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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Schweißen
eines Werkstücks
im Zuge eines Fertigungsverfahrens, beispielsweise bei der Herstellung
von Kraftfahrzeugen.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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An Kraftfahrzeug-Fertigungsstraßen werden mehrere
plattenähnliche
Werkstücke
zusammengebaut und zu einer Fahrzeugkarosserie verschweißt. Zum
Herstellen einer solchen Fahrzeugkarosserie war es bislang üblich, die
Werkstücke
mit Klemmvorrichtungen zu greifen und zu positionieren und die Werkstücke an mehreren
Punkten der Werkstücke durch
Einsatz von Widerstands-Punktschweißmaschinen zu verschweißen. Da
die Notwendigkeit besteht, eine Widerstands-Punktschweißmaschine
so zu verlagern, daß sie
mit Werkstücken
in Kontakt gelangen kann, ohne mit den Klemmvorrichtungen zu kollidieren,
sind die Punkte, an denen die Werkstücke von der Widerstands-Punktschweißmaschine
verschweißt
werden können,
durch die Klemmvorrichtungen begrenzt, was möglicherweise an einigen Schweißstellen
der Werkstücke
zu mangelnder mechanischer Festigkeit führt. Eine Lösung dieses Problems bestand
darin, Werkstücke
in einem zweistufigen Schweißprozeß zu verschweißen. Im
Zuge des zweistufigen Schweißprozesses
werden Werkstücke provisorisch
derart verschweißt,
daß sie
ihre Lage in der angestrebten Form beibehalten, und anschließend werden
sie von den Klemmvorrichtungen getrennt. Nach dem Entfernen von
den Klemmvorrichtungen werden die Werkstücke an sämtlichen noch erwünschten
Stellen mit Hilfe von Widerstands-Punktschweißmaschinen verschweißt. Auf diese
Weise besitzen die verschweißten
Werkstücke die
ausreichende mechanische Festigkeit.
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Der zweistufige Schweißvorgang
erhöht
allerdings die Anzahl von Schritten bei der Kraftfahrzeugfertigung,
erhöht
die Zeit, die für
die Fertigstellung eines Automobils erfor derlich ist, und senkt
den Wirkungsgrad bei der Fertigung von Kraftfahrzeugen. Außerdem ist
der zweistufige Schweißvorgang
verantwortlich für
eine Zunahme der Länge
der Kraftfahrzeug-Fertigungsstraßen und eine Zunahme der Anzahl
von Kraftfahrzeugkarosserie-Trägern,
der Anzahl von Klemmvorrichtungen und der Anzahl von Punktschweißmaschinen.
Als Folge davon sind solche Kraftfahrzeug-Fertigungsstraßen relativ
kostspielig, was sich auch auf den erhöhten Preis der Kraftfahrzeugfertigung
niederschlägt.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß, wenn die Spitze einer Schweißpistole
oder eines Schweißroboters
an einem Werkstück
kleben bleibt, während
dieses einer Punktschweißung
unterzogen wird, die Schweißpistole
das Werkstück
bei der Verlagerung des Schweißroboters
mitzieht, wodurch das Werkstück leicht
verformt wird. Der Punktschweißvorgang
hat den Nachteil, daß die
Kraftfahrzeug-Fertigungsstraße
stillgesetzt werden muß,
um die Spitze der Schweißpistole
zu bearbeiten. Aus diesem Grund kann der Wirkungsgrad der Kraftfahrzeug-Fertigungsstraße nicht
gesteigert werden.
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Im Stand der Technik wurden unterschiedliche
Laserstrahl-Schweißvorrichtungen
vorgeschlagen, um die Schwierigkeiten beim Punktschweißen zu beseitigen.
So zum Beispiel zeigt die japanische Patentveröffentlichung 4-36792 eine Mehrpunktschweißvorrichtung
mit einer Mehrzahl von Schweißköpfen. Die
Schweißköpfe sind
in der Nähe
von zu schweißenden
Werkstückzonen
positioniert, und ein vorbestimmter Schweißkopf wird ausgewählt durch Justieren
des Winkels eines planen Spiegels. Ein Laserstrahl wird durch den
ausgewählten
Schweißkopf zu
der entsprechenden zu schweißenden
Werkstückzone
geleitet. Auf diese Weise können
mehrere Werkstückzonen
innerhalb relativ kurzer Zeit geschweißt werden.
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Allerdings leidet diese bekannte
Mehrpunktschweißvorrichtung
an verschiedenen Problemen. Insbesondere deshalb, weil die Schweißköpfe in Bezug
auf das Werkstück
fixiert sind, können
sie zwar das Werkstück
mit einem Laserstrahl einer Punktschweißung unterziehen, können jedoch
keine Schweißnaht
an dem Werkstück
ziehen. Da so viele Schweißköpfe benötigt werden,
wie es zu verschweißende
Werkstückzonen
gibt, ist die Mehrpunktschweißvorrichtung
sehr teuer, und die Anzahl der Schweißköpfe und ihre Positionen müssen abhängig vom
Typ der zu schweißenden
Werkstücke
geändert werden.
