ES2909882T3 - Dispositivo robótico paso a paso de soldadura láser - Google Patents

Abstract

Un dispositivo paso a paso para soldadura láser (10) que permite unir dos o más piezas metálicas superpuestas (50), que comprende: una columna de soporte alargada (54) que se extiende a lo largo de un eje longitudinal (B-B); un cabezal óptico (20) desplazable axialmente a lo largo de la columna de soporte (54) y provisto de una óptica configurada para enfocar un rayo láser a lo largo de un trayecto a través de una ventana protectora del cabezal óptico (20) en una zona de soldadura; y un primer brazo (14) montado en la columna de soporte (54) a lo largo del trayecto descendiente desde la ventana protectora y acoplado al cabezal óptico (20) para moverse axialmente entre una posición inicial y una posición de soldadura en la que el primer brazo (14) presiona contra una de las piezas metálicas (50) en la posición de soldadura, estando configurado el primer brazo (14) para encerrar la zona de soldadura a fin de evitar que la emisión láser escape fuera de la zona de soldadura, estando estructurado el primer brazo (14) con una superficie periférica interior que define un túnel (22) alargado, configurado con extremos abiertos, superior e inferior, estando configurado el túnel (22) para ser atravesado axialmente por: el rayo láser, un primer flujo de corriente axial de medio gaseoso presurizado, y un segundo flujo de corriente axial de medio gaseoso a una segunda presión inferior a la primera; y una primera fuente de vacío (44) en comunicación fluida con el extremo inferior del túnel (22) que permite extraer la primera y segunda corrientes del túnel (22) generando un gradiente de presión entre los extremos superior e inferior del túnel (22) de modo que los residuos de soldadura sean evacuados del túnel (22) a través del extremo inferior del túnel (22) con la primera y la segunda corrientes, siendo la segunda presión inferior a la presión atmosférica para evitar la formación de vórtices de aire, en el que la primera y la segunda corriente que fluyen axialmente minimizan sustancialmente el contacto entre la ventana protectora y los desechos de soldadura que fluyen dentro del túnel (22), en el que el volumen de la segunda corriente excede sustancialmente al volumen de la primera corriente en el túnel, en que la segunda corriente tiene una velocidad lenta y en el que la primera y la segunda corriente son axialmente unidireccionales.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo robótico paso a paso de soldadura láser

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Esta descripción se refiere al campo de los sistemas de soldadura por láser que permiten unir dos o más piezas de trabajo metálicas superpuestas. En particular, esta invención se refiere a un dispositivo paso a paso de soldadura láser configurado con un láser multi kW Clase 1 y que tiene una estructura ligera y compacta que es capaz de soportar altas cargas mecánicas. DE202007003451 U1 divulga un flujo laminar (4) para prevenir vórtices y minimizar el daño a la ventana protectora donde este flujo laminar en sí mismo comprende desde el interior hacia el exterior diferentes corrientes correspondientes a diferentes velocidades y presiones seleccionadas respectivamente.

ANTECEDENTES

La soldadura se emplea comúnmente como un método para unir varias piezas de metal o materiales laminares en un conjunto. Los métodos de soldadura convencional son fácilmente disponibles e incluyen, por ejemplo, soldadura por arco y por puntos resistentes. Recientemente, se ha descubierto que un método de soldadura por láser es ventajoso sobre los métodos de soldadura tradicionales, al menos en algunos aspectos. Por ejemplo, el enfoque nítido y la concentración de alta energía del rayo láser proporciona una soldadura más rápida con menor aporte de calor en las partes circundantes de las piezas de trabajo. Sin embargo, el diseño de una soldadora láser robótica ofrece algunos desafíos estructurales, como se analiza a continuación.

