ES2277266T3 - Procedimiento y dispositivo para mecanizar con laser piezas de trabajo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para mecanizar piezas de trabajo (6) con un rayo láser movido (4), en el que se sujeta la herramienta de láser (3) en una mano (8) de un manipulador mecánico multieje (2) a cierta distancia sobre la pieza de trabajo (6) y se mueve dicha herramienta en un movimiento de decalaje a lo largo de una trayectoria prefijada, caracterizado porque durante el proceso de mecanización se superpone al movimiento de decalaje un movimiento de compensación del rayo láser (4) dirigido al menos parcialmente en sentido contrario.
Description
Procedimiento y dispositivo para mecanizar con
láser piezas de trabajo.
La invención concierne a un procedimiento y un
dispositivo para mecanizar con láser piezas de trabajo con las
características del preámbulo de la reivindicación principal.
Se conoce por la práctica el recurso de realizar
con una herramienta de láser diferentes clases de mecanización de
piezas de trabajo, como, por ejemplo, soldadura, corte, grabado,
calentamiento o similares. Las herramientas de láser se mueven con
relación a la pieza de trabajo por medio de manipuladores mecánicos
multieje, como, por ejemplo, mesas en cruz, robots de brazo
articulado multieje o similares. En la soldadura con láser es usual
guiar la herramienta de láser por medio de un elemento de apriete en
contacto con la pieza de trabajo y a una distancia constante de
ésta. En este caso, se pueden utilizar ópticas de enfoque con
distancias focales fijas y relativamente cortas. Asimismo, es
conocida en la práctica la soldadura remota con láser, en la que
una herramienta de láser con distancia focal fija y más grande es
guiada por un manipulador multieje a una distancia mayor con
relación a la pieza de trabajo. Además, en la soldadura remota es
conocido el recurso de equipar la herramienta de láser con un
mecanismo explorador que desvía el rayo láser y lo mueve con
relación a la pieza de trabajo.
En las mecanizaciones con láser antes citadas
está limitada la velocidad de proceso del rayo láser en la pieza de
trabajo, por ejemplo la velocidad de soldadura. En láseres de YAG o
de CO_{2} esta velocidad es de aproximadamente 4 a 6 m/min. Con
láseres de fibra o láseres de disco se pueden alcanzar mayores
velocidades hasta momentáneamente alrededor de 10 m/min. La
velocidad de decalaje con la que el manipulador mueve la herramienta
de láser a lo largo de un trayecto prefijado durante la
mecanización, por ejemplo durante la soldadura con láser,
corresponde a la velocidad de mecanización antes mencionada. Cuando
tienen lugar procesos de mecanización a manera de rayas, por
ejemplo en la soldadura con costura de pespunteado, el manipulador
puede ser movido más rápidamente en las fases de transporte entre
los procesos de soldadura. En la mayoría de los procesos de
mecanización, por ejemplo en la soldadura con láser, se aspira a
aplicar el mayor número posible de costuras de soldadura en el
tiempo más breve posible. Sin embargo, se imponen límites a esto
debido a la velocidad de soldadura relativamente baja, sobre todo
porque el manipulador ha de realizar con sus ejes procesos de
aceleración y de frenado en las fases de transporte y, por tanto,
está limitado también en cuanto al nivel de velocidad. Además,
tales procesos de aceleración y de frenado conducen a mayores cargas
mecánicas del manipulador.
El cometido de la presente invención consiste en
indicar una técnica de mecanización con láser que sea mejor y
proporcione un mayor rendimiento.
La invención resuelve este problema con las
características de las reivindicaciones principales de
procedimiento y de dispositivo. La superposición del movimiento de
decalaje conductor y un movimiento de compensación opuesto del rayo
láser tiene la ventaja de que se puede elevar el nivel de velocidad
total del manipulador, sin que se sobrepase la velocidad de
mecanización admisible en la pieza de trabajo. Debido al aumento de
capacidad se pueden realizar más procesos de mecanización en un
tiempo más breve que hasta ahora. Esto tiene ventajas
particularmente en la soldadura con láser y especialmente en
costuras de pespunteado.
Con la técnica de mecanización con láser
reivindicada es posible especialmente ensamblar partes de
carrocerías con costuras de pespunteado de una manera muy rápida y
con una resistencia o estabilidad de forma alta y ajustable y, por
así decirlo, "coser" una carrocería análogamente a como se hace
con una prenda de vestir. Esto puede efectuarse tanto en la
soldadura geométrica como en la soldadura de acabado, en donde ambos
procesos de soldadura pueden efectuarse en la misma estación y
transformarse uno en otro. Ya no es necesaria la separación usual
en soldadura por puntos entre soldadura geométrica o soldadura de
apuntado en una estación de encuadre y resoldadura por puntos
subsiguiente en estaciones consecutivas, si bien esta separación
puede tener lugar en caso de que se
desee.
desee.
Otra ventaja es la posibilidad de homogeneizar
los movimientos de decalaje. Cuando la velocidad de decalaje es
suficientemente alta, el movimiento de decalaje puede ser
sustancialmente continuo, lo que aligera la carga del manipulador.
No obstante, en las fases de transporte siguen siendo posibles
incrementos de la velocidad para aumentar aún más la capacidad.
