DE9214118U1 - Robotic hand for 3-D machining of workpieces - Google Patents
Robotic hand for 3-D machining of workpiecesInfo
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Description
DR.-ING. DIPL-PHYS. h!*STURIES
PATENTANWÄLTEDR.-ING. DIPL-PHYS. h!*STURIES
PATENT ATTORNEYS
DIPL-ING. P. EICHLERDIPL-ING. P. EICHLER
Thyssen Laser-Technik GmbH, Steinbachstraße 15, 5100 Aachen,
Reis GmbH & Co., Im Weidig 1-4, 8753 ObernburgThyssen Laser-Technik GmbH, Steinbachstrasse 15, 5100 Aachen,
Reis GmbH & Co., Im Weidig 1-4, 8753 Obernburg
Die Erfindung bezieht sich auf eine Roboterhand für die 3-D-Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung, insbesondere für Roboter mit mindestens fünf Achsen, mit einem Anschluß für ein die Laserstrahlung zuführendes Lichtleitkabel, mit einer roboterseitigen Handachse, an der eine werkstückseitige Handachse schwenkbeweglich angebracht ist, welche eine die Laserstrahlung auf das Werkstück fokussierende Bearbeitungsoptik hat.The invention relates to a robot hand for the 3D processing of workpieces with laser radiation, in particular for robots with at least five axes, with a connection for a fiber optic cable supplying the laser radiation, with a robot-side hand axis to which a workpiece-side hand axis is pivotably attached, which has processing optics that focus the laser radiation on the workpiece.
Bei der Werkstückbearbeitung mit Laserstrahlung werden für räumliche Werkstückgeometrien bzw. für eine 3-D-Bearbeitung zunehmend Industrieroboter eingesetzt, die mit einer flexiblen Strahlführung arbeiten. Anwendungsgebiete für solche Roboter sind u.a. das Schneiden und das Schweißen an Automobilkomponenten im Karosseriebereich.When machining workpieces with laser radiation, industrial robots that work with flexible beam guidance are increasingly being used for spatial workpiece geometries or for 3D machining. Areas of application for such robots include cutting and welding automotive components in the bodywork area.
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Bei Knickarmrobotern, die mit CO2~Lasern arbeiten, dienen Spiegelsysteme der Strahlführung innerhalb der Roboterachsen. Bei einer solchen integrierten Strahlführung ist der innerhalb der Roboterachsen erforderliche Platzbedarf ein Grund für größeren baulichen Aufwand. Es ergeben sich dadurch auch Beeinträchtigungen der Dynamik dieser Knickarmroboter.In articulated arm robots that work with CO2 lasers, mirror systems are used to guide the beam within the robot axes. With such integrated beam guidance, the space required within the robot axes is a reason for greater construction effort. This also results in impairments to the dynamics of these articulated arm robots.
Aus der DE-Z: LASER, Juni 1991, S.126,129 ist ein Knickarmroboter mit einem Nd:YAG-Laser bekannt, bei dem die Laserstrahlung nicht über eine Vielzahl von in den Achsen fest installierten Spiegeln erfolgt, sondern über ein flexibles Lichtleitkabel. Dieser bekannte Roboter hat eine Roboterhand mit den eingangs genannten Merkmalen. Der Anschluß für das die Laserstrahlung zuführende Lichtleitkabel ist an der werkstückseitigen Handachse dieser Roboterhand angebracht. Die Anbringung erfolgt im wesentlichen quer zum Knickarm des Roboters. Durch diese externe Anflanschung wird der Bewegungsraum des Roboters zum Teil erheblich eingeschränkt. Das Bauvolumen der externe Anflanschung des Lichtleitkabels verschlechtert die Zugänglichkeit der Bearbeitungszone am Werkstück. Aus Zeitgründen soll die werkstückseitige Hand mit hoher Dynamik bewegt werden, so daß entsprechend große Beschleunigungskräfte auftreten. Hiergegen ist das Lichtleitkabel vergleichsweise empfindlich, so daß aus den erheblichen Beschleunxgungskräften der werkstückseitigen Handachse Beschädigungen des Lichtleitkabels und der Bearbeitungsoptik herrühren können.From DE-Z: LASER, June 1991, p. 126, 129, an articulated arm robot with an Nd:YAG laser is known, in which the laser radiation is not transmitted via a large number of mirrors permanently installed in the axes, but via a flexible fiber optic cable. This known robot has a robot hand with the features mentioned above. The connection for the fiber optic cable that supplies the laser radiation is attached to the workpiece-side hand axis of this robot hand. It is attached essentially transversely to the articulated arm of the robot. This external flange connection partially significantly limits the robot's range of motion. The volume of the external flange connection of the fiber optic cable makes it more difficult to access the processing zone on the workpiece. For reasons of time, the workpiece-side hand should be moved with high dynamics, so that correspondingly large acceleration forces occur. In contrast, the fiber optic cable is comparatively sensitive, so that the considerable acceleration forces of the workpiece-side hand axis can cause damage to the fiber optic cable and the processing optics.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Roboterhand mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß eine verbesserte Zugänglichkeit zum Werkstück in Verbindung mit einer höheren Betriebssicherheit insbesondere in Verbindung mit der Laserstrahlungszuführung über ein Lichtleitkabel erreicht wird.The invention is based on the object of improving a robot hand with the features mentioned above in such a way that improved accessibility to the workpiece is achieved in conjunction with greater operational reliability, in particular in conjunction with the laser radiation supply via a fiber optic cable.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Anschluß für das Lichtleitkabel an der roboterseitigen Handachse angebracht ist und die Laserstrahlung koaxial mit der Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse einkoppelt, die einen die Laserstrahlung aus der Schwenkachse zur Bearbeitungsoptik umlenkenden Spiegel aufweist.This task is solved by attaching the connection for the fiber optic cable to the robot-side hand axis and coupling the laser radiation coaxially with the swivel axis of the workpiece-side hand axis, which has a mirror that deflects the laser radiation from the swivel axis to the processing optics.