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Dieser Änderungsprozeß ist mühsam und zeitraubend.
Soweit die Schweißköpfe in der
Nähe der
zu schweißenden
Werkstückzonen
positioniert werden, neigen die in den Schweißköpfen befindlichen Spiegel leicht
zum Verschmieren durch Materialspritzer während des Schweißvorgangs,
so daß die Spiegel
häufig
ausgetauscht oder anderweitig behandelt werden müssen. Die EP-A-0 607 456 zeigt ein
Laserrobotersystem für
industrielle Zwecke, welches zwei Laserroboter mit Hilfe einer Robotersteuereinrichtung
steuert, einen Laserstrahlen erzeugenden Laseroszillator steuert,
wobei die Laserstrahlen über
optische Fasern geleitet werden, und gleichzeitig eine Laserstrahl-Verzweigungssteuereinrichtung steuert.
Ausgestattet ist das System weiterhin mit einer optischen Faseranordnung
aus zwei Systemen zwischen zwei Lichtaustrittsöffnungen der Laserstrahl-Verzweigungssteuereinrichtung
und zugehörigen
Verdichtungseinrichtungen der beiden Laserroboter, so daß diese
beiden Laserroboter gleichzeitig und unabhängig oder synchron miteinander
gesteuert werden können.
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Allgemeines Ziel der Erfindung ist
die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Schweißen eines
Werkstücks
durch Aufteilen eines Laserstrahls mit einem Strahlspalter auf mehrere
Abtast-Schweißköpfe, wodurch
die einzelnen Laserstrahlen zu betreffenden Zonen des Werkstücks gelangen,
um diese gleichzeitig zu schweißen,
so daß das
Werkstück
in einer verkürzten
Zeit im Zuge der Fertigung eines Produkts relativ billig geschweißt werden
kann.
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Ein Hauptziel der Erfindung ist die
Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Schweißen eines
Werkstücks
durch Einführen
eines Abtastschweißkopfs
in das Werkstück
durch eine darin gebildete Öffnung
und durch Aufbringen eines Laserstrahls auf dem Abtastschweißkopf auf
eine Zone des Werkstücks,
um die Werkstückzone
dadurch zu schweißen,
und um dadurch die Anzahl von Zonen zu reduzieren, die nicht anderweitig
geschweißt
werden können
aufgrund von Positioniermechanismen, die das Werkstück ergreifen,
und zum Minimieren des Arbeitsaufwands, der bei einem zweistufigen Schweißprozeß aufzubringen
ist, demzufolge der Zeitaufwand für die Fertigung eines Produkts
sich verkürzen
läßt, die
Anzahl von Punktschweißmaschinen,
die für
den zweistufigen Schweißprozeß erforderlich
sind, reduziert werden kann, und die Produktkosten gesenkt werden
können.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist
die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Schweißen eines
Werkstücks
durch -Verlagern eines Abtastschweißkopfs zu einer Zone, die ausreichend weit
beabstandet ist von einer zu schweißenden Zone des Werkstücks, und
zum Aufbringen eines Laserstrahls aus dem Abtastschweißkopf auf
das Werkstück,
um zu verhindern, daß ein
Spiegel des Abtastschweißkopfs
durch Materialspritzer während
des Schweißvorgangs
verschmiert wird, demzufolge der Spiegel nicht so häufig ausgetauscht
oder anderweitig behandelt werden muß.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird
ein Verfahren zum Schweißen
eines Werkstücks geschaffen,
welches folgende Schritte umfaßt:
Positionieren des Werkstücks
mit Hilfe von Positioniermechanismen; Treiben eines Laserstrahl-Emissionsgeräts, damit
es einen Laserstrahl emittiert, Leiten des Laserstrahls von dem
Laserstrahl-Emissionsgerät zu einem
Strahlteiler, um den Laserstrahl in mehrere Laserstrahlen aufzuteilen,
wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Einleiten der mehreren
Laserstrahlen mittels Spiegeln in zugehörige bewegliche Abtastschweißköpfe mehrerer
Schweißroboter; Leiten
der mehreren Laserstrahlen von den Abtastschweißköpfen zu einer Mehrzahl erster
zu schweißender
Zonen des Werkstücks,
um das Werkstück an
den ersten Zonen zu schweißen;
nachdem das Werkstück
an den mehreren ersten Zonen geschweißt ist, Sperren der mehreren
Laserstrahlen gegenüber
dem Einleiten in die betreffenden Abtastschweißköpfe; anschließend, Bewegen
der Abtastschweißköpfe, während die
mehreren Laserstrahlen gesperrt sind; und Leiten der mehreren Laserstrahlen von
den Abtastschweißköpfen zu
einer Mehrzahl weiterer zu schweißender Zonen des Werkstücks, um
das Werkstück
an den weiteren Zonen zu schweißen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung wird eine Vorrichtung zum Schweißen eines Werkstücks geschaffen,