El movimiento de compensación se realiza en una
variante por medio de un movimiento de basculación de la mano del
manipulador alrededor de uno los ejes de dicha mano. Este movimiento
se puede realizar con rapidez y controlar en forma muy exacta,
siendo controlable de preferencia este eje de la mano en forma
autónoma y con independencia del movimiento de decalaje de los
demás ejes del manipulador. El movimiento de un eje de la mano y
especialmente de un eje situado lo más lejos posible del lado
accionado tiene la ventaja adicional de que se pueden mantener
pequeñas las masas implicadas, lo que permite un movimiento de
compensación con poca inercia.
La herramienta de láser puede estar montada por
medio de un aguilón u otra técnica adecuada a cierta distancia o en
una posición angular con respecto a la mano del manipulador y al eje
de la mano solicitado para el movimiento de compensación.
Aumentando la distancia son suficientes unos pequeños ángulos de
giro del eje de la mano para lograr grandes movimientos y
recorridos de compensación. Variando la distancia se puede variar la
relación de multiplicación o relación de palanca. Según la
naturaleza del aguilón, la herramienta de láser puede tener una
distancia focal corta y preferiblemente fija. Esto tiene ventajas
para la tolerancia de enfoque y para la amplia selección de
sistemas de láser utilizables. Como alternativa, es posible utilizar
ópticas de láser con una distancia focal larga.
En la otra variante se utiliza un dispositivo
explorador para desviar el rayo láser. Éste trae consigo ciertamente
una mayor complejidad de construcción y unos mayores costes que en
la variante anteriormente descrita, pero, por lo demás, ofrece las
mismas ventajas tecnológicas.
En un movimiento de basculación y compensación
se actúa de modo que, al comienzo del proceso de mecanización,
especialmente al principio de la costura de soldadura a aplicar, se
dirige el rayo láser oblicuamente hacia la pieza de trabajo con
adelantamiento respecto de la herramienta de láser y del movimiento
de decalaje. Este ángulo de incidencia de radiación de, por
ejemplo, 15º, que se desvía de la dirección normalmente vertical
del rayo, tiene ventajas al introducir el rayo láser en la pieza de
trabajo. En el transcurso del movimiento de compensación varía la
dirección del rayo en todo el ángulo de incidencia vertical hasta un
ángulo del rayo dirigido oblicuamente hacia atrás, lo que trae
nuevamente ventajas en el final de la costura.
En las reivindicaciones subordinadas están
indicadas otras ejecuciones ventajosas de la invención.
La invención está representada en los dibujos a
título de ejemplo y en forma esquemática. Muestran en
particular:
La figura 1, un dispositivo de mecanización de
láser con un robot multieje, un aguilón y una herramienta de láser
aplicada a una pieza de trabajo, en alzado lateral,
La figura 2, un desarrollo de un movimiento de
compensación de la herramienta de láser en siete pasos
A-G,
La figura 3, una representación del recorrido de
la costura de soldadura y del recorrido sustitutivo,
La figura 4, un diagrama de velocidades para la
velocidad de decalaje, la velocidad de compensación y la velocidad
de soldadura,
La figura 5, una representación vectorial de las
velocidad superpuestas,
La figura 6, diferentes formas de costuras,
La figura 7, un esquema de soldadura en una
pared lateral de una carrocería,
La figura 8, una variante del dispositivo de
mecanización de láser con un aguilón orientado y dispuesto de otra
manera, en alzado lateral,
La figura 9, una representación de detalle
ampliada del aguilón con la herramienta de láser y
La figura 10, otra variante del dispositivo de
mecanización de láser con un mecanismo explorador para desviar el
rayo láser.
Las figuras 1, 8 y 10 muestran un dispositivo 1
de mecanización con láser en diferentes variantes, que está
constituido por al menos un manipulador mecánico multieje 2 y una
herramienta de láser 3 que emite al menos un rayo láser 4 hacia una
pieza de trabajo 6.
El manipulador 2 está construido preferiblemente
como al menos un robot de brazo articulado de seis ejes. Éste está
constituido en la forma de realización mostrada por un zócalo 12
sobre el cual está montada una consola 11 que puede girar alrededor
de un primer eje de giro vertical I y en la que a su vez está
montado un balancín 10 que puede bascular alrededor de un eje de
basculación horizontal II. En el extremo superior del balancín está
montado un brazo de robot 9 que puede bascular alrededor de otro eje
de basculación horizontal III y en cuyo extremo delantero está
dispuesta una mano de robot trieje 8 con tres ejes IV, V y VI que se
cruzan uno con otro. En el extremo delantero la mano 8 del robot
tiene una brida accionada giratoria 14 en la que está montada la
herramienta de láser 3.
La herramienta de láser 3 está representada tan
sólo esquemáticamente en los dibujos. Puede ser de cualquier clase
de construcción adecuada, por ejemplo un láser de YAG, un láser de
CO_{2}, un láser de fibra, un láser de disco o similar. La fuente
15 del rayo láser puede estar dispuesta en posición externa,
acoplándose entonces el rayo láser en la herramienta de láser 3 de
una manera adecuada por medio de una línea de conducción 16 con
espejos, cable de fibra óptica o similares. Las figuras 8 y 10
muestran una disposición de esta clase. En una variante de la forma
de realización mostrada el rayo láser saliente 4 puede ser de varias
partes y consistir en varios rayos individuales obtenidos
eventualmente por división de un rayo.
