DE602004008873T3

DE602004008873T3 - Eine Vorrichtung zum Laserschweißen

Info

Publication number: DE602004008873T3
Application number: DE602004008873T
Authority: DE
Inventors: Roberto Menin; Arturo Baroncelli; Enrico Mauletti
Original assignee: Comau SpA
Current assignee: Comau SpA
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2024-12-11
Also published as: US20050150876A1; KR101146856B1; DE602004008873T2; ATE372852T1; CN100473486C; EP1568436A1; EP1568436B1; EP1568436B2; ES2291802T3; CN1628928A; US7786404B2; JP4629425B2; CA2489941C; DE602004008873D1; JP2005177862A; MXPA04012504A; ES2291802T5; KR20050062394A; CA2489941A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Laserschweißen, insbesondere zum Schweißen von Strukturen, gemacht aus Metallblech, die Baueinheiten oder Bauteile von Karosserien oder Rahmen von Kraftfahrzeugen bilden.
Der vorliegende Anmelder hat nun seit einiger Zeit (siehe z. B. die europäischen Patente Nr. EP 0 440 001 B1 und EP 0 440 002 B1 bezüglich dem sogenannten „LASERGATE”-System) Vorrichtungen zum Laserschweißen von Kraftfahrzeug-Strukturen vorgeschlagen. Die Verwendung von Laserschweißen für besagte Anwendungen fand jedoch sofort nach seinem ersten Vorschlag in den frühen 90er Jahren keine besonders weite Ausbreitung. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Experimente, die mit den ersten Ausführungsformen von Laserschweiß-Vorrichtungen durchgeführt wurden, die Existenz einer großen Anzahl an Problemen zeigten, die mit besagter Technologie verbunden sind.
Ein erstes wichtiges Problem kommt von dem weitverbreiteten Gebrauch in dem Fahrzeugbereich von Stahl-Blech, ausgestattet mit einer äußeren zinkbeschichteten Schutzschicht. Besagte Schicht verursacht die Erzeugung von Zinkdämpfen während der Laserschweiß-Arbeiten, welche es häufig problematisch machen, eine Schweißung von guter Qualität zu erhalten.
Das obengenannte Problem wurde ausführlich behandelt und bildlich dargestellt in den europäischen Patentanmeldungen Nr. EP 1 238 748 A1 und EP 1 236 535 A1 , eingereicht in dem Namen des derzeitigen Anmelders, worin Vorrichtungen bildlich dargestellt sind, die auf eine einfache und wirksame Weise in der Lage sind, das oben erwähnte technische Hindernis durch Garantieren von Fluchtwegen für die Zinkdämpfe, die während des Schweißvorgangs gebildet werden, überwinden. Eine andere Lösung für das Problem, erzeugt durch Zinkdämpfe, wurde auch in der italienischen Patentanmeldung Nr. TO2002A000760 , eingereicht in dem Namen des vorliegenden Anmelders, vorgeschlagen.
Es benötigte jedoch einige Zeit, bis das oben erwähnte technische Problem erkannt, untersucht und auf eine vollständige Weise gelöst wurde, eine Tatsache, die zumindest teilweise die Länge der Ausreifungszeit der Verwendung von Laserschweißen in dem Fahrzeugbereich erklärt.