welche aufweist: ein Laserstrahl-Emissionsgerät zum Emittieren eines Laserstrahls;
mehrere Schweißroboter,
wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: einen totalreflektierenden
Spiegel, der in einem der Schweißroboter angeordnet ist; einen
Strahlteiler, der in einem anderen der Schweißroboter angeordnet ist; mehrere
bewegliche Abtastschweißköpfe, die
mit den Schweißrobotern
jeweils kombiniert sind; zugehörige
Verschlußmechanismen
zum Sperren der mehreren Laserstrahlen, so daß sie nicht in die zugehörigen Abtastschweißköpfe eingeleitet
werden; und einen Bewegungs mechanismus zum Bewegen der Abtastschweißköpfe, während die
mehreren Laserstrahlen gesperrt werden; wobei die Vorrichtung derart
ausgebildet ist, daß im
Betrieb ein Laserstrahl, der von dem Laserstrahl-Emissionsgerät emittiert
wird, von dem Strahlteiler in mehrere Laserstrahlen aufgeteilt wird, die
von Spiegeln in die zugehörigen
beweglichen Abtastschweißköpfe eingeleitet
werden, wobei die mehreren Laserstrahlen von den Abtastschweißköpfen in mehrere
erste zu schweißende
Zonen des Werkstücks
geleitet werden, um das Werkstück
an diesen Zonen zu schweißen,
wobei, nachdem das Werkstück
an den ersten Zonen geschweißt
ist, die mehreren Laserstrahlen gegen ein Einleiten in die zugehörigen Abtastschweißköpfe gesperrt
werden, die Abtastschweißköpfe bewegt
werden, während
die mehreren Laserstrahlen gesperrt sind, und die mehreren Laserstrahlen
zu mehreren weiteren zu schweißenden
Zonen des Werkstücks
geleitet werden; um das Werkstück
in diesen weiteren Zonen zu schweißen.
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Die obigen sowie weitere Ziele, Merkmale und
Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung, in der
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft dargestellt ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
werden im folgenden lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
seitliche Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung;
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2 eine
vorderseitige Draufsicht auf die in 1 gezeigte
Schweißvorrichtung;
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3 eine
vergrößerte, teilweise
quer geschnittene Draufsicht auf einen Teil der in 1 gezeigten Schweißvorrichtung;
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4 eine
vergrößerte Front-Draufsicht,
die in teilweisem Querschnitt einen Schweißroboter der in 1 gezeigten Schweißvorrichtung
veranschaulicht; und
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5 eine
vergrößerte vertikale
Teil-Querschnittansicht eines Abtastschweißkopfs des in 4 gezeigten Schweißroboters.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt
ist, enthält eine
erfindungsgemäße Schweißvorrichtung 10 im großen und
ganzen zwei Schweißroboter 12a, 12b, die
an einer Schweißstation 11 stationiert
sind, eine Laserstrahl-Emissionseinrichtung 16 zum Liefern
eines Laserstrahls L an die Schweißroboter 12a, 12b, einen
Transportmechanismus 18 zum Anliefern eines Werkstücks W, welches
hier als Kraftfahrzeugkarosserie dargestellt ist, an die Schweißstation 11,
und zwei Positioniermechanismen 20a, 20b, jeweils
einer an einer Seite des Werkstücks
W innerhalb der Schweißstation 11,
um das Werkstück
W, das der Schweißstation 11 zugeliefert
wurde, zu positionieren und zu fixieren.
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Der Transportmechanismus 18 besitzt
einen Transportschlitten 24, an dem mehrere Klammern 26 fest
gelagert sind. Das Werkstück
W wird auf dem Transportschlitten 24 von den Klammern 26 gehaltert und
wird der Schweißstation 11 mit
Hilfe des Transportmechanismus 18 zugeführt.
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Die Schweißroboter 12a, 12b besitzen
zugehörige
Führungsschienen 30a, 30b,
die an einer oberen Platte 28 gelagert sind, die eine Oberseite
der Schweißstation 11 bildet.
Die Führungsschienen 30a, 30b verlaufen
horizontal in Richtung der Pfeile A, B in 1. Gleitstücke 32a, 32b sind
verschieblich an den jeweiligen Führungsschienen 30a, 30b für eine Gleitbewegung
in Richtung der Pfeile A, B gelagert. Wie in 2 gezeigt ist, enthalten die Gleitstücke 32a, 32b längliche
Elemente, die sich in Richtung der Pfeile C, D quer zu den Pfeilrichtungen
A, B erstrecken. An den Enden der Gleitstücke 32a, 32b sind Gehäuse 34a, 34b fixiert.