Für die Erfindung ist zunächst von Bedeutung, daß das Lichtleitkabel nicht an der hochdynamischen werkstückseitigen Handachse angebracht wird, sondern an der roboterseitigen Handachse, so daß die werkstückseitige Handachse ohne Rücksichtnahme auf den Anschluß für das Lichtleitkabel ausgebildet werden kann, und zwar insbesondere hinsichtlich hoher dynamischer Fähigkeiten. Des weiteren ist von Bedeutung, daß der Anschluß die Laserstrahlung koaxial mit der Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse einkoppelt. Infolgedessen kann die Strahlzuführung und Einkopplung in die werkstückseitige Handachse unabhängig von den unterschiedlichen erforderlichen Stellungen der werkstückseitigen Handachse stets ungeändert bleiben. Es ist lediglich ein einziger umlenkender Spiegel erforderlich, um die Laserstrahlung aus ihrer Schwenkachse zur Bearbeitungsoptik umzulenken. Bei dieser Ausgestaltung des Anschlusses des Lichtleitkabels an die Roboterhand ist letzteres gegen Faserbruch seiner Glasfasern durch mechanische Überbeanspruchung gut geschützt und schränkt den Arbeitsbereich des Roboters nicht entscheidend ein. Andererseits werden auch die dynamischen Qualitäten des Roboters nicht beeinträchtigt. Das ist bei der werkstückseitigen Handachse offensichtlich, da diese völlig frei von Anschlußelementen ist. Lediglich diejenige roboterseitige Handachse, an die der Anschluß für das Lichtleitkabel führt, ist insoweit beeinträchtigt. Diese Beeinträchtigung hält sich jedoch in Grenzen, da die Zuführung der Laserstrahlung quer zur Längsachse dieser roboterseitigen Handachse erfolgt, so daß deren Querschnittsabmessungen nicht beeinträchtigt werden. Auch alle weiteren etwa vorhandenen roboterseitigen Achsen bzw. Knickarmelemente werden von dem Anschluß des Lichleitkabels praktisch nicht beeinträchtigt. Bezogen auf den gesamten Knickarm des Roboters liegt eine Teilintegration vor, die auch für die einen vergleichsweise größeren Divergenzgrad der von Festkörperlasern herrührende Strahlung praxisgerecht ausgestaltet ist. Es wäre denkbar, die Laserstrahlung in eine Handachse einzukoppeln, die der werkstückseitigen Handachse nicht direkt benachbart ist. Es verlieren sich dann jedoch zumindest zum Teil die oben beschriebenen Vorteile.For the invention, it is important that the fiber optic cable is not attached to the highly dynamic workpiece-side hand axis, but to the robot-side hand axis, so that the workpiece-side hand axis can be designed without taking the connection for the fiber optic cable into account, particularly with regard to high dynamic capabilities. It is also important that the connection couples the laser radiation coaxially with the swivel axis of the workpiece-side hand axis. As a result, the beam feed and coupling into the workpiece-side hand axis can always remain unchanged, regardless of the different required positions of the workpiece-side hand axis. Only a single deflecting mirror is required to deflect the laser radiation from its swivel axis to the processing optics. With this design of the connection of the fiber optic cable to the robot hand, the latter is well protected against fiber breakage of its glass fibers due to mechanical overload and does not significantly restrict the working range of the robot. On the other hand, the dynamic qualities of the robot are not affected. This is obvious in the case of the workpiece-side hand axis, as this is completely free of connection elements. Only the robot-side hand axis to which the connection for the fiber optic cable leads is affected in this respect. However, this impairment is limited, as the laser radiation is fed across the longitudinal axis of this robot-side hand axis, so that its cross-sectional dimensions are not affected. Any other robot-side axes or articulated arm elements that may be present are also practically unaffected by the connection of the fiber optic cable. In relation to the entire articulated arm of the robot, there is partial integration, which is also designed in a practical way for the comparatively greater degree of divergence of the radiation from solid-state lasers. It would be conceivable to couple the laser radiation into a hand axis that is not directly adjacent to the workpiece-side hand axis. However, this would at least partially lose the advantages described above.