Ein anderes wichtiges Problem, das notwendigerweise in Betracht gezogen werden muss bei der Anwendung von Laserschweißen bei der Montage von Kraftfahrzeugstrukturen ist verbunden mit dem Bedürfnis, eine hohe Montagequalität bei verringerten Produktionszeiten zu garantieren. Eine Station für die Montage einer Kraftfahrzeugkarosserie oder für seine Teilmontage umfasst typischerweise eine Vielzahl von Anordnungselementen und Klemmausrüstungen, die korrektes Positionieren der Metallblechelemente sicherstellen, die die Struktur während des Schweißschritts bilden. Es existiert natürlich eine Mindestgrenze für die Anzahl von Teilen von Klammerausrüstungen, die für besagten Zweck bereitgestellt werden kann, unterhalb derer die Geometrie der Struktur nicht ausreichend garantiert ist, mit der Konsequenz einer unzureichenden Qualität des Montageablaufs. Es folgt, dass die Schweißstation relativ „überfüllt” ist durch einen Gerätesatz von Klemmausrüstungen mit den entsprechenden Steuervorrichtungen zum Manövrieren besagter Ausrüstung zwischen einem offenen, ruhenden Zustand und einem geschlossenen, betriebsbereiten Zustand. Zusätzlich dazu ist die Tatsache, dass in dem Fall von flexiblen Schweißstationen, in der Lage an verschiedenen Typen oder Modellen oder Versionen von der zu schweißenden Struktur zu arbeiten, die Schweißstation auch ausgestattet ist mit Mitteln zum Führen und Steuern von unterschiedlichen Strukturen zum Unterstützen der Klemmausrüstungen, die schnell gegenseitig austauschbar sind gemäß dem Karosserie- oder Teilmontage-Typ, der jedes Mal in der Schweißstation ankommt. Die folgende relative Komplexität der Struktur der Schweißstation und ihrer Teile macht die Arbeit der Manipulationsroboter, die verwendet werden zum Tragen der Schweißmittel (elektrische Schweißpistolen oder Gabeln in dem konventionalen Fall, Laserköpfe in dem Fall von Laserschweißen) in der Nähe der verschiedenen Flächen der zu schweißenden Struktur offensichtlich schwieriger.
Sowohl in dem Fall der traditionellen Technologie unter Verwendung von elektrischen Schweißpistolen als auch in dem Fall von Laserschweißen, muss der Roboter sich nacheinander zum Ausführen der Schweißnaht in einer Folge von Flächen der zu schweißenden Struktur, die ihm zugewiesen sind, bewegen. Folglich, nachdem die zu schweißende Struktur in der Schweißstation angekommen ist, muss sie in der Station bleiben für eine Zeit, die zumindest ausreichend ist, um jedem Roboter zu ermöglichen, alle die Schweißnähte durchzuführen, die ihm zugeteilt sind. Offensichtlich könnte die Aufenthaltszeit in der Schweißstation verringert werden durch Erhöhen der Anzahl von Robotern, aber auch in diesem Fall existiert eine Begrenzung für besagte Möglichkeit, welche zurückzuführen ist auf sowohl Kostengründe, als auch auf die Tatsache, dass über eine gewisse Anzahl von Robotern, jeder der Roboter ein Hindernis wird für die Funktionsfähigkeit eines oder mehrer Roboter daneben.
Andererseits wird die Zeit, die von jedem Roboter zum Ausführen aller zugewiesenen Schweißnähte gebraucht wird, nicht nur durch die Summe der Zeiten repräsentiert, die notwendig ist zum Ausführen der verschiedenen Schweißnähte, sondern auch durch die Zeit, die eingenommen wird bei jeder Gelegenheit zum Ausführen aller der bestimmten Schweißnähte zum Gelangen in die zu schweißende Fläche und besagte Zeit kann nicht vernachlässigt werden, vor allem, wenn der Roboter gezwungen ist, für diesen Zweck einem relativ gewundenen Pfad zu folgen, dabei ist es notwendig jegliche Schnittstelle zu vermeiden, ob mit anderen Teilen der zu schweißenden Struktur oder mit den verschiedenen Teilen von Klemmausrüstungen, die darauf im Eingriff steht.
Es ist notwendig andererseits zu berücksichtigen, dass zu Beginn der Anwendung von Lasertechnologie für das Schweißen von Kraftfahrzeugstrukturen die erhältlichen Lasergeneratoren relativ weniger effizient und weniger leistungsfähig waren als diejenigen, die, statt dessen, derzeit erhältlich sind. Bei den Lasergeneratoren der ersten Generation war es auf jeden Fall notwendig, eine Position des Laserkopfs, der getragen wird durch den Roboter, zu garantieren, die relativ nah an der zu schweißenden Struktur war, so dass die Anwendung von Lasertechnologie keine besonderen Vorteile brachte, von diesem Standpunkt, wenn verglichen mit den traditionellen elektrischen Punktschweißtechniken. Statt dessen gibt es bei den derzeit erhältlichen Lasersystemen neu eröffnete, ermutigende Aussichten in der Richtung einer wichtigen Verringerung von Produktionszeiten.