Wie in 3 gezeigt ist,
ist in dem Gehäuse 34a ein
Strahlaufspalter 36 untergebracht, im Gehäuse 34b befindet
sich ein totalreflektierender Spiegel 38. Der Strahlaufspalter 36 und
der totalreflektierende Spiegel 38 sind in dem Weg des Laserstrahls
L von der Laserstrahl-Emissionseinrichtung 16 angeordnet
und sind gegenüber
dem Weg des Laserstrahls L um etwa 45 Grad geneigt.
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An den Gleitstücken 32a, 32b sind
in der Nähe
der Gehäuse 34a, 34b Verschlußmechanismen 40a, 40b angebracht.
Die Verschlußmechanismen 40a, 40b besitzen
längliche
Gehäuse 42a, 42b, die
Linearaktuatoren 44a, 44b an ihren jeweiligen
Enden haltern. Die Linearaktuatoren 44a, 44b besitzen horizontale
Stangen 45a, 45b, die in die Gehäuse 42a, 42b hineinragen.
Die Stangen 45a, 45b haltern an ihren inneren
freien Enden Spiegel 46a bzw. 46b, die um etwa 45 Grad
geneigt bezüglich
den Wegen des Laserstrahls L fest angebracht sind, wobei der Laserstrahl
von dem Strahlspalter 36 bzw. dem totalreflektierenden
Spiegel 38 reflektiert wird. Wenn die Linearaktuatoren 44a, 44b in
Betrieb gesetzt werden, werden die Spiegel 46a, 46b in
Pfeilrichtung A oder B verlagert, um den Laserstrahl L zu reflektieren
oder durchzulassen. Insbesondere dann, wenn die Spiegel 46a, 46b in
Pfeilrichtung A verlagert werden, werden die Spiegel 46a, 46b in
die in 3 durch eine ausgezogene
Linie dargestellten Stellungen bewegt, in denen die Spiegel 46a, 46b den
Laserstrahl L reflektieren. Wenn die Spiegel 46a, 46b in
Pfeilrichtung B verlagert werden, treten die Spiegel 46a, 46b aus dem
Laserstrahlweg hinaus in die durch zwei Punkte und jeweils einen
Strich angedeuteten Positionen in 3,
in denen die Spiegel 46a, 46b den Laserstrahl L
nicht reflektieren.
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Die Gehäuse 42a, 42b lagern
an ihren anderen Enden Laserstrahl-Wärmetauschermechanismen 48a, 48b.
Wenn die Spiegel 46a, 46b in die in 3 durch ausgezogene Linien
dargestellten Stellungen bewegt sind, reflektieren die Spiegel 46a, 46b den
Laserstrahl L und führen
ihn den Laserstrahl-Wärmetauschermechanismen 48a, 48b zu,
die jeweils Wärmeabsorptionsmechanismen 47a, 47b aufweisen,
um die Energie des zugeführten
Laserstrahls L in Wärme
umzuwandeln und die Wärme
zu speichern, außerdem
enthalten sie jeweils einen wassergekühlten Mechanismus 49a, 49b,
bestehend aus zu Schlangen geformten Rohren, welche die Wärmeabsorptionsmechanismen 47a, 47b umgeben,
um die Wärmeabsorptionsmechanismen
zu kühlen.
Die Wärmeabsorptionsmechanismen 47a, 47b sind
im wesentlichen zylindrisch und bestehen beispielsweise aus Aluminium,
sie besitzen Wärmeabsorptionsflächen 51a, 51b,
jeweils überzogen
mit einer Laserstrahlen absorbierenden Oberflächenschicht, beispielsweise
in Form einer anodisierten Schicht.
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Wie in 4 zu
sehen ist, sind Gleitstücke 50a, 50b verschieblich
an den jeweiligen Gleitstücken 30a, 30b gelagert
für eine
Gleitbewegung entlang den Gleitstücken 30a, 30b in
Pfeilrichtungen C, D. Gehäuse 54a, 54b sind
winkelbeweglich an den jeweiligen Gleitstücken 50a, 50b durch
betreffende Wellen 55a, 55b gelagert, um in Pfeilrichtung
E eine Winkelbewegung ausführen
zu können.