Vorteilhafterweise ist die Roboterhand so ausgestaltet, daß die Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse vertikal zur Bewegungsachse der roboterseitigen Handachse angeordnet ist, und daß der Anschluß für das Lichtleitkabel einen im von 90° abweichenden Winkel zur Schwenkachse stehenden Umlenkspiegel hat. Durch diese Ausgestaltung der Roboterhand wird durch die Wahl des Winkels gewährleistet, daß das Lichtleitkabel nicht vertikal zur Längsachse der roboterseitigen Handachse angeordnet sein muß, sondern in einem für die Dynamik und in Bezug auf den Raumbedarf im Bearbeitungsbereich optimalen Winkel angeordnet sein kann. Sofern gewünscht wird, daß das Lichtleitkabel zumindest kurz vor seinem Anschluß an die Roboterhand möglichst parallel zur Längsachse der roboterseitigen Handachse geführt ist, wird die Roboterhand so ausgebildet, daß der Anschluß mit einem senkrecht zur Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse angeordneten Befestigungsflansch und mit einem dazu im rechten Winkel stehenden Kabelflansch versehen ist, und daß der Umlenkspiegel unter einem Winkel von etwa 4 5° beiden Flanschöffnungen zugeneigt ist.The robot hand is advantageously designed in such a way that the swivel axis of the workpiece-side hand axis is arranged vertically to the movement axis of the robot-side hand axis and that the connection for the fiber optic cable has a deflection mirror that is at an angle other than 90° to the swivel axis. This design of the robot hand ensures, through the choice of angle, that the fiber optic cable does not have to be arranged vertically to the longitudinal axis of the robot-side hand axis, but can be arranged at an angle that is optimal for the dynamics and in relation to the space required in the processing area. If it is desired that the fiber optic cable is guided as parallel as possible to the longitudinal axis of the robot-side hand axis, at least shortly before it is connected to the robot hand, the robot hand is designed in such a way that the connection is provided with a fastening flange arranged perpendicular to the swivel axis of the workpiece-side hand axis and with a cable flange at a right angle to it, and that the deflection mirror is inclined at an angle of approximately 4-5° towards both flange openings.
Um die Masse der werkstückseitigen Handachse möglichst gering halten zu können, was entsprechend geringe Trägheitsmomente zur Folge hat und entsprechend schnelle Bewegungen zuläßt, wird die Roboterhand so ausgestaltet, daß die roboterseitige Handachse werkstückseitig U-förmig ausgebildet ist, daß die werkstückseitige Handachse zwischen den U-Schenkeln schwenkbar gelagert ist, und daß der Anschluß für das Lichtleitkabel mit seinem Befestigungsflansch außen an einem der U-Schenkel befestigt ist. Bei dieser Ausgestaltung weist die werkstückseitige Handachse lediglich die zu ihrer Lagerung an der roboterseitigen Handachse erforderliche Bauteile auf, sowie die für die Werkstückbearbeitung erforderliche Bearbeitungsoptik. In order to keep the mass of the workpiece-side hand axis as low as possible, which results in correspondingly low moments of inertia and allows correspondingly fast movements, the robot hand is designed in such a way that the robot-side hand axis is U-shaped on the workpiece side, that the workpiece-side hand axis is pivotably mounted between the U-legs, and that the connection for the fiber optic cable is attached to the outside of one of the U-legs with its fastening flange. In this design, the workpiece-side hand axis only has the components required for its mounting on the robot-side hand axis, as well as the processing optics required for workpiece processing.
Um die werkstückseitige Handachse weiterhin bezüglich ihrer dynamischen Eigenschaften zu optimieren, wird sie so ausgebildet, daß die Bearbeitungsoptik in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet ist, dessen Längsachse quer zur Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse steht, und daß werkstückseitig eine zylindrische Abdeckkappe mit seitlichem GasanschlußIn order to further optimize the dynamic properties of the workpiece-side hand axis, it is designed in such a way that the processing optics are arranged in a cylindrical housing, the longitudinal axis of which is perpendicular to the swivel axis of the workpiece-side hand axis, and that a cylindrical cover cap with a lateral gas connection is provided on the workpiece side.
und/oder mit einer Linsenschutzscheibe und/oder mit einer quer zur Laserstrahlung justierbaren Düse versehen ist. Alle Bauteile der Bearbeitungsoptik und der dieser nachgeschalteten Teile sind in gleicher Weise symmetrisch ausgerichtet, und zwar koaxial untereinander und koaxial mit der dem Werkstück zuzuführenden Laserstrahlung. Es resultiert eine von der Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse aus gesehen geringe Baulänge mit einem im Sinne hoher Dynamik geringen Massenaufwand.and/or is provided with a lens protection screen and/or with a nozzle that can be adjusted transversely to the laser radiation. All components of the processing optics and the parts connected downstream of them are aligned symmetrically in the same way, namely coaxially with each other and coaxially with the laser radiation to be fed to the workpiece. This results in a short overall length as seen from the swivel axis of the workpiece-side hand axis with a low mass expenditure in terms of high dynamics.
Um die Einkopplung der Laserstrahlung durch den Anschluß für das Lichtleitkabel koaxial zur Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse präzise ausrichten zu können, ist der Umlenkspiegel am Anschluß justierbar befestigt.In order to be able to precisely align the coupling of the laser radiation through the connection for the fiber optic cable coaxially to the swivel axis of the workpiece-side hand axis, the deflection mirror is attached to the connection in an adjustable manner.