La herramienta de láser 3 está construida, por
ejemplo, como una cabeza de soldadura con láser. Tiene una óptica
de láser con una distancia focal fija que, por ejemplo en la forma
de realización de las figuras 1 a 4, puede ser de aproximadamente
150 a 400 mm. En la variante de las figuras 8 y 9 se utiliza, por
ejemplo, una distancia focal más larga de aproximadamente 300 a 600
mm.
La distancia focal puede variar según sea la
naturaleza de la unidad de láser. Un láser de YAG tiene típicamente
una distancia focal de, por ejemplo, 240 mm. La óptica de enfoque
está construida con ángulo fijo en las variantes de las figuras 1 a
4, así como de las figuras 8 y 9, de modo que el rayo láser emitido
4 no es desviado. En la tercera forma de realización de la figura
10 se utiliza un dispositivo explorador 17 con espejos basculables,
con el cual se puede desviar el rayo láser 4.
Para compensar eventuales imprecisiones de
enfoque o de posicionamiento, la herramienta de láser 3 puede tener
un sistema de compensación de altura con el cual se reajuste la
óptica de enfoque en la dirección del rayo para mantener la mancha
focal y el foco sobre la superficie de la pieza de trabajo 6. Puede
estar previsto para ello un mecanismo de medida de distancia
correspondiente.
La pieza de trabajo 6 puede ser de cualquier
clase. Preferiblemente, se trata de una o más partes de una
carrocería de vehículos, especialmente partes de una carrocería
bruta. La figura 5 muestra para ello un ejemplo con una pared
lateral de la carrocería. La pieza de trabajo 6 puede estar
constituida por varios componentes que se posicionan en forma
correcta para su ensamble y se sujetan por medio de un mecanismo de
sujeción (no representado). Preferiblemente, la pieza de trabajo 6
es mantenida en posición estacionaria, pero, como alternativa, puede
ser movida también con relación a un robot 2 o manipulador
preferiblemente vertical.
En las variantes de las figuras 1 a 4, así como
de las figuras 8 y 9, la herramienta de láser 3 está dispuesta a
distancia de la mano 8 del robot y es distanciada en este caso, por
ejemplo, por medio de un aguilón correspondiente 5. Como
alternativa, la herramienta de láser 3 puede poseer una carcasa
correspondientemente prolongada y eventualmente acodada. En la
forma de realización de las figuras 1 a 4 el aguilón 5 es más largo
que en la forma de construcción de las figuras 8 y 9, estando
correspondientemente invertidas las condiciones de distancia
focal.
Asimismo, es posible prescindir de un aguilón 5
y disponer directamente en la brida accionada 14 una herramienta de
láser 3 con una distancia focal correspondientemente más larga de,
por ejemplo, 600 a 1500 mm.
En la forma de realización de las figuras 1 a 4
con una pieza de trabajo vertical 6 la herramienta de láser 3 y el
aguilón 5 están montados de plano en la brida accionada 14 de la
mano 8 del robot, de modo que coinciden el eje accionado VI de la
mano 8 del robot y el eje de salida del rayo láser 4. Como
alternativa, según las figuras 8 y 9, la mano 8 del robot puede
estar girada en aproximadamente 90º hacia abajo o hacia arriba
alrededor del eje transversal V de dicha mano, estando dispuesto el
aguilón 5 transversalmente en la brida accionada 14 y
transversalmente al eje accionado VI.
Entre el extremo inferior o delantero de la
herramienta de láser 3 y la pieza de trabajo 6 existe una distancia
de trabajo libre a. La distancia focal b de la óptica
de enfoque dispuesta en la herramienta de láser 3 y no representada
con detalle es sustancialmente igual o un poco mayor. Con x
se designa la coordenada del punto central de la herramienta
(coordenada TCP) en la dirección de la herramienta o del rayo láser.
Ésta se refiere a un sistema de coordenadas de brida dispuesto
preferiblemente en el centro de la brida accionada 14 y que sirve
como referencia para los movimientos de decalaje y de compensación
seguidamente explicados, así como para las orientaciones del rayo
láser 4 o de la herramienta de láser 3. La coordenada TCP x
es preferiblemente la distancia entre el foco y el punto de base
del sistema de coordenadas de la brida.
En todas las variantes el robot 2 mantiene la
herramienta de láser 3 a una distancia preferiblemente constante
a de la pieza de trabajo 6 y la guía a lo largo de la
superficie de esta pieza de trabajo siguiendo una trayectoria
previamente programada y preferiblemente almacenada en el
controlador 13 del robot. Entre la herramienta de láser 3 y la
pieza de trabajo 6 no existe aquí preferiblemente ningún punto de
contacto. Este movimiento de guía global se denomina movimiento de
decalaje, en el cual el robot con su mano 8 y especialmente con la
brida accionada 14 realiza por medio del movimiento de sus ejes un
recorrido de decalaje f y se mueve con una velocidad de
decalaje Vr a lo largo de la trayectoria (no representada) en la
pieza de trabajo 6. En el marco de este movimiento de decalaje se
movería y guiaría normalmente la herramienta de láser 3 de tal
manera que el rayo láser saliente 4 esté dirigido
perpendicularmente a la superficie de la pieza de trabajo.