Die Idee, die besagter Entwicklung zugrunde liegt und das Subjekt von Anfangsexperimenten, die von dem derzeitigen Anmelder durchgeführt wurden, gebildet hat, besteht in Beibehalten des Laserkopfes bei einer bestimmten Entfernung zu der zu schweißenden Struktur and im Bereitstellen von Mitteln, die Fokussieren des Laserstrahls auf verschiedene Flächen der zu schweißenden Struktur ermöglichen, ohne die Position des Laserkopfes zu ändern. Dies wird natürlich nicht nur verwertet zum Bewegen des Laserstrahls in Bezug auf die zu schweißende Struktur in einer bestimmten Fläche, für den Zweck, eine Schweißstrecke oder Schweißwulst auszuführen, sondern auch und vor allem zum Schweißen verschiedener Flächen der Struktur, ohne den Kopf, der von dem Roboter getragen wird, zu bewegen. Eine Lösung in dieser Richtung ist von dem derzeitigen Anmelder in der europäischen Patentanmeldung Nr. EP 1 228 835 A1 (Ein System und Verfahren zum Laserschweißen mit Abstand) vorgeschlagen worden, wovon der vorliegende Anmelder Mit-Inhaber ist. Besagtes bekanntes System wird jedoch auf einen „kartesischen” Roboter angewendet, nicht auf einen Roboter eines „antropomorphen” Typs und wird zu dem Roboter „hinzugefügt” und nicht integriert.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Laserschweißvorrichtung bereitzustellen, welche die oben erwähnte zugrunde liegende Idee auf einfache und effiziente Wiese verwerten kann für den Zweck Laserschweißen von Strukturen, wie z. B. Kraftfahrzeug-Karosserie oder ihre Teilmontage durch Garantieren einer hohen Schweißqualität zu ermöglichen, aber gleichzeitig Produktionszeiten beträchtlich zu verringern.
Eine Laserschweißvorrichtung gemäß der Präambel von Anspruch 1 ist bekannt aus „Laserwelding an the fly with coupled axes systems” von Klotzbach et al., eingeschlossen in den ”Proceedings of 20th International Congress an ICALEO 2001”.
Gemäß der Erfindung wird besagter Zweck erhalten durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Möglichkeit den fokussierenden Kopf in einer Entfernung von dem zu schweißenden Arbeitsstück zu halten, ermöglicht beträchtliche Vereinfachung des Pfades des Kopfes, der von dem Roboter während des Ausführens des Schweißens getragen wird. Während des Schweißschritts „überfliegt” der Laserkopf in einer Entfernung das zu schweißende Arbeitsstück, während gleichzeitig der fokussierte Laserstrahl auf verschiedene Arten orientiert wird zum Ausführen der Schweißstrecken in den verschiedenen Flächen des Arbeitsstücks. Während jedes Schweißeinsatzes ist die Bewegung des fokussierten Laserstrahls daher eine komplexe Bewegung, die aus der Summe der Bewegung des Roboters und der Orientierungsbewegung des Laserstrahls in Bezug auf den Laserkopf resultiert. Es folgt, dass die Bewegung des Roboters und der Scanvorrichtung, die die Zielrichtung des fokussierten Laserstrahls orientiert, auf eine koordinierte Weise gesteuert werden muss, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
Es muss beachtet werden, dass EP 0 483 385 A1 eine Laserschweißvorrichtung offenbart, worin der Laserstrahl orientiert wird gemäß einem Pfad und einer Geschwindigkeit, die unabhängig sind von dem Pfad und Geschwindigkeit des Endelements des Roboters. Jedoch wird in dieser bekannten Vorrichtung das zuvor genannte Konzept nur verwertet, um periodische und zyklische Oszillationen an den Laserstrahl zu vermitteln, während das Endelement des Roboters in Längsrichtung der Schweißstrecke, die ausgeführt werden soll, bewegt wird. Daher wird in dieser bekannten Vorrichtung die Bewegung des Laserstrahls in der Längsrichtung der Schweißstrecke eindeutig durch die Geschwindigkeit des Endelements des Roboters bestimmt. In dem Fall der vorliegenden Erfindung kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahlpunkts entlang der Längsrichtung der Schweißstrecke statt dessen nach Belieben gesteuert werden, unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterendelements.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden sich aus der folgenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ergeben, die bereitgestellt werden als rein unbegrenzende Beispiele und in denen:
1 eine Perspektivansicht eines Manipulationsroboters ist;
2 eine schematische Darstellung einer zu schweißenden Struktur und von den verschiedenen Flächen, in denen die Laserschweißstrecken durchgeführt werden sollen und von dem Pfades, dem der Kopf, der von dem Roboter während des Schweißzyklus getragen wird, folgt, ist;
3 eine schematische Querschnittsansicht ist, die den Endteil des Roboters von 1 gemäß einer Ausführungsform zeigt, die nicht Teil der Erfindung ist; und
4 eine Variante von 3 gemäß einer Ausführungsform bildlich darstellt, die nicht Teil der Erfindung ist, und
5 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
In 1 bezeichnet Bezugsnummer 1 als ein Ganzes einen Manipulationsroboter eines beliebigen bekannten Typs. Der derzeitige Anmelder hat nun seit einiger Zeit Manipulationsroboter eines „anthropomorphischen” Typs produziert und vermarktet, die eine Reihe von Elementen besitzen, die so befestigt sind, dass sie sich drehen können oder in Bezug auf die anderen gemäß einer entsprechenden Reihe von Achsen (typischerweise sechs) gegliedert sind. Jeder der besagten Achsen ist ein elektrischer Steuermotor zugeordnet. Die elektrischen Motoren werden durch eine Steuereinheit 2 gesteuert, die mit dem Roboter verbunden ist. Die Einheit 2 kann die elektrischen Motoren so steuern, dass sie im Raum die gegliederte Struktur des Roboters, die das äußerste Ende des Roboters trägt, an jedwedem Punkt eines Raumes von vorgegebener Form und Dimensionen bewegt. In dem Endelement des Roboters ist eine Vorrichtung 3 zum Fokussieren und Orientieren der Zielrichtung eines Laserstrahls integriert. Der Roboter 1 ist tatsächlich verbunden mit einem Lasergenerator 4, der vorzugsweise von dem Festkörper-Typ ist. Der Laserstrahl wird bei Ausgabe von dem Generator 4 geführt mittels einer optischen Faser, oder eines Bündels von optischen Fasern, 5 bis zu der fokussierenden und Ziel-Vorrichtung 3. Das Endteil der optischen Faser 5 ist innerhalb der Struktur des Roboters integriert, wie in 3 gesehen werden kann. Die optische Faser 5 endet mit einer optischen Brennvorrichtung 6, eines an sich bekannten Typs. In dem Fall der Lösung, bildlich dargestellt in 3, geht von der Brennvorrichtung 6 ein divergierender Laserstrahl 7 aus, der dann durch eine erste Linse 8 kollimiert wird. Der kollimierte Strahl 9 wird empfangen von eine Linse 10, die bei Ausgabe einen divergierten Strahl 11 ausgibt. Die Linse 10 wird auf verschiebbare Weise axial befestigt mittels eines Gleitstücks 12 in der Struktur 13 eines Elements des Roboters. Die Bewegung des Gleitstücks 12 wird gesteuert durch einen elektrischen Aktuator (nicht gezeigt) eines beliebigen bekannten Typs, der ebenso durch eine zweite programmierbare elektronische Steuereinheit gesteuert wird. Diese zweite Steuereinheit ist in die Steuereinheit 2 des Roboters integriert. Es ist jedoch gut möglich, dass eine zweite Steuereinheit bereitgestellt wird, die getrennt von der Roboter-Steuereinheit ist und damit kooperiert. Der divergierte Strahl 10 wird empfangen