Uno de estos desafíos se relaciona con la protección de la óptica de enfoque ubicada en un cabezal láser de los desechos de soldadura y el polvo que tiende a chocar contra una ventana de vidrio sellando el acceso de los desechos al cabezal láser. La integridad de la ventana de vidrio puede verse comprometida por los residuos y su reemplazo provoca paradas frecuentes en la línea automatizada de montaje. Típicamente, el chorro de aire es introducido en una guía de luz en un ángulo con el eje longitudinal de la guía, una característica a menudo denominada técnica de chorro cruzado. A alta presión de aire, el chorro cruzado provoca vórtices dentro de la guía de aire. Los vórtices generan un gradiente de presión dentro de la guía con la zona central de la guía a una presión inferior a la de la zona periférica. Se ha observado que un gradiente de presión afecta negativamente a la calidad del rayo láser y permite que los residuos fluyan a lo largo de la zona central hacia la ventana protectora. Además, el chorro cruzado provoca un nivel de ruido incómodamente alto.

Por lo tanto, existe la necesidad de un nuevo diseño de conjunto del suministro de aire que, mientras realiza sus funciones de protección óptica directa, no afecte a la calidad del rayo láser.

Otro desafío más está asociado con la calidad de una soldadura, particularmente a la luz de una alta concentración de energía. Si la potencia del rayo láser es algo mayor que la potencia deseada, el rayo puede fundir todas las piezas superpuestas para formar una abertura pasante en lugar de unir estas piezas. Por el contrario, un haz de baja potencia puede no ser suficiente para unir las piezas. Aunque existen varias técnicas para controlar la potencia de salida de una fuente láser, ninguna de las técnicas conocidas es capaz de determinar la calidad de una soldadura y alterar la potencia de salida en respuesta a la calidad de la soldadura determinada en tiempo real. Sin embargo, la calidad de la soldadura es uno de los parámetros más importantes, si no el más importante, de cualquier proceso de soldadura.

En consecuencia, existe la necesidad de un sistema de soldadura por láser de fibra configurado con un sistema para ajustar automáticamente la salida del láser basándose en la calidad de una soldadura.

Otro desafío surge de las geometrías complejas de las piezas a soldar. Frecuentemente, las piezas a unir no están en la posición ideal, y cuando un robot se desplaza a la posición predeterminada, es necesario manipular el robot para corregir la posición entre las piezas y el robot.

Por lo tanto, existe la necesidad de un sistema de soldadura robotizado provisto de un mecanismo que esté configurado para compensar la diferencia entre las posiciones deseada y real de las piezas a soldar sin la manipulación no deseada del robot.

Otro desafío también surge de la compleja geometría de las piezas a soldar que a menudo requiere posiciones verticales diametralmente opuestas del mismo brazo robótico. Obviamente, un accionador que desplaza este brazo hacia las piezas aplica diferentes momentos correspondientes a las respectivas direcciones hacia abajo y hacia arriba del desplazamiento del brazo debido a la gravedad de todo el aparato de soldadura. Los métodos conocidos para controlar la fuerza de accionamiento de un brazo incluyen la introducción manual de datos que indican la posición deseada del brazo. La operación manual puede ser imprecisa y llevar mucho tiempo.

En consecuencia, existe otra necesidad de automatización del paso de desplazamiento del brazo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo de soldadura operable manualmente descrito aquí aborda todas las necesidades discutidas anteriormente. El sistema de soldadura descrito está montado de forma desmontable en un robot que permite llevar el sistema al lugar deseado donde se realiza la soldadura.

De acuerdo con un aspecto de la descripción que aborda los problemas de los chorros cruzados, se fuerza una corriente de aire presurizado dentro de un canal de guía de luz paralelo al eje longitudinal del mismo. Tal técnica de entrega, denominada en adelante "super-chorro" (overjet), prácticamente elimina el gradiente de presión entre las zonas central y periférica. Como resultado, las partículas pequeñas o los residuos que fluyen hacia la ventana protectora de la cabeza óptica son efectivamente rechazados por la corriente de aire, lo que aumenta la vida útil de la ventana protectora y no afecta la calidad del haz. Además, el ruido de alto nivel asociado con la estructura de chorro cruzado se reduce considerablemente al usar la configuración de chorro saliente descrita.

