ES2324821T3 - Robot de brazo articulado con sistema de guiado por rayo laser que comprende un telescopio. - Google Patents

Abstract

Robot de brazos articulados con un brazo articulado compuesto por varios brazos parciales que están unidos mecánicamente entre sí por medio de articulaciones giratorias y en los que se conduce una radiación láser acoplada en el brazo articulado por medio de un sistema óptico compuesto por espejos fijados en las articulaciones giratorias y por un elemento de enfoque del rayo, existiendo dentro del sistema óptico un telescopio, caracterizado porque el telescopio es un telescopio de espejos que está formado por dos espejos fijados en las articulaciones giratorias.

Description

Robot de brazo articulado con sistema de guiado por rayo láser que comprende un telescopio.

La invención se refiere a un robot de brazo articulado con sistema de guiado por rayo láser integrado tal como se conoce genéricamente por el documento DE 101 57 891 A1.

Para el mecanizado tridimensional con láser de CO_{2} existen en el mercado diversos sistemas de dispositivos que se pueden subdividir en tres grupos, los sistemas cartesianos realizados como disposiciones de montantes o de pórtico, robots de brazos acodables (robots de brazos articulados) con brazos articulados con espejos, y robots de brazos articulados en los que la radiación láser se conduce por el interior de los brazos articulados del robot.

Los citados en último lugar se conocen especialmente para potencias hasta 500 W. Por lo general los brazos articulados se componen de 5 brazos parciales que están unidos entre sí respectivamente por medio de una articulación giratoria. El primer brazo parcial del brazo articulado está unido por su extremo libre con el robot, mientras que en el extremo libre del último brazo parcial, por lo general el quinto, sale la radiación en láser a través de una lente de enfoque. El láser generalmente va fijado sobre el tercer brazo parcial. La radiación láser se acopla a este brazo parcial por medio de un espejo, y se conduce a través de los siguientes brazos parciales hasta llegar a la lente de enfoque que se encuentra en el extremo libre del brazo articulado. Los láser de menor potencia se pueden fijar por su menor peso sobre brazos parciales situados más alejados, es decir con posibilidad de fijarlos a una mayor distancia del robot. De este modo se puede reducir la longitud del camino recorrido por la radiación láser dentro del brazo articulado.

En el documento DE 35 30 189 A1 se da a conocer un dispositivo para corregir la posición de un rayo láser conducido a través de un brazo articulado. El reenvío del rayo de un brazo parcial al inmediato siguiente respectivo tiene lugar dentro del brazo articulado por medio de espejos de reenvío que van fijados en las articulaciones giratorias de tal modo que cada espejo junto con el siguiente brazo parcial pueda girar alrededor del eje del rayo láser incidente. De este modo se conduce el rayo láser desde la fuente de radiación láser hasta el cabezal de corte, donde sale del brazo articulado a través de un sistema óptico de enfoque.

También en el documento EP 0 224 451 B1 se describe un robot industrial de ejes múltiples en el que la radiación láser se conduce a través de una pluralidad de espejos por el interior del sistema articulado hasta llegar a una lente de enfoque.

En ambas soluciones la radiación láser únicamente cambia de dirección en su recorrido hasta la lente de enfoque, pero no se influye en su forma o tamaño del haz, con lo cual se mantiene invariable la divergencia y el diámetro del rayo de la radiación láser.

En un dispositivo de mecanizado mediante láser dado a conocer en el documento DE 101 57 891 A1 hay un láser dispuesto en el interior de un brazo del robot. En el interior de este brazo del robot está situado un telescopio. El rayo láser que de este modo queda ensanchado a un diámetro de rayo mayor se refleja a continuación a través de tres espejos de reenvío al cabezal de mecanizado láser con un objetivo para enfocar la radiación láser sobre la pieza a mecanizar. No se describe con mayor detalle de qué clase de telescopio se ha de tratar en el que aquí se utiliza. En cualquier caso se trata de un conjunto óptico adicional que sirve exclusivamente para la formación del rayo. En el caso de utilizarse un telescopio de lentes, lo que aquí se puede suponer con gran probabilidad, se producen pérdidas de radiación en comparación con un sistema de conducción de rayo sin el telescopio.