von einer zweiten kollimierenden Linse 14, die bei Ausgabe einen kollimierten Strahl 15 ausgibt, der in eine Scanvorrichtung 16 zur Orientierung der Zielrichtung eintritt. Die Scanvorrichtung 16 umfasst, hintereinander, zwei reflektierende Spiegel 17, 18, entsprechend orientierbar um eine Achse 19 und eine Achse 20, die orthogonal zueinander sind und nicht koplanar, und die Orientierung des Strahls in jede Richtung im Raum ermöglichen. Natürlich können die zwei Spiegel 17, 18 auch ersetzt werden durch einen einzigen Spiegel, der orientierbar um zwei orthogonale Achsen ist. Die Bewegungen der zwei Spiegel 17, 18 werden gesteuert durch elektrische Aktuatoren irgendeines Typs (nicht bildlich dargestellt), gesteuert von der zweiten Steuereinheit zum Orientieren des Laserstrahls jedes Mal in die gewünschte Richtung. Der Laserstrahl 15 kommt, nachdem er nacheinander von den Spiegeln 17, 18 reflektiert worden ist, bei einer Linse 21 an, welche den Strahl in einem Punkt F der Oberfläche eines Arbeitsstücks 22 fokussiert. In dem Fall des Beispiels, gezeigt in 3, ist die Linse 21 von dem sogenannten F-theta Typ, der per se bekannt ist, der den Strahl immer in einem Punkt, gehörend zu der Ebene der Oberfläche des Arbeitsstücks 22, fokussieren kann, was auch immer die Orientierungsrichtung des Strahls ist.
Durch Steuern der Orientierung der Spiegel 17, 18 ist es möglich, die Zielrichtung des endgültigen, fokussierten Laserstrahls, bezeichnet mit L in 3, zu orientieren. Durch Abgleichen der axialen Position der Linse 10 ist es außerdem möglich, die fokussierende Entfernung anzupassen.
Dank der oben beschriebenen Anordnung kann für eine festgesetzte Position des Elements 13 des Roboters der fokussierte Strahl L so in verschiedene Richtungen gerichtet sein, dass er so jeden beliebigen Punkt F eines Festkörpers fokussiert, schematisch dargestellt in 1 und bezeichnet mit S.
Unter Verwendung der Vorrichtung von 1, 3, ist es zum Beispiel möglich eine Abfolge von Schweißstrecken T einer zu schweißenden Struktur 23 durchzuführen, indem das äußerste Ende des Roboters einfach gemäß dem Pfad, bezeichnet mit R in 2, bewegt wird. Während das äußerste Ende des Roboters entlang des Pfades R verschoben wird, wird er in einer Entfernung von dem Arbeitsstück 23 gehalten und kann die verschiedenen Schweißstrecken T dank der Orientierungsmöglichkeit des fokussierten Strahls L, erhalten mittels der Vorrichtung 3, ausführen. Während der Roboter das Arbeitsstück „überfährt”, orientiert die Vorrichtung 3 den Laserstrahl so angemessen, dass er die verschiedenen Schweißflächen nacheinander „illuminiert”. Die Bewegungen sind koordiniert für den Zweck, die Produktionszeiten zu optimieren. Während der Bewegung des Roboters kann der Laserstrahl folglich schneller „voranschreiten” als der Roboter, seine Bewegung vorwegnehmend, oder auch eine gegebene Fläche des Arbeitsstücks immer noch „illuminiert” lassen, während der Roboter sich bereits weiter bewegt hat.
Offensichtlich setzt Erhalten des oben erwähnten Ergebnisses das Bedürfnis für eine angemessene programmierte elektronische Steuerung zum Steuern sowohl der Bewegungen des Roboters als auch der Bewegungen der mobilen Teile der Vorrichtung 3 voraus. Die oben erwähnte zweite elektronische Steuereinheit wird bereitgestellt, die entweder in die Robotersteuereinheit integriert sein kann oder separat sein kann und damit kooperiert zum Durchführen der beiden zuvor erwähnten Steuerungsfunktionen.
4 stellt bildlich eine Variante von 3 dar, die sich darin unterscheidet, dass sie eine unterschiedliche Struktur des Scansystems darstellt.