Die Gehäuse 54a, 54b nehmen
Spiegel 57a bzw. 57b in sich auf. Erste zylindrische
Rohre 56a, 56b sind vertikal an den Unterseiten
der jeweiligen Gehäuse 54a, 54b fixiert,
und zweite zylindrische Rohre 58a, 58b sind vertikal
teleskopähnlich
in die ersten zylindrischen Rohre 56a, 56b eingepaßt und sind
zu diesen beweglich ausgebildet. Die ersten zylindrischen Rohre 56a, 56b und
die zweiten zylindrischen Rohre 58a, 58b bilden
gemeinsam Arme 59a, 59b. Wenn die zweiten zylindrischen
Rohre 58a, 58b in die ersten zylindrischen Rohre 56a, 56b hinein
und aus diesen heraus verlagert werden, bedeutet dies, daß die Arme 59a, 59b ausgefahren
und zusammengezogen werden. Die ersten zylindrischen Rohre 56a, 56b und die
zweiten zylindrischen Rohre 58a, 58b sind miteinander über Kugelgewindespindeln 60a, 60b (siehe 1) gekoppelt. Die Kugelgewindespindeln 60a, 60b sind
mit ihren Enden an zugehörige
Schrittmotoren 62a, 62b gekoppelt, die auf den
Außenumfangsflächen der
ersten zylindrischen Rohre 56a, 56b fixiert sind,
die gegenüberliegende
Enden bilden einen Gewindeeingriff mit zugehörigen Muttern 64a, 64b, die
an den Außenumfangsflächen der
zweiten zylindrischen Rohre 58a, 58b fixiert sind.
Werden die Schrittmotoren 62a, 62b angesteuert,
bewegen sich die zweiten zylindrischen Rohre 58a, 58b in
axialer Richtung gegenüber
den ersten zylindrischen Rohren 56a, 56b über die
Kugelgewindespindeln 60a, 60b in Richtung des
Pfeils G.
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Abtastschweißköpfe 68a, 68b sind
an den unteren Enden der zweiten zylindrischen Rohre 58a, 58b befestigt.
Wie 5 zeigt, besitzt
jeder der Abtastschweißköpfe 68a, 68b ein
an dem unteren Ende eines der zweiten zylindrischen Rohre 58a, 58b befestigtes
Gehäuse 70 und
ein mit dem Gehäuse 70 winkelbeweglich
in Pfeilrichtung F gekoppeltes Gehäuse 72. Das Gehäuse 70 nimmt
einen Spiegel 74 auf. Das Gehäuse 70 besitzt ein
Ende, das über
ein Ende des Gehäuses 72 greift,
und ein Schneckenrad 76 und eine Drehführung 78 sind fest
am Ende des Gehäuses 70 gelagert.
Das Schneckenrad 76 kämmt mit
einer Schnecke 72, die an einem Lager 80 gelagert
ist, welches seinerseits an dem Gehäuse 72 befestigt ist.
Die Schnecke 82 kann von einem an dem Träger 80 gehalterten
Schrittmotor 84 gedreht werden. Die Drehführung 78 steht
mit dem Träger 80 in Eingriff.
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Das Gehäuse 72 nimmt in sich
Spiegel 86, 88 auf. Der von der Laserstrahl-Emissionseinrichtung 16 abgegebene
Laserstrahl L tritt in die Gehäuse 34a, 34b ein,
wird von dem Strahlspalter 36, dem totalreflektierenden
Spiegel 38 und den Spiegeln 57a, 57b reflektiert
und läuft
durch die ersten und die zweiten zylindrischen Rohre 56a, 56b, 58a,
58b in
die Abtastschweißköpfe 68a, 68b,
in denen der Laserstrahl von den Spiegeln 74, 86, 88 reflektiert
wird. Der von dem Spiegel 88 reflektierte Laserstrahl L
läuft in
Richtung eines Parabolspiegels 90, der beiden Spiegel 92, 94,
eines elliptischen Spiegels 96 und zweier Abtastspiegel 98, 100,
die sämtlich
in dem Gehäuse 72 aufgenommen
sind. Die Spiegel 92, 94, die unter einem vorbestimmten
Winkel zueinander geneigt sind, sind von einem Halter 102 aufgenommen
und können
in Pfeilrichtung H von einem mit dem Halter 102 gekoppelten
Schrittmotor 104 nach vorn und nach hinten bewegt werden.
Die Abtastspiegel 98, 100 können von zugehörigen (nicht
dargestellten) Servomotoren in einem Winkel in Pfeilrichtungen I,
J bewegt werden, um den Laserstrahl L abzulenken.
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Wie in 2 gezeigt
ist, sind die Positioniermechanismen 20a, 20b einerseits
an dem Transportmechanismus 18 angeordnet, sie umfassen
Säulen 112a, 112b,
die entlang von Basen 110a, 110b in Pfeilrichtungen
C, D beweglich sind, außerdem
mehrere horizontale Klammern 114, die an jeder der Säulen 112a, 112b gelagert
sind, um das Werkstück
W zu positionieren und zu fixieren.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise
der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 10 erläutert.
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Wie in 3 gezeigt
ist, werden die Spiegel 46a, 46b der Verschlußmechanismen 40a, 40b von den
Linearaktuatoren 44a, 44b in die durch die Doppelpunkt-Strich-Linie
angegebenen Positionen verlagert.
