserschweißoperation
Druck auf den zu verschweißenden
Abschnitt auf.
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Vorzugsweise
weist die Laserstrahlprojektionseinrichtung einen YAG-Laser auf.
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Vorzugsweise
weist die Bewegungseinheit einen Roboter auf.
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Bei
der Erfindung, welche die oben erwähnten Merkmale aufweist, ist
die Laserstrahlprojektionseinrichtung, sogar wenn die Bewegungsgeschwindigkeit
der Laserstrahlprojektionseinrichtung schwankt, da die Schweißposition
durch die Schweißpositions-Erfassungseinrichtung
erfasst wird, die in einem vorbestimmten Abstand vor der Laserstrahlprojektionseinrichtung
angeordnet ist, in der Lage, einen Laserstrahl genau auf die von
der Schweißpositions-Erfassungseinrichtung
erfasste Schweißposition
zu projizieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus
der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
klar hervor. In diesen sind:
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1 eine
diagrammartige Ansicht eines Schweißroboters, der mit einer Laserschweißvorrichtung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ausgerüstet
ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten
Laserschweißvorrichtung;
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3A, 3B u. 3C schematische Ansichten
zur Unterstützung
der Erläuterung
eines Mechanismus zum Schwenken eines optischen Kopfes;
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4 eine
diagrammartige Ansicht einer Nuterfassungseinrichtung (Schweißabschnittserfassungseinrichtung);
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5 eine
Ansicht zur Unterstützung
der Erläuterung
einer Bildverarbeitungsprozedur, die durch eine Bildverarbeitungseinheit
ausgeführt
werden soll, wobei 5(a) ein Bild ist,
das Bilder des Teils zeigt, der mit ebenen Laserstrahlen bestrahlt
wird, und 5(b) eine Darstellung ist,
die ein Bild zeigt, das durch Zusammenführen der in 5(a) dargestellten Bilder
erzielt wird;
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6 eine
Ansicht zur Unterstützung
der Erläuterung
eines Prinzips zur Berechnung eines Positionsfehlers auf Basis von
durch eine Bilderzeugungsvorrichtung erzeugten Bildern;
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7 eine
diagrammartige Ansicht, welche die Positionsbeziehung zwischen einer
erfassten Position und einer Ausbildungsposition eines Lichtflecks zeigt;
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8 ein
Diagramm der Inhalte eines Pufferspeichers;
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9 ein
Blockdiagramm einer Steuereinrichtung; und
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10 eine
schematische Vorderansicht eines Hauptteils einer Laserschweißvorrichtung
bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Laserschweißvorrichtung
A einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zum Ausführen eines
Laserschweißverfahrens
gemäß der Erfindung wird
nachfolgend mit Bezug auf die 1 bis 9 beschrieben.
Bezug nehmend auf 1 beinhaltet die Laserschweißvorrichtung
A als wesentliche Bauelemente eine Laserstrahlprojektionseinrichtung 10, die
mit einem YAG-Laser versehen ist, eine Nuterfassungseinrichtung
(Schweißabschnittserfassungseinrichtung) 20,
die bei einer vorbestimmten Position, die bezüglich der Schweißrichtung,
in der die Laserschweißvorrichtung
A zum Schweißen
bewegt wird, vor der Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 angeordnet
ist. Die Laserschweißvorrichtung
A ist am Ende eines Roboterarms RA befestigt, der Bestandteil eines
Schweißroboters
R ist. Eine Robotersteuereinrichtung C steuert den Roboterarm RA,
derart, dass sich die Laserschweißvorrichtung A entlang einer
vorbestimmten Schweißlinie 1 bewegt.
Eine Steuereinheit 30, die in der Robotersteuereinrichtung 30 enthalten
ist, steuert die Laserschweißvorrichtung A,
derart, dass ein Laserstrahl 2 auf die Schweißlinie 1 projiziert
wird, um Arbeitsstücke
W1 und W2 mittels Stumpfschweißen
miteinander zu verschweißen.
Die Steuereinheit 30 justiert die Position der Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 so,
dass die Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 einen Laserstrahl
in korrekter Weise auf eine Nut 3 für einen Laser-Stumpfschweißvorgang
projiziert.