Es ist vorteilhaft, die Roboterhand so auszubilden, daß der die Laserstrahlung aus der Schwenkachse der werkstückseitigen Handachse umlenkende Spiegel ein mit der Schwenkachse koaxialer zylindrischer Körper mit dem Mittelquerschnitt eines rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecks ist, dessen Spiegelfläche mit einer Spiegelhalterung unter 45° geneigt zur Schwenkachse und zur Linsenmittelebene der Bearbeitungsoptik angeordnet ist. Durch diese Ausbildung wird der umlenkende Spiegel dem Einbauort optimal angepaßt. Er kann insbesondere auf einfache Weise derart lagegenau befestigt werden, daß der gewünschte Verlauf der Laserstrahlung präzise erreicht wird.It is advantageous to design the robot hand in such a way that the mirror that deflects the laser radiation from the swivel axis of the workpiece-side hand axis is a cylindrical body that is coaxial with the swivel axis and has the central cross-section of a right-angled isosceles triangle, the mirror surface of which is arranged with a mirror holder at an angle of 45° to the swivel axis and to the lens center plane of the processing optics. This design allows the deflecting mirror to be optimally adapted to the installation location. In particular, it can be easily attached in such a precise position that the desired path of the laser radiation is precisely achieved.
Die Roboterhand kann so ausgestaltet werden, daß der umlenkende Spiegel und/oder der Umlenkspiegel teiltransparent ist bzw. sind und die jeweilige Spiegelfläche eine Reflexionsbeschichtung für die Wellenlänge der Laserstrahlung aufweist bzw. aufweisen. Infolgedessen wird die für die Bearbeitung zu verwendende Laserstrahlung 100%tig reflektiert, während andere Strahlung dem Transparentgrad des Spiegelwerkstoffs entsprechend reflektiert bzw. durchgelassen wird.The robot hand can be designed so that the deflecting mirror and/or the deflecting mirror is partially transparent and the respective mirror surface has a reflective coating for the wavelength of the laser radiation. As a result, the laser radiation to be used for processing is 100% reflected, while other radiation is reflected or passed through depending on the degree of transparency of the mirror material.
Durchgelassene Strahlung kann für Meß- und Steuerzwecke ausgenutzt werden. Wenn beispielsweise die Programmierung der Bearbeitungsbahn des Roboters erleichtert werden soll, indem das sogenannte Teach-In-Verfahren angewendet wird, kann die Rosa ausgebildet werden, daß am Anschluß des Lichtleit-·Transmitted radiation can be used for measurement and control purposes. For example, if the programming of the robot's processing path is to be made easier by using the so-called teach-in method, the pink can be designed so that the connection of the light guide
kabeis eine durch den Umlenkspiegel Strahlungsbeobachtende CCD-Kamera oder deren bildaufnehmender Teil angebracht ist, an die bzw. an den eine Bahnsteuerung für den Roboter angeschlossen ist. Die CCD-Kamera bzw. ihr bildaufnehmender Teil wird vorzugsweise außen am Anschluß direkt hinter dem Umlenkspiegel angebracht. Die CCD-Kamera bzw. deren bildaufnehmender Teil werden vergleichsweise massearm ausgebildet, so daß die dynamischen Eigenschaften der Roboterhand nur geringfügig beeinträchtigt werden. Von der Bearbeitungsstelle herrührende Strahlung wird von der CCD-Kamera oder deren bildaufnehmendem Teil beobachtet, und zwar direkt hinter dem Umlenkspiegel oder mit einer weiteren bildübertragenden Optik, die im rechten Winkel zur von der Bearbeitungszone einfallenden Strahlung angebaut ist.a CCD camera or its image-recording part is attached to the deflection mirror to observe radiation, and a path control for the robot is connected to it. The CCD camera or its image-recording part is preferably attached to the outside of the connection directly behind the deflection mirror. The CCD camera or its image-recording part is designed to be relatively low-mass, so that the dynamic properties of the robot hand are only slightly affected. Radiation originating from the processing point is observed by the CCD camera or its image-recording part, directly behind the deflection mirror or with another image-transmitting optic that is attached at a right angle to the radiation incident from the processing zone.
Die Roboterhand kann zur Faserbruchüberwachung des Lichtleitkabels herangezogen werden, wenn am Anschluß des Lichtleitkabels eine durch den Umlenkspiegel pilotstrahlbeobachtende Sensoreinheit angebracht ist, die mit einer laserabschaltenden Steuereinheit in Wirkverbindung steht. Die Sensoreinheit ist beispielsweise die vorgenannte CCD-Kamera oder deren bildaufnehmender Teil, oder es wird ersatzweise eine Fotodiode als Sensoreinheit verwendet. Registriert wird ein Pilotstrahl· eines HeNe-Lasers oder eines Diodenlasers, deren im roten Bereich liegende Laserstrahlung erheblich geschwächt wird oder ganz verlöscht, falls das Lichtleitkabel bzw. deren Glasfasern teilweise oder vollständig brechen. In einem solchen Fall veranlaßt die Sensoreinheit ein Abschalten des Lasers über die mit ihr in Wirkverbindung stehende Steuereinheit.The robot hand can be used to monitor the fiber optic cable for fiber breakage if a sensor unit that monitors the pilot beam through the deflection mirror and is operatively connected to a control unit that switches off the laser is attached to the connection of the fiber optic cable. The sensor unit is, for example, the aforementioned CCD camera or its image-capturing part, or a photodiode is used as a substitute as a sensor unit. A pilot beam of a HeNe laser or a diode laser is registered, the laser radiation of which in the red range is significantly weakened or completely extinguished if the fiber optic cable or its glass fibers break partially or completely. In such a case, the sensor unit causes the laser to be switched off via the control unit that is operatively connected to it.