Con la herramienta de láser 3 se pueden realizar
los más diferentes procesos de mecanización que se deseen. En el
ejemplo de realización preferido se lleva a cabo un proceso de
soldadura. Los procesos de mecanización están preferiblemente
interrumpidos o son intermitentes, aplicándose, por ejemplo,
costuras de pespunteado que consisten en un gran número de cortas
costuras o tramos de costura 7 que se aplican uno tras otro a
cualquier distancia en la dirección de la trayectoria. La figura 4
ilustra en la parte superior una costura de pespunteado de esta
clase. En la soldadura con costura de pespunteado el robot 8 realiza
entre las distintas costuras 7 unos movimientos de transporte en
los que está desconectado el rayo láser 4. Esto puede efectuarse de
cualquier manera adecuada desconectando la fuente del rayo láser,
pero también alternativamente conmutando temporalmente el rayo
láser por medio de una aguja de desvío a otras herramientas de
láser. Las longitudes y formas de las costuras y los recorridos de
transporte pueden variar.
En la soldadura de la costura de pespunteado se
superpone en las fases de soldadura al movimiento de decalaje del
robot 2 un movimiento de compensación del rayo láser 4 dirigido al
menos parcialmente en sentido contrario. La velocidad de decalaje
Vr es aquí mayor que la velocidad de compensación Vw dirigida en
sentido contrario. Se reduce así, por ejemplo, la velocidad de
mecanización o de soldadura Vs del rayo láser 4 que actúa en la
pieza de trabajo 6 y esta velocidad es sustancialmente más pequeña
que la velocidad de decalaje Vr. Entre las fases de soldadura puede
tener lugar un movimiento de recuperación para devolver el rayo
láser a la posición de partida antes del comienzo de la siguiente
fase de soldadura o al principio de ésta.
Como alternativa, la velocidad de compensación
Vw dirigida en sentido contrario puede ser, al menos
esporádicamente, mayor que la velocidad de decalaje Vr, lo que
incluso genera una velocidad de mecanización o de soldadura Vs
dirigida hacia atrás. Se pueden generar así, por ejemplo en la
soldadura, capas imbricadas a modo de escamas debido a un
movimiento pendular del rayo láser 4 dirigido alternativamente hacia
delante y hacia atrás. Además, el rayo láser 4 puede experimentar
una desviación lateral durante el movimiento de compensación.
La figura 6 muestra diferentes formas de costura
que pueden producirse con la técnica reivindicada. En la variante
de realización más sencilla y preferida la costura de pespunteado
está constituida por tramos de costura 7 individuales y
sustancialmente rectos o dotados de una curvatura simple. Esto está
representado en la parte superior de la figura 6. La parte inferior
de la figura 6 muestra otras variantes. Éstas pueden ser, por un
lado, formas de costura en zig-zag desviadas
transversalmente a la dirección de la trayectoria. Aparte de estas
formas de costura finitas, son posibles también formas de costura
sinfín, por ejemplo círculos, óvalos o formas en espiral según la
figura 6. En las explicaciones siguientes se entrará en detalles
sobre el ejemplo de realización preferido de costuras de
pespunteado constituidas por trazos de costura rectos. Para las
demás formas de costura mostradas en la figura 6 se aplican
variantes correspondientes.
El movimiento de compensación del rayo láser 4
es preferiblemente un movimiento angular que se efectúa al menos
parcialmente, es decir, con una componente de movimiento, en la
dirección de la trayectoria seguida y en contra del movimiento de
decalaje. Eventualmente, es posible también el movimiento de
desviación lateral mencionado. En las formas de realización de las
figuras 1 a 4 y de las figuras 8 y 9 el movimiento de compensación
del rayo láser 4 es realizado por un movimiento de basculación de la
mano 8 del robot alrededor de al menos uno de los ejes IV, V, VI de
esta mano.
En el ejemplo de realización mostrado de la
figura 1 con la costura de pespunteado recta en una pieza de trabajo
vertical 6, el robot 2 también vertical realiza con sus ejes I a IV
un movimiento de decalaje Vr orientado en dirección sustancialmente
paralela a la pieza de trabajo 6. El movimiento de trabajo se
efectúa por medio de un giro de la brida accionada 14, el aguilón 5
y la herramienta de láser 3 alrededor del eje transversal V de la
mano. Las flechas Vr y Vw ilustran los movimientos de decalaje y de
compensación. Se puede efectuar un movimiento de desviación
eventualmente lateral, por ejemplo en el caso de una mano de robot 8
basculada en 90º hacia arriba o hacia abajo, por medio de un giro
eventualmente superpuesto del eje VI de la brida.
En la variante de las figuras 8 y 9 se realizan
movimientos de decalaje y de compensación correspondientes en una
pieza de trabajo horizontal 6 por medio del movimiento de traslación
del robot 2 con los ejes I a IV y el giro alrededor del eje V de la
mano.
El eje de la mano responsable del movimiento de
compensación, aquí el eje V, puede ser controlado independientemente
del movimiento de decalaje. Esto no excluye que el eje
correspondiente de la mano esté implicado en el movimiento de
decalaje para guiar la herramienta de láser 3 a lo largo de la
superficie de la pieza de trabajo y de la trayectoria deseada. Sin
embargo, se puede superponer el movimiento de basculación y
compensación a esta participación del eje en el movimiento de
decalaje. Es útil a este fin que el controlador 13 del robot no
sólo admita variaciones angulares referidas a la trayectoria, sino
que, por el contrario, pueda ser programado tanto con referencia a
la trayectoria como con referencia al ángulo.