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Bezug
nehmend auf 2 beinhaltet die Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 einen
optischen Kopf 11, der in der Lage ist, einen YAG-Laser
(eng gebündelter
Laserstrahl) 2 zu projizieren, und einen Halte- und Schwenkmechanismus 40,
der am Ende des Roboterarms RA befestigt ist und in der Lage ist, den
optischen Kopf 11 zu halten und zu schwenken.
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Der
optische Kopf 11 weist eine Form auf, die im Wesentlichen
einem gestuften Zylinder ähnelt.
Ein vom YAG-Laser 2 ausgesendeter Strahl wird mittels eines
Laserstrahlprojektionsendes des optischen Kopfes 11 auf
eine Schweißlinie
projiziert. Der optische Kopf 11 hat die gleiche Konfiguration
wie ein optischer Kopf, der in einer bekannten Laserstrahlprojektionseinrichtung
enthalten ist, die mit einem YAG-Laser versehen ist, und daher entfällt hier
eine detaillierte Beschreibung von diesem. Ein Paar von Schäften 12 sind
an Teilen des zylindrischen optischen Kop fes 11 befestigt,
so dass sie sich jeweils in entgegengesetzte Richtungen erstrecken,
wobei ihre gemeinsame Achse durch den Schwerpunkt des optischen
Kopfes 11 verläuft.
Der Halte- und Schwenkmechanismus 40 schwenkt den optischen
Kopf auf den Schäften 12.
Bei dieser Ausführungsform
wird der optische Kopf 11 durch den Halte-Schwenkmechanismus 40 bei
nach unten weisendem Laserstrahlprojektionsende gehaltert.
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Bezug
nehmend auf 2 beinhaltet der Halte-Schwenkmechanismus 40 einen
den optischen Kopf 11 lagernden Schwenkrahmen 41,
einen Halterahmen 42 der den den optischen Kopf 11 lagernden
Schwenkrahmen 41 schwenkbar lagert, einen Schwenkmechanismus 43,
der einen Motor 44 und eine Verbindungseinrichtung 43A beinhaltet,
und ein Verbindungselement 45, das mit dem Halterahmen 43 verbunden
ist. Ein nicht dargestellter Flansch, der integral mit dem Verbindungselement 45 ausgebildet ist,
ist an einem nicht dargestellten Flansch befestigt, der am Ende
des Roboterarms RA mit Bolzen und Muttern befestigt ist.
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Der
Schwenkrahmen 41 ist durch Verbinden der freien Enden von
gegenüberliegenden
Seitenteilen eines U-förmigen
Elementes mit den gegenüberliegenden
Enden eines halbkreisförmigen
Elementes ausgebildet. Der optische Kopf 11 ist am Schwenkrahmen 41 gelagert,
wobei sich die Schäfte 12 feststehend
durch die gegenüberliegenden
Seitenteile des U-förmigen
Elementes erstrecken.
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Der
Halterahmen 42 ist ein U-förmiger Rahmen, der dadurch
ausgebildet ist, dass plattenförmige
Seitenelemente 42b mit den gegenüberliegenden Enden eines halbkreisförmigen Elementes 42a verbunden
sind. Der Krümmungsradius
des halbkreisförmigen
Elementes 42a ist größer als
der des halbkreisförmigen
Elementes des Schwenkrahmens 41. Der Schwenkrahmen 41 ist
vom Halterahmen 42 umgeben. Die jeweiligen halbkreisförmigen Elemente des
Schwenkrahmens 41 und des Halterahmens 42 befinden
sich auf der gleichen Seite bezüglich
des optischen Kopfes 11. Die Schäfte 12 sind so gelagert, dass
sie sich in Lagern 42c drehen, die an den plattenförmigen Elementen 42b des
Halterahmens 42 gehalten sind.
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Das
Verbindungselement 45 ist beispielsweise eine rechteckige
Platte. Die gegenüberliegenden Enden
des U-förmigen
Halterahmens 42 sind jeweils mit den gegenüberliegenden
Seiten eines unteren Teils einer Fläche des Verbindungselementes 45 verbunden.
Der Motor 44 ist an einem oberen mittleren Teil der Vorderseite
des Verbindungselementes 45 befestigt. Der Flansch, der
mit dem am Ende des Roboterarms RA befestigten Flansch verbunden
werden soll, ist auf der Rückseite
des Verbindungselementes 45 ausgebildet.