Según otro aspecto, además del super-chorro, el túnel es atravesado por otra corriente de aire que elimina residuos de soldadura relativamente grandes y fluye paralela al super-chorro. Una bomba que crea una presión negativa dentro del túnel guía un gran volumen de aire ambiental a baja velocidad hacia el extremo superior del túnel paralelo al super-chorro. Dado que la salida que evacua ambas corrientes del túnel está situada cerca de la zona de soldadura, las corrientes arrastran residuos de soldadura de diferente tamaño a través de la salida.

Otro aspecto se refiere al funcionamiento del paso de soldadura. Las piezas de metal superpuestas a soldar pueden quemarse si la potencia del haz es demasiado alta y, por el contrario, las piezas pueden tener una unión débil si el haz la potencia es demasiado baja. Con una potencia de haz demasiado alta, un relativamente gran canal quemado es atravesado a través de las piezas por una mayor cantidad de radiación láser. Cuando la potencia es baja, una cantidad relativamente baja de radiación láser atraviesa las piezas.

Con base a lo anterior, la invención enseña un detector de luz yuxtapuesto en la parte posterior de la zona de soldadura. Utilizando un bucle de retroalimentación, la radiación láser detectada se procesa y se compara con un valor de referencia. A continuación, se acopla una señal de control a una fuente de alimentación del sistema láser para modificar la potencia de salida y proporcionar a la soldadura la calidad deseada.

Las piezas que se van a soldar normalmente están ligeramente mal colocadas, de modo que cuando se guía un robot a la posición deseada y acopla las piezas, no se alcanza la presión deseada con la que las piezas se empujan entre sí. Para compensar un error de posicionamiento de las piezas con respecto a las posiciones del robot, el estado de la técnica conocido enseña a maniobrar el robot para ajustar su posición con respecto a la posición actual de las piezas. Tal ajuste requiere mucho tiempo y afecta la eficiencia del proceso.

El sistema de soldadura descrito tiene un enfoque diferente para establecer la posición deseada. En la configuración del sistema de soldadura con dos brazos de agarre, ambos son desplazables de forma controlable por lo que, si las piezas se hallan por debajo del nivel deseado, un brazo accionado neumáticamente eleva las piezas hasta el nivel deseado antes de que el brazo accionado eléctricamente sea guiado a este nivel. Por el contrario, si las piezas están algo por encima del nivel deseado, el brazo accionado eléctricamente trae las piezas al nivel deseado donde los brazos ejercen respectivas fuerzas de dirección opuesta empujando las piezas una hacia la otra con la presión deseada.

El brazo accionado neumáticamente está pretensado. En consecuencia, su desplazamiento requiere diferentes fuerzas aplicadas al brazo dependiendo de si el brazo se mueve hacia arriba o hacia abajo. Cuando la fuerza de gravedad es codireccional con la dirección de la fuerza aplicada al brazo, se genera una fuerza relativamente insignificante que excede ligeramente la fuerza de pretensado. De lo contrario, la fuerza generada es sustancialmente mayor que la pretensada. En base a lo anterior, el sistema descrito está provisto de una unidad de detección de posición que es operativa para generar una señal de control acoplada a una bomba neumática que genera la fuerza deseada en función de la posición detectada del sistema de soldadura.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las anteriores y otras características del dispositivo descrito se harán más evidentes a partir de la siguiente descripción, acompañada de los dibujos, en los que:

La FIG. 1 es una vista axonométrica del sistema de soldadura por láser descrito;

Las FIGs. 2A - 2C son vistas respectivas en sección, en alzado lateral y desde arriba de un brazo accionado eléctricamente;

Las FIGs. 3A - 3C y 4A - 4C ilustran el principio de funcionamiento del sistema de soldadura descrito;