Debido a la distancia x de la coordenada
TCP, unos pequeños movimientos angulares alrededor del eje V de la
mano conducen a recorridos correspondientemente grandes del rayo
láser 4 en la pieza de trabajo 6. Por consiguiente, el movimiento
de compensación superpuesto y dirigido en sentido contrario conduce
a una reducción de la velocidad de mecanización y de soldadura Vs
en la pieza de trabajo 6.
La figura 2 ilustra un desarrollo de movimiento
de esta clase durante la soldadura de un corto tramo de costura en
siete pasos A a G.
El paso A muestra la posición de partida al
final de una fase de transporte con rayo láser 4 desconectado. El
eje del rayo láser o la orientación de la herramienta de láser 3 y
del aguilón 5 está dirigido perpendicularmente a la superficie de
la pieza de trabajo.
El movimiento de compensación comienza a partir
de esta posición, siendo girada la herramienta de láser 3 antes del
comienzo de la soldadura en la dirección del movimiento de decalaje
ilustrado por una flecha Vr y siendo orientada oblicuamente con
respecto a la superficie de la pieza de trabajo. El rayo láser 4
seguidamente conectado tiene al comienzo de la costura de soldadura
según el paso B un ángulo de rayo oblicuo \alpha dirigido hacia
delante, con el cual incide sobre la superficie de la pieza de
trabajo 6. Al comienzo de la soldadura el punto de incidencia del
rayo láser 4 marcha por delante de la herramienta de soldadura 3 o
del punto de base del sistema de coordenadas de la brida. Este
ángulo \alpha es máximo al comienzo de la soldadura y, según la
clase de láser y otras condiciones de soldadura explicadas
seguidamente con más detalle, puede ser de, por ejemplo, alrededor
de 15º con respecto a la perpendicular - representada con línea de
trazos - a la superficie de la pieza de trabajo. Según el caso de
utilización, son posibles también ángulos mayores de, por ejemplo,
60º. En el ulterior movimiento de decalaje se reduce ahora el ángulo
\alpha del rayo por efecto del movimiento de compensación
dirigido continuamente en sentido contrario según la flecha Vw
alrededor del eje V de la mano. La figura C muestra esto con un
ángulo de rayo \alpha' de aproximadamente 7,5º reducido a la
mitad y dirigido oblicuamente hacia delante.
En la figura D el ángulo del rayo láser es
vertical con respecto a la superficie de la pieza de trabajo.
En el ulterior movimiento de decalaje se
generan, debido a la prosecución del movimiento de compensación Vw,
un ángulo de rayo \beta, \beta' dirigido oblicuamente hacia
atrás, que se hace cada vez más grande. En la figura E el ángulo de
rayo trasero \beta' es de aproximadamente 7,5º.
La figura F ilustra el final de la costura 7 y
un ángulo de rayo trasero máximo \beta de aproximadamente 15º. Al
final de la soldadura el punto de incidencia del rayo láser 4 marcha
detrás de la herramienta de láser 3 o del punto de base del sistema
de coordenadas de la brida. Se desconecta el rayo láser 4 al final
de la costura, siendo girada a continuación la herramienta de láser
3 en la fase de transporte en un movimiento de recuperación en
dirección al movimiento de decalaje y siendo orientada dicha
herramienta en dirección perpendicular a la superficie de la pieza
de trabajo. La figura G ilustra esta posición, que es al mismo
tiempo la posición de partida A para el siguiente tramo de costura
y la siguiente fase de soldadura.
El movimiento de compensación se desarrolla de
preferencia simétricamente con respecto al tramo de costura 7, de
modo que los ángulos de rayo \alpha, \alpha', \beta, \beta'
dirigidos hacia delante y hacia atrás son aproximadamente iguales
en su valor absoluto. El movimiento de recuperación puede ser
también uniforme. La velocidad de decalaje Vr es preferiblemente
constante durante la soldadura. La velocidad de compensación Vw es
también preferiblemente constante. Debido a la superposición se
obtiene una velocidad de soldadura constante Vs. No obstante, en
caso necesario, se pueden variar las relaciones de magnitud y las
condiciones relativas de los movimientos de compensación y de
decalaje o de sus velocidades Vw y Vr, variándose también la
velocidad de soldadura Vs.
Debido al movimiento giratorio de compensación,
el punto focal describe un arco. Para la compensación, el robot 2
puede realizar con sus ejes I a V un movimiento de decalaje de forma
de arco correspondientemente dirigido en sentido contrario, con lo
que el punto focal permanece siempre en una posición constante con
respecto a la superficie de la pieza de trabajo. Este punto puede
estar situado entonces, por ejemplo, sobre la superficie de la
pieza de trabajo o muy poco por debajo de ella. Como alternativa,
mediante la regulación en altura antes mencionada del mecanismo de
enfoque puede tener lugar una compensación del movimiento en arco y
de su desplazamiento de foco normalmente acompañante de éste.
Como ilustra la figura 3, el camino de decalaje
recorrido f del punto de referencia de las coordenadas de la
brida durante la soldadura es sensiblemente más grande que el camino
de soldadura o la longitud s de la costura.