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Bezug
nehmend auf die 3A, 3B und 3C weist
der Schwenkmechanismus 43 ein Verbindungsstück 43A auf,
dessen eines Ende durch ein Kugelgelenk mit einem im Motor 44 befindlichen
axialen beweglichen Antriebsschaft 44a verbunden ist, und
dessen anderes Ende über
ein Kugelgelenk mit einem Verbindungsstück 41a verbunden ist,
das an der Außenfläche eines
Kreuzstücks
angebracht ist, welches sich zwischen den entgegengesetzten Seitenteilen
des U-förmigen
Elementes des Schwenkrahmens 41 erstreckt. Wenn der Motor 44 angetrieben
wird, um den Antriebsschaft 44a in Richtung des Pfeiles
A1 herauszuschieben, wie in 3A dargestellt,
wird das Kreuzstück
des U-förmigen
Elementes in Richtung des Pfeiles A2 heruntergedrückt und der
optische Kopf 11 wird im Gegenuhrzeigersinn in Richtung
des Pfeiles A3 geschwenkt, wie in den 3A und 3B dargestellt,
so dass das Laserstrahlprojektionsende des optischen Kopfes 11 nach außen bewegt
wird, d. h. vom Roboterarm AR weg, wie durch den Pfeil A3 angezeigt.
Wenn der Motor 44 angetrieben wird, um den Antriebsschaft 44a in
Richtung des in 3A dargestellten Pfeiles B1
zurückzuziehen,
wird das Kreuzstück
des U-förmigen
Elementes in Richtung des Pfeiles B2 hochgezogen und der optische
Kopf 11 wird im Uhrzeigersinn in Richtung des in den 3A und 3C dargestellten Pfeils
B3 im Uhrzeigersinn geschwenkt, so dass das Laserstrahlprojektionsende
des optischen Kopfes 11 nach innen bewegt wird, d. h. zum
Roboterarm RA, wie durch den Pfeil B3 angezeigt. Da die Schäfte 12 des
optischen Kopfes 11 in den Lagern 42c auf dem Halterahmen 42 gelagert
sind, wird der optische Kopf 11 daher auf den Schäften 12 in
einer zu einer Schweißlinie
senkrechten Richtung auf den Schäften 12 geschwenkt.
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Bezug
nehmend auf die 1 und 4 beinhaltet
die Nut-Erfassungseinrichtung 20 eine Projektionseinrichtung 21 für einen
ebenen Laserstrahl, eine Bilderzeugungsvorrichtung 22 zum
Erzeugen eines Bildes eines Bereiches r, der eine Nut 3 beinhaltet,
die durch die Projektionseinrichtung 21 für den ebenen
Laserstrahl von einer Position schräg hinter der Projektionseinrichtung 21 für den ebenen
Laserstrahl beleuchtet wird, und ein Gehäuse 23, welches die
Projektionseinrichtung 21 für den ebenen Laserstrahl und
die Bilderzeugungsvorrichtung 22 hält. Das Gehäuse 23 ist an einer
Konsole 24 gehaltert, die am Halterahmen 42 befestigt
ist, so dass ebene Laserstrahlen 4 nach unten projiziert
werden. Die Nutdetektoreinrichtung 20 wird somit am Halterahmen 42 vor
dem optischen Kopf 11 gehaltert, und zwar bezüglich einer
Schweißrichtung,
in der die Laserschweißvorrichtung
A zum Schweißen
bewegt wird.
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Die
Projektionseinrichtung 21 für den ebenen Laserstrahl projiziert
eine Mehrzahl von ebenen Laserstrahlen 4a, 4b, 4c und 4d,
die in vorbestimmten Intervallen von beispielsweise 1 mm angeordnet sind.
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Die
Bilderzeugungsvorrichtung 21 ist beispielsweise eine CCD-Kamera,
d. h. eine mit einem CCD (ladungsgekopplelten Bauelement) versehene Kamera.
Die Bilderzeugungseinrichtung 22 liefert ein elektrisches
Signal, das die Änderung
der Leuchtdichte einer Zielfläche
repräsentiert,
zu einer in der Steuereinheit 30 befindlichen Bildverarbeitungseinheit 31.
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Das
Prinzip der Erfassung der Nut 3 mittels der Nuterfassungseinrichtung 20 wird
nachfolgend mit Bezug auf 5 beschrieben.