In 4 werden die Teile, die gleich sind zu denen, die in 3 bildlich dargestellt sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In diesem Fall wird der divergierte Laserstrahl 7 bei Ausgabe von dem Brenner 6 von einer starren Linse 8 kollimiert, gelangt in ein Fokussiersystem, gebildet durch eine einzige mobile Linse von der Position 25 zu der Position 25' (4) und wird reflektiert durch einen starren Spiegel 27 und dann durch einen mobilen Spiegel 28, der um eine Achse 29 oszillieren kann und von einer Struktur 30 getragen wird, die sich um eine Achse 31 in Bezug auf eine Struktur 32 drehen kann, welche den starren Spiegel 27 trägt und verbunden ist mit der Struktur 13.
In der schematischen bildlichen Darstellung von 5 hat jede der zwei optischen Gruppen 108, 109 einen Körper 108a, 109a, der befestigt ist innerhalb eine röhrenförmigen Buchse 110, an deren Ende der optische Brenner 6 eingefügt ist.
Die Zeichnung zeigt weder die Art, mit der die beweglichen Linsen jeder optischen Gruppe 108, 109 angetrieben werden in Bezug auf den Körper der entsprechenden Gruppe, noch die Motormittel, die die steuernde Axialbewegung solcher Linsen antreiben, noch die mechanische Übermittlung, die damit verbunden ist, da solche konstruktive Details auf jegliche bekannte Art ausgeführt werden können und die Entfernung solcher Details von den Zeichnungen letztere schneller und leichter verständlich machen. Jedoch ist es wichtig anzumerken, dass, wie im Folgenden auch gesehen werden wird, die Axialbewegungen zum Steuern der Linsen der optischen Gruppe 108 und der optischen Gruppe 109 zusammen koordiniert werden müssen. Dies kann erhalten werden sowohl durch eine angemessene elektronische Steuerung der Motormittel, die die Steuerumschaltung der Linsen der optischen Gruppe 108 und der optischen Gruppe 109 antreiben, als auch wechselweise durch Einrichten einer angemessenen mechanischen Übermittlung (zum Beispiel eine Nockenübermittlung) zwischen den beweglichen Teilen der zwei optischen Gruppen 108, 109, welche den Vorteil einerseits erlaubt, die Motormittel nur für eine solcher Gruppen anzuordnen, und andererseits die Notwendigkeit einer elektronischen Steuerung der koordinierten Bewegungen solcher Gruppen zu vermeiden.
In dem Fall des spezifisch bildlich dargestellten Beispiels wird die röhrenförmige Buchse 10 innerhalb eines röhrenförmigen Körpers 11 angeordnet, der ein Element (einen Arm) des Roboters darstellt, in dem Fall einer integrierten Lösung innerhalb der Roboterstruktur.
In der bildlich dargestellten Ausführungsform ist die optische Gruppe 108 ein Zoommodul von Kollimation, einschließlich einer ersten Reihe von Linsen 112, die axial beweglich sind, von denen ein divergenter Strahl 113 mit einem erweiterten Durchmesser austritt, und eine oder mehrere starre Linsen 114 zur Kollimation des Strahls. Der kollimierte Laserstrahl 115, der aus dem Kollimationsmodul 108 austritt, durchschreitet mindestens eine Linse 116, die die zweite optische Gruppe 109 darstellt, um ihn so in einen divergenten Strahl 117 mit einem relativ weiten Durchmesser umzuwandeln. Die koordinierte Bewegung axialer Steuerung der Linsen der zwei optischen Gruppen 108, 109 erlaubt es, den Durchmesser des divergenten Strahls, der von solchen Gruppen ausgeht, zu verändern. Der Strahl 117 wird um 90° rotiert von einem starren Spiegel 118, getragen von einer Stützstruktur 119, die befestigt ist an dem röhrenförmigen Körper 110 der Vorrichtung. Der divergente Strahl 120, reflektiert durch den Spiegel 118, wird fokussiert durch ein starres Fokussiermodul 121, umfassend ein oder mehrere verbundene Linsen, die steif von der Struktur 119 getragen werden. Das Fokussiermodul 119 kann den Strahl fokussieren mit einem Kegel eines vorgegebenen Winkels, aber natürlich variiert die Fokussierentfernung des Strahls, d. h. die Entfernung des Fokussierpunkts von dem Fokussiermodul 121 in