El empleo de telescopios en la técnica láser para la formación del rayo se conoce desde la invención del láser. Se componen básicamente de dos elementos que forman el rayo, que actuando conjuntamente convierten un haz de rayos paralelos de un determinado diámetro de rayo en un haz de rayos paralelos con otro diámetro. Se distingue entre dos tipos básicos - telescopios de lentes y telescopios de espejos. Se emplean para todas las longitudes de ondas láser conocidas.

Entre los telescopios de lentes, los más conocidos son los telescopios con dos lentes biconvexas según Kepler (Figura 1), y con un menisco y una lente biconvexa según Galileo (Figura 2).

En los telescopios de espejo se distinguen también diversas variantes. - Una primera variante con un espejo convexo y un espejo cóncavo, mostrados en la Figura 3 y una segunda variante con dos espejos cóncavos que está representada en la Figura 4. - Pero también cabe la posibilidad de efectuar combinaciones de espejos y lentes, por ejemplo tal como está representado en la Figura 5, con un espejo cóncavo, un espejo plano y una lente biconvexa.

El técnico sabe que los telescopios ópticos representados esquemáticamente en las Figuras 1 a Figura 5 se pueden convertir en sistemas de enfoque del rayo por medio de la elección de las distancias focales y las distancias de los elementos reproductores entre sí. En la Figura 6 está representado un sistema de este tipo con un espejo convexo y un espejo cóncavo.

El inconveniente de los telescopios de lentes frente a los telescopios de espejos consiste principalmente en las pérdidas de radiación. Dado que cada telescopio de lentes consta como mínimo de dos o más lentes y cada lente presenta dos transiciones de medio óptico, aire-sustrato o sustrato-aire respectivamente, las pérdidas de potencia frente a dos superficies especulares en el telescopio de espejos son un 5% o más superiores, dado que cada superficie óptica presenta aproximadamente un 0,5% de pérdidas por reflexión y cada sustrato de lente atravesado de modo transmisivo vuelve a presentar un 0,5% de pérdidas de potencia por absorción. Por lo tanto las pérdidas de potencia teóricas en la conducción del rayo por medio de un telescopio de espejos están aproximadamente en un 1%, y por medio de telescopio de lentes aproximadamente en el 3%. En la práctica por lo general llegan hasta un 5%.

El objetivo de incorporar un telescopio consiste en aumentar o reducir el diámetro del rayo, así como en su divergencia (ángulo de apertura del rayo). Al ir aumentando el ensanchamiento A se va reduciendo la divergencia 1/A, y al mismo tiempo al aumentar el ensanchamiento se obtiene en determinadas zonas la posibilidad de enfocar mejor la radiación láser.

La invención tiene como objetivo modificar el sistema de conducción de un rayo láser dentro de un brazo articulado de un robot de brazos articulados, de tal modo que se pueda influir de modo determinado con un empleo mínimo de componentes ópticos en la divergencia del rayo y en el diámetro del rayo del rayo láser que incide sobre una lente de enfoque.

Este objetivo se resuelve con un robot de brazos articulados según la reivindicación 1.

Una realización ventajosa de la invención se describe en la reivindicación subordinada 2.