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5(a) zeigt ein Bild des durch die Bilderzeugungsvorrichtung 22 erzeugten
Gebietes r, und 5(b) zeigt ein Bild,
das durch ein zusammengesetztes Bildsignal repräsentiert ist, das durch Zusammensetzen
von Bildsignalen erzielt wird, die mit den Laserstrahlen 4a, 4b, 4c und 4d bestrahlte
Teile repräsentieren,
wie in 4 dargestellt. Wie aus 5 klar hervorgeht,
kann die Nut 3 aus den Bildern der Teile, die mit den ebenen
Laserstrahlen 4a, 4b, 4c und 4d bestrahlt
werden, nicht klar erfasst werden, da diese Bilder Rauschen enthalten.
Bei dem in 5(b) dargestellten Bild
wird das Rauschen eingeebnet, das Bild der Nut 3 wird betont,
und somit kann die Nut 3 klar erfasst werden. Eine Spitze
im Bildsignal, welche das in 5(b) dargestellte
Bild repräsentiert,
entspricht dem Mittelpunkt 3a der Nut 3.
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Daher
kann, wie z. B. in 6 dargestellt, wenn eine Referenzlinie
LS in einem Bild der Bilderzeugungseinrichtung 22 im Teach-Weg
vorbestimmt ist, eine Abweichung D der Position des Mittelpunktes 3a der
Nut 3 bezüglich
der Teach-Linie bestimmt werden, dadurch, dass eine Abweichung D
der Position des Mittelpunktes 3a der Nut 3 bezüglich der
Referenzlinie LS berechnet wird. Wie zuvor erwähnt, befindet sich die Nuterfassungseinrichtung 20 in
einem vorbestimmten Abstand vor dem optischen Kopf 11. Demgemäß kann der
Laserstrahl 2 nicht auf den Mittelpunkt 3a der
Nut 3 projiziert werden, sogar wenn die Position des optischen
Kopfes 11 bezüglich
der Nut 3 durch einen der Abweichung D entsprechenden Strecke
korrigiert wird.
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Daher
führt die
Laserschweißvorrichtung
A die folgende Prozedur aus, um den optischen Kopf 11,
der um den vorbestimmten Abstand hinter der Nuterfassungseinrichtung 20 angeordnet
ist, dazu zu veranlassen, den Laserstrahl 2 auf den Mittelpunkt 3a der
durch die Nuterfassungseinrichtung 20 erfassten Nut 3 zu
projizieren.
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Es
sei angenommen, dass die Laserschweißvorrichtung A mit fester Bewegungsgeschwindigkeit
V entlang einer Schweißlinie 1 bewegt wird,
und eine durch die Nuterfassungseinrichtung 20 erfasste
Position und der Lichtfleck des durch den optischen Kopf 11 projizierten
Laserstrahls 2 sind um eine Strecke L voneinander entfernt.
Dann erreicht der Lichtfleck des Laserstrahls 20 die erfasste
Position in der Zeit L/V. Daher kann der Lichtfleck des Laserstrahls 2 in
korrekter Weise auf dem Mittelpunkt 3a der Nut 3 ausgebildet
werden, wenn die Position des optischen Kopfes 11 um die
Zeit L/V nach der Erfassung der erfassten Position durch die Nuterfassungseinrichtung 20 korrigiert
wird. Somit kann ein Verfolgen der Schweißlinie 1 durch den
Lichtfleck des Laserstrahls durch sequentielles Speichern von Daten
der Positionen des Mittelpunktes 3a der durch die Nuterfassungseinrichtung 20 er fassten
Nut in einem Speicher, beispielsweise einem Pufferspeicher, die
in der Steuereinheit 30 enthalten ist, ein sequentielles Auslesen
der Daten aus dem Speicher zu den Zeiten L/V nach der Erfassung
der Positionen des Mittelpunktes 3a der Nut 3 und
ein Korrigieren der Position des optischen Kopfes 11 auf
Basis der aus dem Speicher gelesenen Daten erfolgen.