Die Roboterhand kann vorteilhafterweise auch so ausgestaltet werden, daß in der werkstückseitigen Handachse, von der Bearbeitungsoptik aus hinter dem umlenkenden Spiegel ein Sensor zur Erfassung prozeßrelevanter Signale der Bearbeitungszone angeordnet ist, der an eine Prozeßsteuerung oder -regelung für die Laserleistung angeschlossen ist. Die teilweise Integration der Laserstrahlungsführung in die Roboterhand kann also dazu benutzt werden, den Bearbeitungsprozeß in einfacher Weise zu beobachten, ohne daß die Beobachtungsmittel im Bearbeitungsbereich stören, weil sie außerhalb der werkstückseitigen Handachse möglichst nahe an der Bearbeitungszone angeordnet werdenThe robot hand can also advantageously be designed in such a way that a sensor for detecting process-relevant signals from the processing zone is arranged in the workpiece-side hand axis, from the processing optics behind the deflecting mirror, which is connected to a process control or regulation for the laser power. The partial integration of the laser radiation guide into the robot hand can therefore be used to observe the processing process in a simple way without the observation means causing interference in the processing area, because they are arranged outside the workpiece-side hand axis as close as possible to the processing zone.
müßten. Die Beobachtungsmittel beeinträchtigen auch nicht die Dynamik der werkstückseitigen Handachse.The observation devices also do not affect the dynamics of the workpiece-side hand axis.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutet. Es zeigt:The invention is explained using an embodiment shown in the drawing. It shows:
Fig.l eine perspektivische Darstellung eines Knickarmroboters mit schematischer Abbildung seiner wichtigsten Teile,nämlich der Handachsen, undFig.l a perspective view of an articulated arm robot with a schematic illustration of its most important parts, namely the hand axes, and
Fig.2 einen Schnitt durch eine Roboterhand gemäß der Erfindung .Fig.2 a section through a robot hand according to the invention.
Der in Fig.l dargestellte'Roboter 11 ist so ausgestaltet, daß er in allen Richtungen der karthesischen Koordinaten x,y und &zgr; die erforderlichen Bewegungen im Rahmen der Reichweiten seiner Achsen 1 bis 5 durchführen kann. Die Achsen 1 bis 5 sind sämtlich Drehachsen, deren Drehantrieb durch die schematisch dargestellten Stellmotoren 14 bewirkt wird, welche von einer nicht dargestellten Bahnsteuerung so beaufschlagt werden, daß sie die gewünschten Achsenbewegungen veranlassen. Die hierfür erforderlichen Kraftübertragungselemente sind ebenfalls nicht dargestellt. Der Roboter 11 soll für die 3-D-Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung eingesetzt werden, wozu er eine spezielle Roboterhand 10 hat, die im wesentlichen aus einer roboterseitigen Handachse 4 und einer werkstückseitigen Handachse 5 besteht. Die roboterseitige Handachse 4 hat eine Bewegungsachse 18 und die werkstückseitige Handachse 5 hat eine Schwenkachse 16, die senkrecht zur Bewegungsachse 18 angeordnet ist. Das werkstückseitige Ende der Handachse 4 ist U-förmig ausgebildet und zwischen den U-Schenkeln 4' lagert schwenkbar die Handachse 5. Die Darstellung der Handachse 5 ist schematisch und stimmt in Einzelheiten nicht mit den Darstellungen der Fig.2 überein, die aufgrund eines vergrößerten Maßstabes eine genauere Darstellung erlauben.The robot 11 shown in Fig. 1 is designed in such a way that it can carry out the required movements in all directions of the Cartesian coordinates x, y and z within the range of its axes 1 to 5. The axes 1 to 5 are all rotary axes, the rotary drive of which is effected by the schematically shown servomotors 14, which are actuated by a path control (not shown) in such a way that they cause the desired axis movements. The force transmission elements required for this are also not shown. The robot 11 is to be used for the 3D processing of workpieces with laser radiation, for which it has a special robot hand 10, which essentially consists of a robot-side hand axis 4 and a workpiece-side hand axis 5. The robot-side hand axis 4 has a movement axis 18 and the workpiece-side hand axis 5 has a pivot axis 16 that is arranged perpendicular to the movement axis 18. The workpiece-side end of the hand axis 4 is U-shaped and the hand axis 5 is pivotably mounted between the U-legs 4'. The representation of the hand axis 5 is schematic and does not correspond in detail to the representations in Fig. 2, which allow a more precise representation due to an enlarged scale.