La invención se trata de describir a continuación con mayor detalle sirviéndose de los ejemplos de realización, donde los sistemas ópticos según las Figuras 5, 7 y 8 no representan ejemplos de realización de la invención. Para ello muestran:

Figura 1 esquema óptico de un telescopio de Kepler

Figura 2 esquema óptico de un telescopio de Galileo

Figura 3 esquema óptico de una primera variante de un telescopio de espejos

Figura 4 esquema óptico de una segunda variante de un telescopio de espejos

Figura 5 esquema óptico de un telescopio de espejos y lente

Figura 6 sistema de espejos de enfoque

Figuras 7, 8 sistemas ópticos con telescopios de lentes

Figuras 9, 10 diversas variantes de realización

Figura 11 ejemplo de realización ventajoso

Figura 12 ejemplo de realización según la Figura 11 con telescopio de lentes adicional.

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Tal como ya se explicó al describir el estado de la técnica, las Figuras 1 a Figura 7 muestran respectivamente un esquema óptico de un telescopio óptico de por sí conocido, reducido a la representación de los elementos de formación y de reenvío óptico y a la representación del recorrido del rayo.

Un ejemplo de realización especialmente ventajoso está representado en la Figura 11 y se describirá a continuación.

El láser que está instalado en el segundo brazo parcial del brazo articulado de un robot de brazos acodables de 5 ejes se acopla en el tercer brazo parcial que define un III eje del robot.

El acoplamiento tiene lugar por medio de dos espejos cóncavos 1 y 2, que al mismo tiempo forman un telescopio de espejos según la Figura 4. Los espejos cóncavos 1 y 2 sustituyen a los espejos planos allí situados según el estado de la técnica. Cumple el cometido de los espejos planos que se suelen utilizar, al reenviar el haz de rayos, y provocan al mismo tiempo un aumento de la sección combinada del rayo y una disminución de la divergencia de la radiación. La separación entre los dos espejos cóncavos 1 y 2 es de unos 700 mm. Los espejos cóncavos se eligieron en cuanto a sus distancias focales de modo que se alcanzase un ensanchamiento doble, es decir que se duplica el diámetro del rayo dividiendo al mismo tiempo la mitad del ángulo de divergencia.

En esta realización de la invención resulta especialmente ventajoso que para la realización del telescopio no se necesitan elementos ópticos adicionales y frente a los sistemas de conducción del rayo que se componen únicamente de espejos de reenvío y una lente de enfoque no se producen pérdidas de potencia adicionales.

El rayo formado de este modo se puede transmitir sin problemas al volcar el tercer eje del robot, ya que la geometría de los espejos del telescopio, es decir de los dos espejos cóncavos 1, 2 entre sí, está realizada con simetría de rotación. El rayo se conduce desde el III al IV y V eje del robot a través de unos espejos planos normales 3 y 4, y se enfoca en el plano focal 6 del sistema óptico de enfoque 5.

Con el rayo ensanchado de este modo y debido a haberse reducido la divergencia se puede conseguir un diámetro de foco más reducido. La radiación láser que incide sobre los espejos de reenvío dentro del brazo articulado presenta menor densidad de potencia, lo que da lugar a una menor carga para los espejos.

Al disponer a continuación un telescopio de lentes adicional tal como está representado en la Figura 12 se puede volver a reducir el diámetro del rayo, lo cual sin embargo vuelve a dar lugar a que aumente la sección del foco pero también al mismo tiempo aumenta el campo de profundidad focal.

En las Figuras 7 y 8 están representados sistemas ópticos con telescopio de lentes. Mediante la combinación de representaciones parciales a, b ó c cada una con una de las representaciones parciales d, e ó f de las Figuras respectivas se obtiene una multitud de combinaciones imaginables.

El ejemplo de realización según la Figura 9 con telescopios de espejos presenta frente al sistema según las Figuras 7 u 8 con telescopios de lentes, la ventaja de que las pérdidas de potencia láser están reducidas aproximadamente en un 3-5%. En el caso de un láser de 500 W esto supone 15-25 W. Dado que la densidad de potencia del enfoque se transmite con una relación cuadrática, esto significa que hay aproximadamente 15 W^{2}-25 W^{2} ó 225 W-525 W más de potencia en el foco del láser. Desaparece la adquisición adicional y el ajuste del telescopio.