La figura 4 ilustra las condiciones
cuantitativas de velocidad en un diagrama, estando representados
esquemáticamente en la parte superior unos tramos de costura 7 de
la costura de pespunteado y los ángulos de rayo dirigidos hacia
delante y hacia atrás que entonces se presentan.
La figura 5 muestra la superposición de los
vectores de velocidad Vr, Vw y Vs teniendo en cuenta su magnitud y
dirección para el ejemplo de una costura de pespunteado recta según
las figuras 1 a 4.
El robot 2 puede trasladarse durante las fases
de soldadura y de transporte con una velocidad de decalaje
constante Vr, tal como se ha representado en la figura 4 con una
línea continua. Mediante el movimiento de compensación se genera en
la superficie de la pieza de trabajo una velocidad de compensación
Vw del foco exactamente dirigida en sentido contrario, la cual, por
ejemplo, es también constante y la mitad de grande que la velocidad
de decalaje Vr. Mediante la superposición de las dos velocidades Vr
y Vw dirigidas en sentido contrario según la figura 5 se obtiene
una velocidad de soldadura Vs de 5 m/min que corresponde, por
ejemplo, a la máxima velocidad posible del proceso. Con
herramientas de láser 3 cualitativamente mejoradas o en otros
procesos de mecanización se pueden lograr también otras velocidades
de soldadura o de mecanización mas altas.
En la variante de las condiciones representadas
en la figura 4 la velocidad de decalaje Vr y la velocidad de
compensación Vw pueden ser no constantes y variables durante la fase
de soldadura. Esto es necesario, por ejemplo, para poder obtener
las formas de costura diferentes mostradas en la figura 6.
En un proceso de soldadura convencional la
velocidad de decalaje Vr corresponde a la velocidad de soldadura
Vs. Gracias al movimiento de compensación y al aumento de la
distancia x, la velocidad de decalaje Vr puede ser
incrementada sensiblemente con respecto al estado de la técnica y
aumentada, por ejemplo, hasta un valor triple. En este caso, en una
variante de la forma de realización anteriormente descrita, es
posible también acelerar aún más la velocidad de decalaje Vr en las
fases de transporte, lo que se ilustra en la figura 4 por medio de
líneas de trazos.
Debido al nivel de la velocidad de decalaje Vr
incrementado en su conjunto, el robot de soldadura puede puentear
las distancias entre los tramos de la costura de soldadura con
muchísima mayor rapidez que hasta ahora y puede aplicar así en el
mismo tiempo más costuras de soldadura o más tramos de costura que
hasta ahora. La figura 7 ilustra, por ejemplo, un desarrollo de
esta clase al soldar una pared lateral de una carrocería de vehículo
en un único movimiento de circulación. En este caso, todos los
tramos de costura son aplicados por un robot de soldadura
individual 2 según la figura 1 en una trayectoria de circulación con
varios bucles de movimiento que eventualmente se cruzan uno con
otro.
La carrocería de vehículo es, por así decirlo,
"cosida" con una o varias costuras de pespunteado 7. La costura
de pespunteado 7 aplicada con velocidad de soldadura óptima y con
rendimiento máximo proporciona una alta resistencia de las uniones
de componentes ajustada a los esfuerzos aplicados y puede sustituir
a las operaciones separadas hasta ahora de apuntado con soldadura y
de soldadura de acabado subsiguiente y combinarlas en un proceso de
soldadura en una estación. Debido al pespunteado y a la falta de
interrupción de la costura se limita también la aportación de calor
en la carrocería de vehículo.
Para el "cosido" es favorable utilizar una
herramienta de láser 3 con una elevada potencia de corte pasante o
de trazado duradero CW y una elevada calidad del rayo, por ejemplo
un láser de fibra. En este caso, se puede elegir y ajustar también
la forma de la costura de una manera adecuada para conseguir la
resistencia deseada ajustada a los esfuerzos aplicados. La
herramienta de láser 3 tiene preferiblemente una frecuencia de
impulsos variable, pero preferiblemente ajustable en forma fija y
mantenida constante en el proceso. Se pueden controlar y variar los
tiempos de conexión y desconexión durante la soldadura. La
herramienta de láser 3 puede ser conmutada y modulada en su
potencia. Posee preferiblemente para ello un generador de frecuencia
con el cual se pueden controlar la frecuencia de impulsos y la
potencia del láser y éstas se pueden adaptar a los materiales de
los componentes y a las longitudes y formas de las costuras.
Asimismo, se puede conectar y desconectar también el rayo láser
para la costura de pespunteado 7 con las fases de transporte y de
soldadura en la frecuencia necesaria.
Las longitudes posibles de la costura de
soldadura dependen, entre otras cosas, de la distancia TCP x.
Cuanto mayor sea esta distancia x tanto mayor será la
longitud máxima s de la costura.
Además, la longitud s de la costura de
soldadura puede depender de la relación entre la velocidad de
decalaje Vr y la velocidad de soldadura máxima Vs. Cuanto más
pequeñas sean las diferencias entre Vr y Vs tanto mayor podrá ser
la longitud s de la costura de soldadura. Recíprocamente,
cortas longitudes s de la costura permiten un sensible
aumento de la velocidad de decalaje Vr y, por tanto, de la capacidad
total del proceso.
