ES2277266T5

ES2277266T5 - Procedimiento y dispositivo para mecanizar con láser piezas de trabajo.

Info

Publication number: ES2277266T5
Application number: ES04741173T
Authority: ES
Inventors: Peter Rippl
Original assignee: KUKA Systems GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2011-10-11
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: ES2277266T3; US7906744B2; US20060175301A1; ATE345188T1; DE10333456A1; WO2005009667A1; EP1648650B1; EP1648650B2; DE502004002034D1; EP1648650A1

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

La invención concierne a un procedimiento y un dispositivo para mecanizar con láser piezas de trabajo con las características del preámbulo de las reivindicaciones independientes 1 y 13.

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 CO2 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.

Un procedimiento junto con un dispositivo según el preámbulo de las reivindicaciones independientes 1 y 13 es conocido por la bibliografía: Proceedings of International Congress of Applications of Lasers and Electro-Optics, Jacksonville, FL, USA: 15/10/2001 – 18/10/2001; Laser Institute of America, 2001, páginas 1179-1184, “Laser welding on the fly with coupled axes systems” de A. Klotzbach et al. El rayo láser es desviado aquí solamente por una óptica de escáner con espejos.

El cometido de la presente invención consiste en indicar otra técnica de mecanización con láser que proporcione un 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.

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 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.

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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 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, otro dispositivo de mecanización de láser, que no viene bajo las reivindicaciones 1 y 13, 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 CO2, 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.

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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 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.

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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  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  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  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 ' de aproximadamente 7,5º reducido a la mitad y dirigido oblicuamente hacia delante.

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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 , ’ dirigido oblicuamente hacia atrás, que se hace cada vez más grande. En la figura E el ángulo de rayo trasero ’ es de aproximadamente 7,5º.

La figura F ilustra el final de la costura 7 y un ángulo de rayo trasero máximo  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 , ', , ' 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.

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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 , . 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 ,  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  y  descritos en el ejemplo de realización correspondiente a la figura 2 y dirigidos hacia delante y hacia 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 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.

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.

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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. Lista de símbolos de referencia 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  Ángulo de rayo hacia delante ' Ángulo del rayo hacia delante  Ángulo del rayo hacia atrás ' Ángulo del rayo hacia atrás

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Claims

REIVINDICACIONES

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, en el que 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.
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 la herramienta de láser (3) se mantiene por medio de un aguilón (5) a cierta distancia de la mano (8) del manipulador.
8.- 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).
9.- 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 , ' del mismo dirigido oblicuamente hacia delante.
10.- 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 , ' del mismo dirigido oblicuamente hacia atrás.
11.- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el manipulador (2) realiza durante la mecanización un movimiento de decalaje sustancialmente constante.
12.- 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.
13.- 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, en el que la herramienta de láser (3) presenta una óptica de enfoque para generar un rayo láser (4) de ángulo fijo.
14.- Dispositivo según la reivindicación 13, 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.
15.- Dispositivo según la reivindicación 13 ó 14, 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.
16.- Dispositivo según una de las reivindicaciones 13 a 15 anteriores, caracterizado porque la herramienta de láser

(3)

presenta una distancia focal fija.
17.- Dispositivo según una de las reivindicaciones 13 a 16 anteriores, caracterizado porque la herramienta de láser

(3)

presenta una distancia focal de aproximadamente 150 a 400 mm.
18.- Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque la herramienta de láser (3) presenta un dispositivo explorador controlable móvil (17).

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19.- Dispositivo según una de las reivindicaciones 13 a 28 anteriores, caracterizado porque el manipulador (2) está construido como un robot de brazo articulado con al menos seis ejes.
20.- Dispositivo según una de las reivindicaciones 13 a 19 anteriores, caracterizado porque la herramienta de láser

(3) está construida como una herramienta de soldadura.