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Im Anschluß wird gemäß 1 ein Werkstück W, beispielsweise eine Kraftfahrzeugkarosserie,
die an dem Transportschlitten 24 mit den Klammern 26 fixiert
ist, von dem Transportmechanismus 18 in die Schweißstation 11 hineinbewegt.
Die Positioniermechanismen 20a, 20b an jeweils
einer Seite des Werkstücks
W, die in die Schweißstation 11 hineinragen,
werden entlang den Basen 110a, 110b in Richtung
auf das Werkstück
W verlagert, und anschließend
erfassen die Klammern 114 der Säulen 112a, 112b die
Außenflächenbereiche
des Werkstücks
W, um dadurch das Werkstück
W in der Schweißstation 11 zu
positionieren und zu fixieren.
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Die Schweißroboter 12a, 12b bewegen
dann die jeweiligen Abtastschweißköpfe 68a, 68b in
die vorgesehenen jeweiligen Positionen. Insbesondere führen die
Schweißroboter 12, 14 ihre
Abtastschweißköpfe 68a, 68b in
die Öffnungen
des Werkstücks
W ein, beispielsweise in eine Frontscheibenöffnung und eine Heckscheibenöffnung des
Werkstücks
W, wie in 1 gezeigt
ist. Die Gleitstücke 32a, 32b bewegen
sich entlang den Führungsschienen 30a, 30b in
Pfeilrichtung A oder B, und die Gleitstücke 50a bewegen sich
entlang den Gleitstücken 32a, 32b in
Pfeilrichtung C oder D (vergleiche 2). Die
Abtastschweißköpfe 68a, 68b,
die Gehäuse 54a, 54b und
die ersten zylindrischen Rohre 56a, 56b sowie
die zweiten zylindrischen Rohre 58a, 58b werden um
die Wellen 55a, 55b in Pfeilrichtung E im Winkel bewegt
(vergleiche 4). Um den
Laserstrahl L vorgegebenen Schweißzonen innerhalb des Werkstücks W zuzuleiten,
werden die Schrittmotoren 62a, 62b angesteuert,
so daß die
Kugelgewindespindeln 60a, 60b gedreht werden,
die mit den Muttern 64a, 64b kämmen, um dadurch die zweiten
zylindrischen Rohre 58a, 58b gegenüber den
ersten zylindrischen Rohren 56a, 56b in Pfeilrichtung
G zu verlagern und dadurch die Arme 59a, 59b auszufahren
(siehe 1). Gleichzeitig
wird auch der Schrittmotor 84 an jedem der Abtastschweißköpfe 68a, 68b erregt,
um die Schnecke 82, die mit dem Schneckenrad 76 kämmt, zu
drehen und so das Gehäuse 72 im
Winkel in Pfeilrichtung F zu bewegen. Im Ergebnis werden die Abtastschweißköpfe 68a, 68b in
den vorgegebenen Positionen innerhalb des Werkstücks W positioniert, woraufhin
die Laserstrahl-Schweißvorrichtung bereit
ist zum Schweißen
des Werkstücks
W.
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Die Laserstrahl-Emissionseinrichtung 16 wird
angeregt, um einen Laserstrahl L abzugeben. Der von der Laserstrahl-Emissionseinrichtung 16 emittierte
Laserstrahl L gelangt an den Strahlspalter 36 (siehe 3) innerhalb des Gehäuses 34a des Schweißroboters 12a.
Der Strahlspalter 36 reflektiert etwa 50% der Energie des
Laserstrahls L und läßt die restlichen
50% der Energie durch. Der Laserstrahl L, der aus dem Strahlspalter 36 austritt,
wird von dem totalreflektierenden Spiegel 38 in dem Gehäuse 34b des
anderen Schweißroboters 12b reflektiert.
Der von dem Strahlspalter 36 und dem totalreflektierenden
Spiegel 38 reflektierte Laserstrahl wird in das Gehäuse 42a, 42b des
Verschlußmechanismus 40a, 40b eingeleitet.
Da die Spiegel 46a, 46b der Verschlußmechanismen 40a, 40b in
die in 3 durch Doppelpunkt-Strich-Linien
angedeuteten Positionen verlagert wurden, läuft der Laserstrahl L durch
die Gehäuse 42a, 42b in
Richtung der Spiegel 57a, 57b in den jeweiligen
Gehäusen 54a, 54b.