La FIG. 5 es una vista de un mecanismo neumático operativo para ajustar la posición de las piezas a soldar con respecto a una posición del robot;

La FIG. 6 es un diagrama de flujo que ilustra el funcionamiento de un sistema de control de calidad de soldadura; La FIG. 7 es una vista de un brazo accionado neumáticamente de la soldadora descrita;

La FIG. 8 es una vista axonométrica del sistema de soldadura descrito con los brazos de agarre ilustrados en una posición de soldadura;

La FIG. 9 es una vista lateral del sistema de soldadura descrito que ilustra el funcionamiento del brazo accionado eléctricamente;

La FIG. 10 es una vista lateral esquemática del dispositivo paso a paso descrito;

La FIG. 11 es una vista ortogonal de la pieza terminal de presión.

La FIG. 12 es un diagrama de flujo del funcionamiento del sistema de soldadura descrito;

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Se hará referencia en detalle a varias realizaciones de la descripción que se ilustran en los dibujos adjuntos. Siempre que sea posible, se utilizan números de referencia iguales o similares en los dibujos y la descripción para referirse a partes o pasos iguales o similares. Únicamente por conveniencia y claridad, se utilizan términos direccionales (arriba/abajo, etc.) o de movimiento (adelante/atrás, etc.) con respecto al plano de las hojas de dibujo. Estos y términos direccionales similares no deben interpretarse como limitantes del alcance de la invención de ninguna forma. Los dibujos están en forma simplificada y no representan una escala precisa.

La FIG 1 ilustra un dispositivo paso a paso para soldadura láser compacto 10 configurado con un soporte 18 que acopla el paso a paso 10 a un robot. En un estado montado, el robot puede girar el paso a paso 10 alrededor de un eje de rotación A-A y desplazar linealmente el paso a paso a lo largo de un eje longitudinal B-B, como se describe en detalle a continuación. Dos brazos de agarre - el brazo 14 operado eléctricamente y el brazo 16 operado neumáticamente - definen una unidad de agarre capaz de presionar las piezas metálicas a ser soldadas entre sí con una fuerza adaptable que alcanza un nivel de kN, por ejemplo alrededor de 3 kN. Los brazos están montados de forma extraíble en un conjunto de soporte 12. Una fuente de láser, como un láser de fibra de alta potencia, está configurada para emitir un rayo láser monomodo o multimodo de hasta un nivel de varios kilovatios, por ejemplo, alrededor de 4000 W. Sin embargo, como se describe a continuación, el dispositivo paso a paso está configurado con un mecanismo de seguridad ambiental que evita que una emisión láser escape al exterior cuando se está soldando, que clasifica al dispositivo paso a paso divulgado como un sistema láser de clase 1. En general, el paso a paso 10 pesa hasta unos 45 kg cuando se monta con ambos brazos 14 y 16, respectivamente, y menos cuando funciona con un solo brazo accionado eléctricamente 14, lo que puede ocurrir cuando las piezas a soldar se montan en un soporte estacionario.

Los brazos 14 y 16, respectivamente, se mueven entre una posición inicial en la que están separados a la mayor distancia, y una posición de soldadura en la que los brazos topan con las respectivas piezas delantera y trasera a soldar. Durante la soldadura, el paso 10 está configurado para unir dos o más piezas formando una soldadura oscilante láser hasta aproximadamente 40 - 50 mm. En la medida que se suelda la soldadura, la emisión láser es capaz de propagarse a través de las piezas de metal fundido porque en cada momento se forma un pequeño pasaje temporal a través de las piezas. Una vez que se retira el haz de la ubicación del pasaje, el material fundido fluye de regreso llenando el pasaje.