Fig.2 zeigt, daß die roboterseitige Handachse 4 eine hohle Struktur hat, an deren werkstückseitigem Ende U-Schenkel 4 ' vorhanden sind, die der Lagerung des Achsenkörpers 2 9 der Handachse 5 dienen. Der Achsenkörper 2 9 ist um seine Schwenkachse 16 schwenkbar, wozu ein nicht näher beschriebener Schwenkan-Fig.2 shows that the robot-side hand axis 4 has a hollow structure, at the workpiece-side end of which there are U-legs 4', which serve to support the axis body 29 of the hand axis 5. The axis body 29 can be pivoted about its pivot axis 16, for which purpose a pivoting mechanism (not described in detail)
trieb 30 vorhanden ist, der innerhalb der Abdeckkappe 31 einen Riemenantrieb aufweist, welcher mit einem im Hohlraum 32 des Endes der Handachse 4 untergebrachten Kegelradgetriebe angetrieben wird, das seinerseits in geeigneter Weise durch die Bohrung 33 hindurch von einem Stellmotor beaufschlagt wird.drive 30 is present, which has a belt drive within the cover cap 31, which is driven by a bevel gear housed in the cavity 32 of the end of the hand axis 4, which in turn is actuated in a suitable manner by a servomotor through the bore 33.
Die drehbare Lagerung des Achsenkörpers 2 9 erfolgt reibungsarm mit Wälzlagern 34, die in der Darstellungsebene der Fig.2 beidseitig des Achsenkörpers 29 vorhanden sind. Der Achsenkörper 29 weist hierzu je Wälzlager einen ringförmigen Lagerflansch 35 auf, der mit dem nicht dargestellten Innenring des Wälzlagers 34 verbunden ist. Der ebenfalls nicht dargestellte Außenring des Wälzlagers 34 ist in einer Halterung 36 des U-Schenkels 4 ' befestigt, die eine dem Wälzlager 34 koaxiale Ringabdichtung 37 aufweist, welche an Ringflächen des Achsenkörpers 2 9 dichtend anliegen, der im übrigen Spiel zur Halterung 3 6 hat.The rotating bearing of the axle body 29 is carried out with low friction using roller bearings 34, which are present on both sides of the axle body 29 in the plane of the illustration in Fig. 2. The axle body 29 has an annular bearing flange 35 for each roller bearing, which is connected to the inner ring of the roller bearing 34 (not shown). The outer ring of the roller bearing 34 (also not shown) is fastened in a holder 36 of the U-leg 4', which has a ring seal 37 coaxial with the roller bearing 34, which seals against the ring surfaces of the axle body 29, which otherwise has play with the holder 36.
Mit dem schwenkantreibbaren Achsenkörper 29 der werkstückseitigen Handachse 5 ist laserstrahlungsausgangsseitig ein Ausgangsflansch 8 verbunden, der eine Bearbeitungsoptik 15 trägt. Die Bearbeitungsoptik 15 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse 23, in dem eine Fokussierlinse 38 untergebracht ist, deren Linsenmittelebene 24 exakt senkrecht zur Gehäuselängsachse 23' ausgerichtet ist. Die Austrittsöffnung 23'' des Gehäuses 23 ist von einer Abedeckkappe 25 verschlossen, in der sich eine Linsenschutzscheibe 2 7 befindet, welche die Bearbeitungslinse 38 vor Schneid- oder Schweißdämpfen schützt, die aus der Bearbeitungszone herrühren. Werkstückseitig der planparallelen Linsenschutzscheibe 27 hat die Abdeckkappe 25 einen Gasanschluß 2 6, in den Schutz- und/oder Arbeitsgas mit regelbarem Gasdruck oder Gasdurchfluß zugeführt werden kann bzw. können. Dieses Gas strömt aus der Abdeckkappe 25 in eine Düse 28 und von dieser durch eine Düsenöffnung 28' in die Bearbeitungszone. Die Düse 28 ist in einen Stellring 39 eingeschraubt, an dem Stellschrauben 40 angreifen, die ihrerseits verstellbar in der Abdeckkappe 25 lagern, so daß die Düse 28 quer zur Längsachse 23' des zylindrischen Gehäuses 23 bzw. quer zur Laserstrahlung 9 verschoben werden kann, die von der Fokussierlinse 38 derart fokussiert wird, daß sie ohne BeaufschlagungAn output flange 8 is connected to the pivotable axis body 29 of the workpiece-side hand axis 5 on the laser radiation output side, which carries a processing optics 15. The processing optics 15 essentially consist of a cylindrical housing 23 in which a focusing lens 38 is housed, the lens center plane 24 of which is aligned exactly perpendicular to the housing longitudinal axis 23'. The outlet opening 23'' of the housing 23 is closed by a cover cap 25 in which a lens protection disk 27 is located, which protects the processing lens 38 from cutting or welding fumes that originate from the processing zone. On the workpiece side of the plane-parallel lens protection disk 27, the cover cap 25 has a gas connection 26 into which protective and/or working gas can be fed with adjustable gas pressure or gas flow. This gas flows from the cover cap 25 into a nozzle 28 and from there through a nozzle opening 28' into the processing zone. The nozzle 28 is screwed into an adjusting ring 39, which is engaged by adjusting screws 40, which in turn are adjustably mounted in the cover cap 25, so that the nozzle 28 can be moved transversely to the longitudinal axis 23' of the cylindrical housing 23 or transversely to the laser radiation 9, which is focused by the focusing lens 38 in such a way that it can be moved without being subjected to pressure.
der Düse 28 aus der Düsenöffnung 28 austritt und einen Brennpunkt 41 aufweist, der im Bereich des Werkstücks liegt, wenn der Roboter 11 seiner Steuerung bzw. Bahnsteuerung entsprechend dem nicht dargestellten Werkstück genähert wurde.the nozzle 28 exits from the nozzle opening 28 and has a focal point 41 which lies in the area of the workpiece when the robot 11 has been approached according to its control or path control in accordance with the workpiece (not shown).