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Dann wird der Laserstrahl L von den
Spiegeln 57a, 57b durch die ersten zylindrischen
Rohre 56a, 56b und die zweiten zylindrischen Rohre 58a, 58b in
die Abtastschweißköpfe 68a, 68b reflektiert (siehe 4). In jedem der Abtastschweißköpfe 68a, 68b wird
der Laserstrahl L von den Spiegeln 74, 86, 88 (siehe 5) reflektiert und wird
dann von dem Parabolspiegel 9 reflektiert und gebündelt, anschließend wird
der Laserstrahl L von den reflektierenden Spiegeln 92, 94 in
Richtung des elliptischen Spiegels 96 abgelenkt. Der Laserstrahl
L, der von dem elliptischen Spiegel 96 reflektiert und
gebündelt
wurde, wird von den Abtastspiegeln 98, 100 abgelenkt,
die im Winkel von den Servomotoren in den jeweiligen Pfeilrichtungen
I und J bewegt werden, während gleichzeitig
der Laserstrahl L von den reflektierenden Spiegeln 92, 94,
die von dem Schrittmotor 104 in Pfeilrichtung H bewegt
werden, auf den angestrebten Strahlfleck fokussiert wird. Der so
gesteuerte Laserstrahl gelangt zu den vorgesehenen Schweißzonen innerhalb
des Werkstücks
W, um dieses dort zu schweißen
(siehe 1 und 2).
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Zum Anhalten des Schweißvorgangs
des Werkstücks
W mit den Schweißrobotern 12a wird
der Laserstrahl L von dem Verschlußmechanismus 40a der
Schweißroboter 12a (siehe 3 und 4) daran gehindert, in den Abtastschweißkopf 68a zu
gelangen. Wenn die Stange 45a des Linearaktuators 44a in
Pfeilrichtung verlagert wird, damit der Spiegel 46a in
die in 3 durch ausgezogene
Linien dargestellte Position zu bringen, wird der Laserstrahl L
von dem Spiegel 46a reflektiert und gelangt an die Wärmeabsorptionsfläche 51a des
Laserstrahl-Wärmetauschermechanismus 48a,
der die Energie des Laserstrahls L in Wärme umwandelt. Im Ergebnis
steigt die Temperatur des Wärmeabsorptionsmechanismus 47a an.
Der so aufgeheizte Wärmeabsorptionsmechanismus 47a wird
von Kühlwasser
abgekühlt,
welches in den wassergekühlten
Mechanismus 49a eintritt.
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Während
der Laserstrahl L nicht mehr in den Abtastschweißkopf 48a eingeleitet
wird, wird das Gleitstück 32a entlang
der Führungsschiene 30a in Pfeilrichtung
A oder B verlagert (siehe 1),
das Gleitstück 50a wird
entlang dem Gleitstück 32a in Pfeilrichtung C
oder D verlagert (siehe 4),
das Gehäuse 54a wird
im Winkel gemäß Pfeil
E bewegt, und das zweite zylindrische Rohr 58a wird in
Pfeilrichtung G verlagert, um dadurch den Abtastschweißkopf 48a innerhalb
des Werkstücks
W zu bewegen. Das Gehäuse 72 des
Abtastschweißkopfs 68a wird
gegenüber
dem Gehäuse 70 im
Winkel entsprechend dem Pfeil F bewegt (siehe 5), um den Abtastschweißkopf 48a in
die Bereitstellung zum Schweißen
einer weiteren Zone innerhalb des Werkstücks W zu bringen.
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Dann wird die Stange 45a des
Linearaktuators 44a in Pfeilrichtung B verlagert, um den
Spiegel 46a in die in 3 durch
eine Doppelpunkt-Strich-Linie angedeutete Stellung zu bringen. Der
Laserstrahl L läuft
durch den Verschlußmechanismus 40a und wird
von dem Spiegel 57a in den Abtastschweißkopf 68a reflektiert
(siehe 5). Dann wird
der Laserstrahl L von den Spiegeln 74, 86, 88,
dem Parabolspiegel 90, den Spiegeln 92, 94,
dem elliptischen Spiegel 96 und den Abtastspiegeln 98, 100 zur nächsten Zone
des Werkstücks
W abgelenkt, die von dem Laserstrahl L zu schweißen ist. Auf diese Weise können sukzessive
mehrere Zonen des Werkstücks W
geschweißt
werden.
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Zum Anhalten des Schweißvorgangs
an dem Werkstück
W mit dem anderen Schweißroboter 12b wird
der Verschlußmechanismus 40b so
gesteuert, daß er
verhindert, daß der
Laserstrahl L an den Abtastschweißkopf 68b gelangt.
Der Abtastschweißkopf 68b wird
zu der nächsten
Zone des Werkstücks W
bewegt, dann wird der Verschlußmechanismus 40b betätigt, damit
der Laserstrahl L zu der nächsten Zone
des Werkstücks
W gelangt und dieses dann schweißt.
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Die Schweißroboter 12a, 12b werden
unabhängig
voneinander beim Schweißen
des Werkstücks
W gesteuert. Deshalb beträgt
die Zeit, die erforderlich ist, um das Werkstück W mit den Schweißrobotern 12a, 12b zu
schweißen,
nur etwa die Hälfte
der Zeit, die ansonsten benötigt
wird, um das Werkstück
W mit einem einzigen Schweißroboter zu
schweißen.