Haciendo referencia a las FIG. 2A - 2C, el brazo desplazable 14 está configurado para ser un componente multifuncional: además de una función de agarre, el interior de este brazo sirve como guía para el rayo láser y el flujo de fluido. Una de las corrientes del medio gaseoso se forma para prevenir o al menos minimizar sustancialmente la exposición de la protección de la ventana de vidrio, que está montada en el extremo de salida del cabezal óptico 20, frente chispas y pequeñas partículas o desechos esparcidos desde la zona de soldadura en una dirección contraria a la dirección de propagación de la luz. La otra corriente de aire, viajando en paralelo a la primera corriente a una presión inferior al de la corriente presurizada, trata con partículas más grandes.

El brazo 14 está estructurado con un interior hueco alargado que define un túnel 22 que se extiende a lo largo del eje longitudinal B-B del dispositivo paso a paso entre los extremos de entrada y salida del brazo. El brazo incluye un alojamiento 24 (FIG. 2B) rematado por un reborde 26 que acopla de manera removible el brazo 14 a una placa de soporte desplazable axialmente, descrita a continuación. La estructura puede ser montada o ensamblada a partir de múltiples componentes. Por ejemplo, la carcasa 24, como se muestra, incluye una estructura con dos partes de forma generalmente troncocónica que se estrecha hacia la zona de soldadura.

El reborde 26, como se muestra en la FIG. 2B, está empotrado en el extremo de la entrada 28 (FIG. 2A) del mismo y está configurado con una pared periférica multi-separada que termina con un hombro 30 que se extiende axialmente y que se superpone al extremo superior (a lo largo de las trayectorias de luz y aire) de la carcasa 24 (FIG. 2B). Un tubo 32 corto en forma de T (FIG. 2A) se recibe en el extremo rebajado de la brida 26 y se extiende hacia adentro de manera que se superpone axialmente al extremo superior del alojamiento 24 y está separado radialmente hacia adentro desde este extremo.

La posición relativa del alojamiento 24, el reborde 26 y el tubo 32 definen un primer espacio anular 34 relativamente grande (FIG. 2C) y un paso 36 relativamente estrecho que desemboca en el espacio anular 34 por uno de sus extremos y hasta el interior del alojamiento 24 por el otro extremo.

El espacio anular 34 recibe un chorro de medio gaseoso presurizado, tal como aire, a través de la entrada 36 que se extiende radialmente (FIG. 2B). A medida que el chorro de aire a presión llena el espacio 34, sangra a través del pasaje axial 36 hacia el interior o túnel 22 de la carcasa 24 paralelo al eje B-B. A medida que el aire a presión fluye a través del túnel, su presión cae prácticamente a la presión atmosférica. El suministro axial y el flujo adicional de la corriente de aire presurizado inicialmente a lo largo del túnel se denominan en lo sucesivo "super-chorro". El super-chorro evita eficazmente que los pequeños residuos de soldadura dañen la ventana de vidrio protectora del cabezal óptico 20, lo que aumenta drásticamente la vida útil del cabezal láser.

El cabezal láser 20 está configurado para recibir un haz láser de 500 mm y tiene una longitud de colimación de aproximadamente 100 mm y una longitud de enfoque de aproximadamente 250-300 mm. Aunque estos parámetros se dan a modo de ejemplo, permiten separar la ventana de protección de la zona de soldadura a una distancia mayor que la del estado de la técnica conocido.

La configuración del brazo desplazable 14 permite crear una presión negativa en el túnel para eliminar, además de las partículas pequeñas, las grandes partículas originadas también en la zona de soldadura. Dicha presión se puede crear usando una entrada de aire 38 que se muestra esquemáticamente con la flecha discontinua en la FIG. 2B situada en cualquier lugar a lo largo de la región superior de la carcasa 24 o incluso utilizando el cabezal óptico como guía de aire. Esta segunda corriente de aire entra en el túnel, como se mencionó anteriormente, a una presión inferior a la de la primera corriente de aire a presión y, por lo tanto, a baja velocidad. Preferiblemente, la segunda corriente está por debajo de la presión atmosférica. Finalmente, la presión de la segunda corriente se selecciona de modo que se eliminen los vórtices de aire, que son típicos de un chorro cruzado presurizado que entra en el túnel a alta velocidad en los dispositivos conocidos.