Die der Werkstückbearbeitung dienende Laserstrahlung 9 wird der Roboterhand 10 gemäß Fig.2 durch ein Lichtleitkabel 13 zugeleitet, welches mit einem Anschluß 12 mechanisch verbunden ist, beispielsweise mit einer Steckverbindung 42 des dargestellten Steckers 50 für das Lichtleitkabel 13. Anstelle der Steckverbindung kann auch eine Schraubverbindung verwendet werden. Faserseitig ist eine Steckverbindung zum einfachen Faserwechsel vorgesehen. Das Lichtleitkabel 13 ist gegen mechanische Überbeanspruchung geschützt, z.B. durch eine Spiraldrahtummantelung in bekannter Bauweise. In den Stecker 50 ist eine optische Linsenanordnung integriert, mit der die Laserstrahlung in bekannter Weise zu einem parallelen Laserstrahl kollimiert wird. Die Linsenanordnung kann auch eine von der faserseitigen Steckverbindung separate Baugruppe sein. Die Kollimierung ist an die verwendete Laserstrahlung angepaßt, beispielsweise an die Strahlung eines Nd:YAG-Lasers, dessen Strahlung aufgrund der numerischen Apertur der Glasfaser mit einem bestimmten Divergenzwinkel austritt.The laser radiation 9 used for processing the workpiece is fed to the robot hand 10 according to Fig. 2 by a fiber optic cable 13, which is mechanically connected to a connection 12, for example to a plug connection 42 of the connector 50 shown for the fiber optic cable 13. Instead of the plug connection, a screw connection can also be used. A plug connection is provided on the fiber side for easy fiber replacement. The fiber optic cable 13 is protected against mechanical overload, e.g. by a spiral wire sheath in a known design. An optical lens arrangement is integrated into the connector 50, with which the laser radiation is collimated in a known manner to form a parallel laser beam. The lens arrangement can also be a separate assembly from the fiber-side plug connection. The collimation is adapted to the laser radiation used, for example to the radiation of an Nd:YAG laser, whose radiation emerges with a certain divergence angle due to the numerical aperture of the fiber optic.
Der Anschluß 12 wird an einer Halterung 36 des U-Schenkels 4' mit Befestigungsschrauben 43 festgelegt, die in einem Flansch 19 des Anschlusses 12 angeordnet sind. Rechtwinklig zu diesem Flansch 19 ist der Anschluß 12 mit einem Kabelflansch 21 versehen und in Bezug auf die Flanschöffnungen 19',21' ist ein Umlenkspiegel 20 in einem Winkel &agr; von etwa gleich 45° so angeordnet, daß die vom Lichtleitkabel 13 herrührende Laserstrahlung 9 durch die Flanschöffnung 21' zugeleitet und vom Umlenkspiegel 20 durch die Flanschöffnung 19' exakt in der Richtung der Schwenkachse 16 der Handachse 5 eingekoppelt werden kann. Der Umlenkspiegel 20 ist dabei in einer Spiegelhalterung 4 4 angebracht, welche justierbar ist. Zur Justierung sind Feingewindeschrauben 45 vorgesehen, welche die Halterung 44 über die ersichtlichen Zylinderfedern gegen den Anschluß 12 drücken. Mit diesen Feingewindeschrauben 45 können bauteile- und anordnungsbedingte Toleranzen so ausgeglichen werden, daß der Umlenkspie-The connection 12 is fixed to a holder 36 of the U-leg 4' with fastening screws 43, which are arranged in a flange 19 of the connection 12. At right angles to this flange 19, the connection 12 is provided with a cable flange 21 and in relation to the flange openings 19', 21' a deflection mirror 20 is arranged at an angle α of approximately 45° so that the laser radiation 9 originating from the light guide cable 13 can be fed through the flange opening 21' and coupled by the deflection mirror 20 through the flange opening 19' exactly in the direction of the pivot axis 16 of the hand axis 5. The deflection mirror 20 is mounted in a mirror holder 4 4, which is adjustable. Fine-thread screws 45 are provided for adjustment, which press the holder 44 against the connection 12 via the visible cylinder springs. With these fine thread screws 45, tolerances caused by components and arrangements can be compensated so that the deflection mirror
gel 20 für die Laserstrahlung 9 so genau wie erforderlich justiert werden kann.gel 20 for the laser radiation 9 can be adjusted as precisely as required.