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Wenn
sich jedoch die Bewegungsgeschwindigkeit der Laserschweißvorrichtung
A ändert,
kann der Laserstrahl 2 nicht auf den Mittelpunkt 3a der
Nut 3 projiziert werden, sogar wenn die Position des optischen
Kopfes 11 durch das zuvor erwähnte Korrekturverfahren korrigiert
wird. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Laserschweißvorrichtung
A veränderlich
ist, wird der Zeitpunkt, zu dem erwartet wird, dass der durch den
optischen Kopf 11 projizierte Lichtstrahl die Position
des Mittelpunktes 3a der durch die Nuterfassungseinrichtung 20 erfassten
Nut passiert, durch das folgende Verfahren bestimmt. Und zwar wird
die Zeit berechnet, bei der die Nuterfassungseinrichtung 20 eine
Position passiert hat, bei der der Lichtfleck des Laserstrahls 2 gerade
angekommen ist.
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Daten
einer Erfassungszeit t(n), bei der die Nuterfassungseinrichtung 20 eine
Position auf der Nut 3 erfasst, einer Bewegungsgeschwindigkeit V(t(n))
der Laserschweißvorrichtung
A zur Erfassungszeit, und einer Abweichung d(t(n)) der Position der
Schweißlinie 1 vom
Teach-Weg (Referenzlinie LS) werden sequentiell bei festen Intervallen
von beispielsweise 20 ms in dem in der Steuereinheit 30 enthaltenen
Pufferspeicher 33 gespeichert.
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Ein
Zeitpunkt, zu dem die Nuterfassungseinrichtung 20 die Position
passiert hat, bei welcher der optische Kopf 11 gerade angekommen
ist, wird auf Basis der im Pufferspeicher 33 gespeicherten
Daten berechnet. Beispielsweise wird, wenn die Nuterfassungseinrichtung 20 an
einem in 7 dargestellten Punkt P angekommen
ist, eine Zeit berechnet, zu der die Nuterfassungseinrichtung 20 einen
Punkt Q passiert hat, der um eine Strecke L hinter dem Punkt P liegt.
Und zwar wird eine Zeit berechnet, zu der der optische Kopf 11 am
Punkt Q ankommt. Im Pufferspeicher 33 gespeicherte Daten,
d. h. Daten betreffend Zeit t(n) und Bewegungsgeschwindigkeit V(t(n)), wie
in 8 gezeigt, werden zur Berechnung der Zeit verwendet.
Strecken, die vor der Zeit, zu der die Nuterfassungseinrichtung 20 am
Punkt P angekommen ist, durchlaufen wurden, werden aufaddiert, und
eine Zeit t(q), zu der die aufaddierte Strecke die Strecke L erreicht
oder überschritten
hat, wird bestimmt. Der optische Kopf 11 erreicht den Punkt
Q zur Zeit t(q). Daher ist, wenn einer Ungleichung: L(t(q
+ 1)) < L ≤ L(t(q))genügt wird,
eine Zeit T, zu der die Nuterfassungseinrichtung 20 den
Punkt Q passiert hat, ausgedrückt durch: T = t(q)wobei L(t(q))
= V(t(p)) × (t(p) – t(p – 1) + V(t(p – 1))
× t(p – 1) – t(p – 2) + ...
+ V(t(q + 1)) × t(q
+ 1) – t(q))
+
V(t(q)) × (t(q) – t(q – 1)) L(t(q + 1)) = V(t(p)) × (t(p) – t(p – 1) + V(t(p – 1))
× t(p – 1) – t(p – 2) + ...
+ V(t(q + 1)) × t(q
+ 1) – t(q))
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Die
Positionsabweichung D der Schweißlinie 1 von der Referenzlinie
LS wird, aus den im Pufferspeicher 33 gespeicherten Daten,
ausgedrückt durch: D = d(t(q))
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Die
Steuereinheit 30 steuert den Halte-/Schwenkmechanismus 40 auf
Basis der Positionsabweichung D, so dass der Laserstrahl 2 auf
den Punkt 3a der Nut 3 projiziert wird. Nachdem
die Steuereinheit 30 die zuvor erwähnte Steueroperation beendet
hat, werden die Daten, die vor der Zeit t(q) im Pufferspeicher 33 gespeichert sind,
gelöscht,
so dass es sich beim Speicher 33 um einen Speicher handeln kann,
der keine unnötige
Speicherkapazität
aufweist.