Generalmente se dispone el telescopio inmediatamente después de la salida del láser. Por ejemplo en la Figura 7, el láser se encuentra en el segundo eje de un robot de brazos acodables de 5 ejes. De acuerdo con la sección parcial b de la Figura 7 se emplea un telescopio de lentes de Kepler y según el detalle parcial c de la Figura 7, un telescopio de lentes de Galileo. Un sistema de esta clase es ventajoso en el caso detener una radiación láser muy divergente, ya que al largo recorrido de transmisión óptico de aprox. 1,5-2,5 m dentro del III-V eje (según el tamaño de construcción del robot) y con una radiación láser muy divergente, el ángulo de ensanchamiento del rayo láser se comprime suficientemente bien a lo largo de la distancia, ensanchando al mismo tiempo de modo óptimo el diámetro del rayo láser.

Es posible realizar una combinación de los detalles parciales b y c con d, e ó f. Igualmente es posible de acuerdo con el detalle parcial a en el que no se lleva a cabo ningún ensanchamiento a la salida del láser (cuando la divergencia del láser no sea crítica), combinando con los detalles parciales d ó e.

Por último, se pueden disponer telescopios de lentes tanto después de la salida del láser como también en el eje IV o incluso solamente en el V, si se precisa un diámetro de rayo mayor o menor para la utilización de cabezales de corte esbeltos (Figura 8, detalle parcial d y e).

En la Figura 9 están representadas variantes de realización con telescopios de espejos. De acuerdo con el detalle parcial b se instala en lugar de los espejos planos existentes en el detalle parcial a y en ese mismo lugar un telescopios de espejos según la Figura 4 o de acuerdo con el detalle parcial c un telescopio de espejos según la Figura 3. La ventaja de esta disposición consiste en que no se necesita ningún telescopio adicional, se ahorra un 3% de pérdida de potencia y se ahorra un gasto de ajuste adicional, al utilizar como telescopio dos espejos que ya se necesitan para el reenvío de los rayos.

Una realización del telescopio de espejos según el detalle parcial b ofrece además otra ventaja adicional. Tiene mayor estabilidad en cuanto a ajuste ya que los espejos están realizados de tipo enfocante. El inconveniente frente al telescopio de lentes es en general su disposición fija, es decir que no se puede variar el ensanchamiento o la divergencia. La única variación posible es mediante un cambio de espejos.

Debido a la realización de los espejos con simetría de rotación se puede acodar sin problemas el tercer eje del robot.

Igualmente es posible, de acuerdo con el detalle parcial a, no efectuar ningún ensanchamiento a la salida del láser (cuando la divergencia del láser no es crítica) sino únicamente entre el IV y V eje de acuerdo con el detalle parcial d (telescopio de espejos según la Figura 4). En este punto se puede situar igualmente un telescopio de espejos según la Figura 3.

Por último, se pueden situar telescopios de lentes tanto después de la salida del láser y también entre el IV y V eje, si se requiere un diámetro de rayo mayor o menor para el empleo de cabezas cortadoras esbeltas (véase el detalle parcial d en la Figura 10).

Claims (2)

1. Robot de brazos articulados con un brazo articulado compuesto por varios brazos parciales que están unidos mecánicamente entre sí por medio de articulaciones giratorias y en los que se conduce una radiación láser acoplada en el brazo articulado por medio de un sistema óptico compuesto por espejos fijados en las articulaciones giratorias y por un elemento de enfoque del rayo, existiendo dentro del sistema óptico un telescopio,

caracterizado porque

el telescopio es un telescopio de espejos que está formado por dos espejos fijados en las articulaciones giratorias.

2. Robot de brazos articulados según la reivindicación 1, caracterizado porque los espejos que forman la articulación de espejos son los dos primeros espejos del sistema óptico en el sentido de la radiación.