Die in die Handachse 5 eingekoppelte Laserstrahlung 9 trifft auf einen umlenkenden Spiegel 17, der sie der Bearbeitungsoptik 15 zuleitet. Die Zuleitung muß hochexakt erfolgen, so daß es auf die genaue Positionierung des Umlenkspiegels 17 ankommt. Dieser ist hierfür als zylindrischer Körper ausgebildet, der in der Darstellungsebene einen dreieckigen Querschnitt hat. Das Querschnittsdreieck hat einen rechten Winkel und gleich lange Schenkel, welche die Katheten des rechtwinkligen Dreiecks bilden. Eine der Kathetenflächen 17' bzw. die teilzylindrische Außenumfangsflache des Spiegelkörpers ist in einer hülsenartigen Halterung 46 z.B. durch Kleben befestigt. Die Halterung 4 6 wird mit Befestigungsschrauben 47 durch Befestigungsbohrungen 51 eines Hülsenflansches 52 am Achsenkörper 29 bzw. an dessen Lagerflansch 35 befestigt und kann genau orthogonal zur Längsachse 23' des Gehäuses 23 der Bearbeitungsoptik 15 angeordnet werden, so daß die Reflexionsfläche 17' ' im gewünschten Winkel von 45° geneigt zur Schwenkachse 16 und zur Linsenmittelebene 24 der Bearbeitungsoptik 15 angeordnet ist.The laser radiation 9 coupled into the hand axis 5 hits a deflecting mirror 17, which guides it to the processing optics 15. The feed must be carried out with great precision, so that the precise positioning of the deflecting mirror 17 is important. For this purpose, this is designed as a cylindrical body that has a triangular cross-section in the display plane. The cross-sectional triangle has a right angle and equally long legs, which form the legs of the right-angled triangle. One of the legs 17' or the partially cylindrical outer peripheral surface of the mirror body is attached in a sleeve-like holder 46, e.g. by gluing. The holder 4 6 is fastened with fastening screws 47 through fastening holes 51 of a sleeve flange 52 on the axle body 29 or on its bearing flange 35 and can be arranged exactly orthogonally to the longitudinal axis 23' of the housing 23 of the processing optics 15, so that the reflection surface 17'' is arranged at the desired angle of 45° inclined to the pivot axis 16 and to the lens center plane 24 of the processing optics 15.
Die Reflexionsfläche 17 ' ' des umlenkenden Spiegels 17 ist ebenso mit einer nicht dargestellten Reflexionsbeschichtung versehen, wie die nicht bezeichnete Reflexionsfläche des Umlenkspiegels 20. Die Beschichtung ist beispielsweise für die Wellenlänge 1064 nm geeignet, d.h. für die Wellenlänge des vorzugsweise als Festkörperlasers verwendeten Nd:YAG-Lasers. Die Spiegel 17,20 bestehen aus einem transparenten oder teiltransparenten Material, wie Quarzglas oder BK-7-Glas, so daß Strahlungen anderer Wellenlänge zumindest zum Teil nicht reflektiert werden, sondern die Spiegel durchdringen. Es ist infolgedessen möglich, integrierte Prozeßbeobachtungs- und Diagnostikeinrichtungen in die Roboterhand einzubauen, wie es oben näher beschrieben wurde. Im Falle des Einsatzes einer CCD-Kamera wird deren Gehäuse beispielsweise in einer Durchgriffsöffnung 48 für eine der Befestigungsschrauben 43 festgelegt, z.B. durch Einstecken und/oder Verschrauben am Anschluß 12.The reflection surface 17 ' ' of the deflecting mirror 17 is also provided with a reflection coating (not shown), as is the reflection surface of the deflecting mirror 20 (not labeled). The coating is suitable for the wavelength 1064 nm, for example, i.e. for the wavelength of the Nd:YAG laser, which is preferably used as a solid-state laser. The mirrors 17, 20 are made of a transparent or partially transparent material, such as quartz glass or BK-7 glass, so that radiation of other wavelengths is at least partially not reflected, but rather penetrates the mirrors. It is therefore possible to install integrated process monitoring and diagnostic devices in the robot hand, as described in more detail above. If a CCD camera is used, its housing is fixed, for example, in a through-opening 48 for one of the fastening screws 43, e.g. by inserting and/or screwing it into the connection 12.
Die Halterung 46 ist mit einer Durchtrittsbohrung 46' versehen, durch welche von der Bearbeitungszone herrührende Strahlung in eine Bohrung 4 9 eindringen kann, in der der oben erwähnte Sensor zur Erfassung prozeßrelevanter Signale angeordnet werden kann, beispielsweise zur Erfassung von Plasmaleuchten oder Temperatur in der Bearbeitungszone. Ein solcher Sensor beeinflußt die Dynamik der Handachse 5 praktisch nicht und kann mit dünnen leitenden Verbindungen an eine Prozeßsteuerung oder -regelung für die Laserleistung angeschlossen werden.The holder 46 is provided with a through hole 46' through which radiation originating from the processing zone can penetrate into a hole 49 in which the above-mentioned sensor can be arranged to detect process-relevant signals, for example to detect plasma lights or temperature in the processing zone. Such a sensor has practically no influence on the dynamics of the hand axis 5 and can be connected to a process control or regulation for the laser power using thin conductive connections.
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