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9 ist
ein Blockdiagramm der Steuereinheit 30, welche die zuvor
erwähnte
Bildverarbeitungsfunktion sowie die Zeitberechnungsfunktion zur Berechnung
der Zeit aufweist, zu der erwartet wird, dass der optische Kopf 11 an
der durch die Nuterfassungseinrichtung 20 erfassten Position
ankommt. Die Steuereinheit 30 beinhaltet die Bildverarbeitungseinheit 31,
eine Ankunftszeit-Berechnungseinheit 32 und den Pufferspeicher 33.
Tatsächlich
ist die die Einheiten 31 und 32 enthaltende Steuereinheit 30 durch
Speichern von Programmen realisiert, welche die Funktionen der Einheiten 31 und 32 in
der Robotersteuereinrichtung C definieren.
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Sogar
wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Laserschweißvorrichtung
A in der vorliegenden Ausführungsform
veränderlich
ist, kann der Lichtpunkt des Laserstrahls 2 genau auf dem
Mittelpunkt 3a der Nut 3 erzeugt werden, die durch
die Nuterfassungseinrichtung 20 erfasst wird, welche bezüglich der
Schweißrichtung
vor dem optischen Kopf 11 angeordnet ist, so dass ein genauer
Schweißvorgang erzielt
werden kann. Da das Verbindungselement 45, welches sowohl
den optischen Kopf 11 als auch die Nuterfassungseinrichtung 20 haltert,
an der Roboterhand RA befestigt ist, kann verhindert werden, dass dem
Schweißroboter
R inhärente
Fehler die Schweißgenauigkeit
beeinträchtigen.
Das bedeutet, da die Strecke, um die der optische Kopf 11 bewegt wird,
ein Relativwert ist, der auf Basis der Daten der Position des optischen
Kopfes 11 vor der Bewegung sowie nach der Bewegung berechnet
wird, wird die Strecke nicht durch dem Schweißroboter R inhärente Fehler
beeinflusst. Da die Position der Nut 3 durch Zusammenfügen der
Mehrzahl von Bildern der durch die Mehrzahl von ebenen Laserstrahlen
bestrahlten Teile erfasst wird, wird die Schwankung der Nut 3 vergrößert, der
Einfluss von Rauschen kann beseitigt werden, und der Mittelpunkt 3a der
Nut 3 kann in genauer Weise erfasst werden.
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Im Übrigen können geringfügige Stufen
und Spalte durch das zuvor erwähnte
Nuterfassungsverfahren erfasst werden.
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Ein
Laserschweißverfahren
bei einer weiteren Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zum Ausführen
eines Laserschweißverfahrens
wird nachfolgend mit Bezug auf 10 beschrieben.
Die Laserschweißvorrichtung
A1 ist eine Modifikation der Laserschweißvorrichtung A der vorliegenden
Ausführungsform.
Bezug nehmend auf 10 beinhaltet die Laserschweißvorrichtung
A1, zusätzlich
zu den Bauelementen ähnlich
denen der Laserschweißvorrichtung
A der vorhergehenden Ausführungsform, eine
Drückeinheit 50.
Die Drückeinheit 50 drückt ein dem
Werkstück
W4 überlagert
angeordnetes Werkstück
W3 mit einem Druckrad 51 während eines Überlappungsschweißvorgangs,
der unter Verwendung eines Laserstrahls (stark gebündelter
Strahl) 2 durchgeführt
wird, der durch den im optischen Kopf der Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 enthaltenen YAG-Laser
ausgesendet wird.
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Die
Drückeinheit 50 beinhaltet
das Druckrad 51, das Druck auf einen Teil des Werkstücks W3 um eine
Schweißlinie
herum aufbringt, ein Trägerelement 52,
welches das Druckrad 51 drehbar lagert, ein Gleitverschiebungselement 53,
und einen Zylinderstellantrieb 54, wie beispielsweise einen
pneumatischen Zylinderstellantrieb 54A. Ein oberer Teil
des Trägerelementes 52 ist
an einem unteren Teil des Gleitverschiebungselementes 53 befestigt.