Abhängigkeit des Durchmessers mit welchem der Strahl 120 an dem Fokussiermodul 121 ankommt. Der fokussierte Strahl, gezeigt mit F, wird durch einen Spiegel 122 mit zwei Oszillationsachsen, die orthogonal zueinander sind, reflektiert. Insbesondere wird der Spiegel 122 drehbar unterstützt um eine Achse 123 durch eine Unterstützungsstruktur 124, die wiederum rotierbar unterstützt ist durch die Struktur 119 um eine Achse 125. Auch in diesem Fall zeigt die schematische Zeichnung von 5 nicht die Motormittel, die die Oszillation des Spiegels 122 um die zwei Achsen 123, 125 steuern, da solche Motormittel auf jede bekannte Weise ausgeführt werden können und die Entfernung solcher Details von den Zeichnungen diese letzteren schneller und leichter verständlich macht. Die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform sieht dann Motormittel vor zur koordinierten Steuerung der Axialpositionen der zwei optischen Gruppen 108, 109 für den Zweck, die Fokussierentfernung des Laserstrahls F zu ändern, und Motormittel zum Steuern der zwei Oszillationsachsen 123, 125 des oszillierenden Spiegels 122, um den fokussierten Laserstrahl F in dem Raum zu orientieren. Der Fokussierpunkt des Laserstrahls F kann daher innerhalb des Volumens des vorgegebenen dreidimensionalen Raumes verschoben werden, entsprechend den Arbeitsbedürfnissen der Vorrichtung.
Die Möglichkeit, die Fokussierentfernung zu ändern, erlaubt es die Dimension (den Durchmesser) des Illuminationspunktes auf der zu schweißenden Struktur unverändert beizubehalten, wenn die Entfernung der Fokussiergruppe von der Struktur variiert, und stellt daher den Erhalt einer gleichmäßigen Schweißqualität sicher. Des Weiteren erlaubt die Orientierungsmöglichkeit des Lasers offensichtlich, das Schweißen gemäß den Prinzipien des Fernschweißens auszuführen und insbesondere durch Orientieren des Laserstrahls während der Versetzung der Vorrichtung durch den Roboter.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet sein kann mit einer Vorrichtung zum Erfassen der Entfernung von der zu schweißenden Struktur und mit Mitteln, die geeignet sind die Fokussierentfernung durch Steuern der axialen Positionen der optischen Gruppen 108, 109, abhängig von der erfassten Distanz, automatisch anzupassen.

Claims

Eine Vorrichtung zum Laserschweißen einer Struktur, die aus Elementen aus Blattmetall aufgebaut ist, umfassend: – einen Manipulationsroboter (1) mit einer Anzahl von Achsen, welcher eine Vielzahl elektrischer Motoren aufweist, welche die Bewegung der Komponentenelemente des Roboters um die Achsen steuert, und – eine programmierbare elektronische Steuereinheit (2) zum Steuern der elektrischen Motoren zum Versetzen eines Anschlusskomponentenelements (13) des Roboters (1) entsprechend jeder Position, Orientierung und Pfad innerhalb eines ersten vordefinierten dreidimensionalen Raums, – wobei der Manipulationsroboter (1) mit einer Vorrichtung (3) zum Fokussieren eines Laserstrahls und zum Orientieren des fokussierten Laserstrahls innerhalb eines zweiten vordefinierten dreidimensionalen Raums (5) ausgestattet ist, – wobei die Steuerungseinheit (2) programmiert ist zum Versetzen des Anschlusskomponentenelements (13) des Roboters entlang eines vereinfachten Pfads in der Nähe von, aber nicht nahe benachbart zu verschiedenen Bereichen (T) der zu schweißenden Struktur, – wobei weitere programmierbare elektronische Steuermittel zum Steuern der Vorrichtung (3) zum Fokussieren und Orientieren des Laserstrahls derart vorgesehen sind, dass, während das Anschlusskomponentenelement (13) des Roboters (1) dem vereinfachten Pfad folgt, der fokussierte Laserstrahl (L) in der Richtung all der verschiedenen Bereiche (T) der zu schweißenden Struktur orientiert wird, und für jeden Bereich eine Laserschweißstrecke oder -raupe ausführt, wobei die weiteren programmierbaren elektronischen Steuermittel so programmiert sind, dass