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Die Abtastspiegel 98, 100 können im
Winkel bewegt werden, die Spiegel 92, 94 können gleichzeitig
bewegt werden, während
der Laserstrahl L das Werkstück
W schweißt,
damit die Schweißroboter 12, 14 nicht
nur eine Punktschweißung
durchführen
können,
sondern auch Schweißnähte an dem
Werkstück W
in unterschiedlichen Mustern, beispielsweise in Form eines kreisförmigen oder
rechteckigen Musters, ziehen können.
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Bei der dargestellten Ausführungsform
gemäß obiger
Beschreibung wird der Laserstrahl L von dem Strahlspalter 36 geteilt
und in die Schweißroboter 12a, 12b eingeleitet,
und die Zufuhr des Laserstrahls L zu den Schweißrobotern 12a, 12b erfolgt
mit selektiver Steuerung, um die Schweißroboter 12a, 12b unabhängig zu
steuern und so mehrere Zonen des Werkstücks W zu schweißen. Als
Folge davon verringert sich die zur Herstellung eines Produkts, beispielsweise
eines Fahrzeugs erforderliche Zeit im Zuge der Fertigung von Teilen
auf einer Fertigungsstraße,
wobei diese Teile das Werkstück
W beinhalten, demzufolge der Wirkungsgrad des Fertigungsprozesses
der Fertigungsstraße
erhöht
wird.
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Soweit der Laserstrahl L zum Schweißen des Werkstücks W verwendet
wird, haben die Abtastschweißköpfe 68a, 68b nicht
das Problem des Klebenbleibens und Verschleißens der Schweißspitze, was
ansonsten beim Widerstands-Punktschweißen auftritt, die Schweißköpfe bedürfen keiner
Wartungsarbeiten wie zum Beispiel dem Bearbeiten der Schweißspitzen.
Da die Abtastschweißköpfe 68a, 68b den
Laserstrahl L aus Stellungen an das Werkstück heranführen können, die ausreichend weit
abgerückt
sind von den zu schweißenden
Zonen, wird verhindert, daß die
Abtastspiegel 98, 100 durch Materialspritzer während des
Schweißvorgangs
verschmutzt werden.
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Die Abtastspiegel 98, 100 besitzen
eine relativ lange Lebensdauer, sie müssen nicht häufig ersetzt
oder anderweitig behandelt werden. Der Wirkungsgrad einer Fertigungsstraße, die
die Schweißvorrichtung 10 enthält, ist
relativ hoch, weil die Fertigungsstraße nicht so häufig zu
Wartungszwecken stillgesetzt werden muß.
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Ein weiterer Vorteil der Schweißvorrichtung 10 besteht
darin, daß,
weil die Abtastschweißköpfe 68a, 68b durch Öffnungen
in das Werkstück
W eingeführt
werden und der Laserstrahl den zu schweißenden Zonen in dem Werkstück W zugeleitet
wird, zahlreiche Zonen des Werkstücks W von der Schweißvorrichtung 10 geschweißt werden
können,
ohne beschränkt
zu werden von den Klammern 114 der Positioniermechanismen 20a, 20b,
die Außenflächenbereiche
des Werkstücks
W ergreifen. Daher minimiert sich der Arbeitsaufwand im Verhältnis zu
einem zweistufigen Schweißprozeß, so daß der Zeitaufwand zum
Herstellen eines Produkts verkürzt
werden kann, die Anzahl von Bearbeitungsschritten reduziert und
die Effizienz des Fertigungsvorgangs verbessert werden kann.
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Wenn ein anderer Typ von Werkstück W zu schweißen ist,
brauchen lediglich der Transportmechanismus 18 und die
Positioniermechanismen 20a, 20b geändert zu
werden, die anderen Mechanismen, eingeschlossen die Schweißroboter 12a, 12b,
die Abtastschweißköpfe 68a, 68b etc.,
brauchen nicht ausgetauscht werden, sondern können ungeachtet des Typs des
Werkstücks
W eingesetzt werden. Demzufolge sind die Kosten der Fertigungsstraße relativ
gering, der Zeitaufwand zum Modifizieren der Fertigungsstraße ist relativ
knapp. Außerdem
können die
Positioniermechanismen 20a, 20b relativ frei gestaltet
werden, ohne daß es
nennenswerte Beschränkungen
gibt, da die Positioniermechanismen lediglich einen Weg für den Laserstrahl
L bieten müssen,
der den Schweißrobotern 12a, 12b zugeführt wird.
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Obschon eine gewisse bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung hier im einzelnen dargestellt und beschrieben wurde,
versteht sich, daß verschiedene Änderungen
und Abwandlungen möglich
sind, ohne vom Schutzumfang gemäß den beigefügten Patentansprüchen abzuweichen.