Der Zylinderstellantrieb 54 treibt das Gleitverschiebungselement 53 für eine gleitende
Verschiebung entlang einer am Verbindungselement 45 befestigten
Führungseinrichtung
an, um durch das Druckrad 51 Druck auf das Werkstück W3 auszuüben. Das
Gleitverschiebungselement 53 und der Zylinderstellantrieb 54 sind
auf der Oberfläche
des Verbindungselementes 45 gehaltert, auf dem die Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 befestigt
ist. Somit sind die Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 und
die Druckeinheit 50 so vereinigt, dass sie die gleiche
Positionsbeziehung beibehalten, d. h. die Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 und
die Drückeinheit 50 bewegen
sich als integrale Einheit in vertikaler Richtung. Der Zylinderstellantrieb 54 wird
derart gesteuert, dass das Druckrad 51 einen festgelegten
Druck auf das Werkstück W3
aufbringt.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform kann,
da das Werkstück
W3 mit einem festgelegten Druck während des Schweißvorgangs
gegen das Werkstück
W4 ge drückt
wird, eine zufriedenstellende Verschweißungsqualität erzielt werden. Da die Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 und
die Drückeinheit 50 die
gleiche Positionsbeziehung beibehalten, verändert sich der Abstand zwischen
dem optischen Kopf 11 und der Oberfläche des Werkstückes W3 nicht,
sogar wenn das Druckrad 51 entlang der Oberfläche des
Werkstückes
W3 abrollt. Somit kann sich der Brennpunkt des optischen Kopfes 11 immer
auf der Oberfläche
des Werkstückes
W3 befinden, sogar wenn das Druckrad 51 entlang der Oberfläche des Werkstückes W3
abrollt. Und zwar kann ein Laserstrahl, der vom YAG-Laser ausgesendet
und durch die Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 projiziert wird,
immer auf die Oberfläche
des Werkstückes
W3 fokussiert werden.
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Verschiedene
Modifikationen der vorhergehenden bevorzugten Ausführungsformen
sind möglich.
Beispielsweise kann, auch wenn bei der Nuterfassungseinrichtung
der Laserschweißvorrichtung bei
den zuvor erwähnten
Ausführungsformen
vier ebene Laserstrahlen verwendet werden, die Anzahl der durch
die Nuterfassungseinrichtung projizierten ebenen Laserstrahlen eine
beliebige geeignete Anzahl abgesehen von vier sein, z. B. zwei oder
fünf.
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Auch
wenn bei der Laserschweißvorrichtung bei
den zuvor erwähnten
Ausführungsformen
beschrieben wurde, dass sie auf Schweißoperationen angewandt werden,
bei denen die Schweißlinie
geradlinig ist, sind die Laserschweißvorrichtungen der Erfindung
für Schweißvorgänge entlang
einer gekrümmten
Schweißlinie
anwendbar, vorausgesetzt, dass die gekrümmte Schweißlinie einen großen Krümmungsradius
hat und ein Segment der gekrümmten
Schweißlinie
zwischen der Laserstrahlprojektionseinrichtung und der Nuterfassungseinrichtung
als geradliniges Segment betrachtet werden kann.
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Auch
wenn sich die Steuereinheit 30 der zuvor erwähnten Ausführungsformen
in der Robotersteuereinrichtung C befindet, kann die Steuereinheit 30 in
die Laserstrahlprojektionseinrichtung 10 eingebaut sein
und kann in der Lage sein, mit der Robotersteuereinrichtung C Signale
auszutauschen.
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Wie
aus der vorhergehenden Beschreibung klar hervorgeht, ist die Laserstrahlprojektionseinrichtung
in der Lage, einen Laserstrahl genau auf einen Teil eines Werkstückes zu
projizieren, der durch die Nuterfassungseinrichtung erfasst wird,
die bezüglich der
Schweißrichtung
in einem vorbestimmten Abstand vor der Laserstrahlprojektionseinrichtung
gehalten wird, sogar wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Laserschweißvorrichtung
veränderlich
ist.
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Die
Laserschweißvorrichtung
der Erfindung ist in der Lage, eine Nut, d. h. eine Schweißlinie,
sicher und genau zu erfassen, sogar wenn die Form der Nut eine so
geringe Variation aufweist, dass die Erfassung der Nut schwierig
ist.
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Die
Laserschweißvorrichtung
der Erfindung verwendet einen Speicher in effektiver Weise.
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Auch
wenn die Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen mit einem gewissen
Grad an Spezifität
beschrieben wurden, sind bei diesen offensichtlich viele Änderungen
und Modifikationen möglich.
Es versteht sich daher, dass die Erfindung in der Praxis anders
als hier speziell beschrieben ausgeführt sein kann, ohne vom Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen, der in den anliegenden Ansprüchen definiert
ist.