der Laserstrahlpunkt auf der zu schweißenden Struktur mit Bezug zu ihr in der Längsrichtung jeder Schweißstrecke mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, welche nicht präzise unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Anschlusskomponentenelements (13) des Roboters ist, so dass, während der Bewegung des Manipulationsroboters (1) mittels der darin integrierten Vorrichtung das Anschlusskomponentenelement (13) in der Lage ist, einen gegebenen Bereich der zu schweißenden Struktur beleuchtet zu halten, während sich der Manipulationsroboter (1) schon weiter bewegt hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) zum Fokussieren und Orientieren des Laserstrahls in das Anschlusskomponentenelement (13) des Roboters integriert ist, wobei die Vorrichtung optische Fasermittel (5) zum Führen des Laserstrahls (L) von einem Lasergenerator (4) zu der Vorrichtung (3) zum Fokussieren und Orientieren des Laserstrahls aufweist, wobei das optische Fasermittel (5) zumindest teilweise in die Struktur des Roboters (1) integriert ist, wobei die Vorrichtung zum Fokussieren und Orientieren des Laserstrahls erste und zweite optische Gruppen (108, 109) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, um den Laserstrahl (107) zu formen, welche in der axialen Position in einem Koordinatenweg dazwischen einstellbar sind, um einen Laserstrahl (117) mit einem vordefinierten Durchmesser auszugeben, – einem starren Spiegel (118) zum Reflektieren des Laserstrahls (17) mit einem vordefinierten Durchmesser, – einem starren Fokussiermodul des Laserstrahls (120), welcher durch den starren Spiegel (118) reflektiert wird, und – Spiegelmittel (122), die um zwei dazwischen orthogonale Achsen (123, 125) orientiert sind, um den fokussierten Laserstrahl (F) entsprechend einer im Raum orientierbaren Richtung zu reflektieren, wobei die erste optische Gruppe (108) eine Vielzahl von Linsen (112, 114) aufweist, die zum Kollimieren des Laserstrahls mit einem variablen Durchmesser relativ zu dem der Eingabe in die optische Gruppe geeignet sind, wobei die zweite optische Gruppe (109) angepasst ist, um dafür zu sorgen, dass der Strahl divergiert, wobei die Spiegelmittel (122) einen einzelnen Spiegel (122) aufweisen, der drehbar um eine Achse (123) auf einem Träger (124) befestigt ist, welcher wiederum drehbar relativ zu einer starren Struktur (119) befestigt ist, die das Fokussiermodul (121) um eine Achse (125) orthogonal zu der Oszillationsachse (123) des Spiegels (122) trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren elektronischen Steuermittel in die elektronische Steuereinheit (2) des Roboters integriert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren elektronischen Steuermittel von der elektronischen Steuereinheit (2) des Roboters getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Gruppen (108, 109) und die oszillierenden Spiegelmittel (122) durch entsprechende Motormittel angetrieben werden, die durch elektronische Steuermittel gesteuert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Steuermittel innerhalb der programmierbaren Steuereinheit (2) des Roboters integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Steuermittel unabhängig in Bezug auf die programmierbare Steuereinheit (2) des Roboters (2) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei optischen Gruppen (108, 109) durch eine mechanische Übertragung miteinander verbunden sind, welche die Einstellung axialer Bewegungen der zwei optischen Gruppen entsprechend einer vorbestimmten Korrelation voneinander abhängig macht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Mittel zum Erfassen des Abstandes der Vorrichtung von einer zu schweißenden Struktur und zum Steuern der Einstellungsposition der optischen Gruppen (108, 109) zum Variieren des Fokussierungsabstandes des Laserstrahls in Abhängigkeit vom zuvor erfassten Abstand ausgestattet ist.