Las longitudes s de la costura dependen,
por otro lado, de los máximos ángulos de rayo oblicuos posibles
\alpha, \beta. Estos ángulos de rayo pueden variar según el
material de los componentes y la naturaleza o capacidad de la
herramienta de láser 3. Cuanto mayores sean estos ángulos de rayo
\alpha, \beta tanto mayor podrá ser la longitud s de la
costura.
En la práctica, las velocidades de decalaje
útiles Vr del robot a una velocidad de soldadura Vs de, por ejemplo,
6 m/min pueden ascender, para una distancia de foco correspondiente
x, a aproximadamente 50 m/min y más. Las longitudes de
costura s utilizables en la práctica están situadas, por
ejemplo, en el intervalo comprendido entre 5 y 50 mm.
Las figuras 8 y 9 muestran la variante
mencionada al principio con la posición angular del aguilón 5 y de
la herramienta de láser 3. El aguilón 5 está fijado con una placa de
base a la brida accionada 14 y se proyecta oblicuamente hacia
atrás, de modo que la herramienta de láser 3 montada en el extremo
delantero del aguilón está decalada hacia atrás y hacia abajo con
respecto a la brida accionada 14. La herramienta de láser 3 está
orientada en este caso de modo que el rayo láser emitido 4 se corta
en su prolongación con el eje transversal V de la mano en un punto
de intersección 18. Este punto de intersección 18 es a la vez
preferiblemente el centro de intersección de los tres ejes IV, V y
VI de la mano.
En esta forma de realización la coordenada TCP
x es la distancia entre el punto de intersección 18 y el
punto focal sobre la superficie 6 de la pieza de trabajo. El robot
2 realiza el movimiento de decalaje por medio de un movimiento de
sus ejes I - IV. El movimiento de compensación se efectúa por medio
de un giro de la mano 8 del robot, del aguilón 5 y de la
herramienta de láser 3 alrededor del eje V de la mano. Se originan
también en este caso los ángulos de rayo \alpha y \beta
descritos en el ejemplo de realización correspondiente a la figura
2 y dirigidos hacia delante y hacia
atrás.
atrás.
En la variante de las figuras 8 y 9 el aguilón 5
es más corto que en el primer ejemplo de realización de las figuras
1 a 4. Según la distancia de trabajo a deseada, la distancia
focal b de la óptica de láser puede ser igual o mayor que en
el primer ejemplo de realización.
La figura 10 ilustra la tercera variante
comentada también anteriormente, en la cual se efectúan la
desviación del rayo láser 4 y el movimiento de compensación por
medio de un dispositivo explorador móvil 17. En este caso, se puede
prescindir de un aguilón 5. El dispositivo explorador 17 está
construido, por ejemplo, como una óptica exploradora con dos o más
espejos móviles en rotación y controlables en sus movimientos desde
el controlador 13 del robot. Mediante los giros de los espejos se
puede desviar el rayo láser 4 en uno o dos ejes. El dispositivo
explorador 17 está alojado preferiblemente en la carcasa de la
herramienta de láser 3, pero alternativamente puede estar dispuesto
también en el exterior. La óptica de enfoque tiene también aquí
preferiblemente una distancia focal fija.
Son posibles variantes de las formas de
realización mostradas de diferentes maneras. Se puede variar la
posición y configuración de la pieza de trabajo 6, variando el
robot 2 su orientación de manera correspondiente. De este modo, se
pueden mecanizar también recorridos de trayectoria y de costura
espaciales como en la carrocería 6 de la figura 7. El robot 2 varía
su orientación en este caso preferiblemente de tal manera que
solamente uno y preferiblemente el mismo eje de la mano sea siempre
responsable del movimiento de compensación.
En otra variante es posible realizar
alternativamente el movimiento de compensación por medio de varios
ejes de la mano o por medio de una unidad de giro y/o lineal
postiza. La unidad de giro y/o lineal mueve entonces la herramienta
de láser 3 para el movimiento de compensación con independencia de
la mano 8 del robot. En ciertas circunstancias, se puede en este
caso prescindir de un aguilón 5.
Asimismo, existen posibilidades de variación de
la óptica de láser, la cual puede tener, por ejemplo, una distancia
focal variable. Por lo demás, la óptica de láser puede ser de
cualquier clase de construcción.
Es variable también la configuración del
manipulador 2. En el caso más sencillo, se puede tratar aquí de una
disposición de carro con varios ejes de traslación, por ejemplo un
carro x-y. Son posibles también formas mixtas de
ejes de rotación y de traslación y otros números de ejes y grados de
libertad.
Además, es variable la naturaleza de los
procesos de láser. Aparte de la soldadura, esto afecta, por ejemplo,
al corte, a la mecanización de superficies, por ejemplo al grabado,
o al calentamiento deliberado de superficies.
- 1
- Dispositivo de mecanización con láser
- 2
- Manipulador, robot
- 3
- Herramienta de láser
- 4
- Rayo láser
- 5
- Aguilón
- 6
- Pieza de trabajo
- 7
- Costura
- 8
- Mano del manipulador, mano del robot
- 9
- Brazo del manipulador, brazo del robot
- 10
- Balancín
- 11
- Consola
- 12
- Zócalo
- 13
- Controlador del robot
- 14
- Brida accionada
- 15
- Fuente de láser
- 16
- Línea de conducción
- 17
- Dispositivo explorador, óptica exploradora
- 18
- Punto de intersección, centro de intersección
- a
- Distancia de trabajo libre
- b
- Distancia focal de la óptica de enfoque
- x
- Coordenada TCP en la dirección de la herramienta
- Vr
- Velocidad de decalaje del robot
- Vs
- Velocidad de mecanización, velocidad de soldadura
- Vw
- Velocidad de compensación
- f
- Recorrido de decalaje del robot
- s
- Recorrido de mecanización, recorrido de soldadura, longitud de costura
- \alpha
- Ángulo de rayo hacia delante
- \alpha'
- Ángulo del rayo hacia delante
- \beta
- Ángulo del rayo hacia atrás
- \beta'
- Ángulo del rayo hacia atrás.
Claims (22)
1. Procedimiento para mecanizar piezas de
trabajo (6) con un rayo láser movido (4), en el que se sujeta la
herramienta de láser (3) en una mano (8) de un manipulador mecánico
multieje (2) a cierta distancia sobre la pieza de trabajo (6) y se
mueve dicha herramienta en un movimiento de decalaje a lo largo de
una trayectoria prefijada, caracterizado porque durante el
proceso de mecanización se superpone al movimiento de decalaje un
movimiento de compensación del rayo láser (4) dirigido al menos
parcialmente en sentido contrario.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se mecaniza intermitentemente la pieza
de trabajo (6), alternándose las fases de mecanización y de
transporte, marchando el punto de incidencia del rayo láser (4) por
delante de la herramienta de láser (3) o del punto de base de un
sistema de coordenadas de brida al principio de una fase de
mecanización y siguiendo dicho punto de incidencia detrás de dicha
herramienta de láser o de dicho punto de base al final de la fase
de mecanización.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque durante el proceso de mecanización se
superpone, además, al movimiento de decalaje un movimiento de
compensación del rayo láser (4) dirigido al menos parcialmente en
sentido transversal.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 ó
3, caracterizado porque la velocidad de decalaje Vr es mayor
que la velocidad de compensación opuesta Vw.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
velocidad de decalaje Vr es mayor que la velocidad de mecanización
Vs del rayo láser (4) en la pieza de trabajo (6).
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
movimiento de compensación del rayo láser (4) es un movimiento
angular.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
movimiento de compensación del rayo láser (4) es realizado por
medio de un movimiento de basculación de la mano (8) del manipulador
alrededor de uno de los ejes de la misma.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
herramienta de láser (3) se mantiene por medio de un aguilón (5) a
cierta distancia de la mano (8) del manipulador.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el movimiento de
compensación del rayo láser (4) se realiza por medio de un
dispositivo explorador móvil (17) montado en la herramienta de
láser (3).
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, al
comienzo de la mecanización, el rayo láser (4) es dirigido hacia la
pieza de trabajo (6) con un ángulo \alpha, \alpha' del mismo
dirigido oblicuamente hacia delante.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, al final
de la mecanización, el rayo láser (4) es dirigido hacia la pieza de
trabajo (6) con un ángulo \beta, \beta' del mismo dirigido
oblicuamente hacia atrás.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
manipulador (2) realiza durante la mecanización un movimiento de
decalaje sustancialmente constante.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
manipulador (2) realiza en las fases de transporte entre las
mecanizaciones un movimiento de decalaje sustancialmente constante o
un movimiento de decalaje acelerado.
14. Dispositivo para mecanizar piezas de trabajo
(6) con un rayo láser movido (4), en el que la herramienta de láser
(3) está sujeta en una mano (8) de un manipulador mecánico multieje
(2) y puede ser movida con un movimiento de decalaje a lo largo de
una trayectoria prefijada, caracterizado porque el
manipulador (2) presenta un dispositivo para generar un movimiento
de compensación del rayo láser (4) que se desarrolla durante el
proceso de mecanización y que está superpuesto al movimiento de
decalaje y dirigido en sentido contrario a éste.
15. Dispositivo según la reivindicación 14,
caracterizado porque el manipulador (2) presenta una mano
multieje (8) en la que se puede controlar al menos un eje de la
mano con independencia del movimiento de decalaje.
16. Dispositivo según la reivindicación 14 ó 15,
caracterizado porque la herramienta de láser (3) está montada
en la mano (8) del manipulador por medio de un aguilón (5) que
forma una distancia.
17. Dispositivo según la reivindicación 14, 15 ó
16, caracterizado porque la herramienta de láser (3) presenta
una óptica de enfoque para generar un rayo láser (4) de ángulo
fijo.
18. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 14 a 17 anteriores, caracterizado porque la
herramienta de láser (3) presenta una distancia focal fija.
19. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 14 a 18 anteriores, caracterizado porque la
herramienta de láser (3) presenta una distancia focal de
aproximadamente 150 a 400 mm.
20. Dispositivo según la reivindicación 14,
caracterizado porque la herramienta de láser (3) presenta un
dispositivo explorador controlable móvil (17).
21. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 14 a 20 anteriores, caracterizado porque el
manipulador (2) está construido como un robot de brazo articulado
con al menos seis ejes.
22. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 14 a 21 anteriores, caracterizado porque la
herramienta de láser (3) está construida como una herramienta de
soldadura.
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