Una salida de succión 40, mejor vista en la FIG. 2A, desemboca en el túnel 22 dentro de la carcasa 24 cerca de la pieza final de presión 42 y está en comunicación fluida con una presión negativa externa generada por una fuente 44 a través de una manguera 46 para crear un gradiente de presión entre los extremos superior e inferior del túnel 22. La segunda corriente de aire 38 (FIG. 2B) es succionada al túnel 22 en un volumen que excede sustancialmente el volumen de aire del super-chorro dentro del túnel. Ambas corrientes de aire son axialmente unidireccionales y están sustancialmente bajo la misma presión relativamente baja a lo largo de un tramo mayor de la trayectoria del aire a lo largo del túnel. El superchorro, la segunda corriente de aire de baja velocidad y gran volumen y la dirección uniforme de ambas corrientes, en combinación, prácticamente eliminan la interferencia entre las corrientes de aire, proporcionan una evacuación efectiva de residuos de soldadura pequeños y grandes y no afectan la calidad del rayo láser que atraviesa el túnel.

Haciendo referencia a todas las FIG. 3 y 4, el funcionamiento del dispositivo paso a paso 10 comienza con su desplazamiento hacia un grupo de piezas metálicas superpuestas 50, como se muestra mejor en las Figs. 3A-4A. El brazo operado neumáticamente 16 (FIG. 4A) se deja caer a su posición más baja más allá de las piezas 50. Tal desplazamiento de este brazo evita una colisión entre el dispositivo 10 y las piezas 50, como ocurría a menudo con los dispositivos paso a paso conocidos que no podían bajar (o subir) este brazo más allá del plano de las piezas. En esta posición, a la que se hará referencia como posición inicial, el brazo accionado eléctricamente 14 no se acciona, como se ve en ambas figuras.

3A y 4A.

Haciendo referencia a las FIG. 3B y 4B, una vez que el brazo 16 se yuxtapone con las piezas 50, el mecanismo neumático lo desplaza hacia y preferiblemente en contacto con la pieza. Incluso si inicialmente, la posición de las piezas 50 estaba ligeramente fuera de la posición deseada, el brazo 16 lleva las piezas a la posición deseada. El brazo accionado eléctricamente 14 todavía está desactivado.

Las FIG. 3C y 4C ilustran una operación de posicionamiento final en la que el brazo 14 accionado eléctricamente se desplaza para empujar contra las piezas. Por lo tanto, los brazos crean fuerzas que son diametralmente opuestas y se compensan parcialmente entre sí, lo que reduce sustancialmente la carga sobre el soporte del robot 12. Aún más importante, las piezas 50 se presionan entre sí de manera fiable incluso aunque inicialmente pueden haber sido ubicadas fuera de la posición deseada. Como puede entenderse fácilmente, el brazo desplazable 16 y su mecanismo de accionamiento funcionan como un compensador de los inevitables errores de posicionamiento entre las piezas y robot. Una vez finalizada la soldadura, la secuencia de las operaciones descritas anteriormente se invierte.

La FIG. 5 ilustra el brazo de operación 16 del mecanismo neumático 52. Estructuralmente, el dispositivo paso a paso 10 tiene al menos la mitad del peso del dispositivo paso a paso descrito en EP 2149421B1, que es copropiedad con la presente solicitud y se incorpora en su totalidad a la presente por referencia. Sin embargo, la rigidez estructural es casi igual o incluso mejor que la rigidez del dispositivo paso a paso descrito en la referencia mencionada anteriormente.

La reducción de masa se ha logrado mediante la creación de un circuito cinemático mecánico cerrado en el que prácticamente todas las fuerzas asociadas con el desplazamiento del dispositivo paso a paso se concentran en una columna central 54. Por ejemplo, el soporte 18 que acopla el dispositivo paso a paso a un robot está directamente acoplado a la columna. Un marco 56, que lleva el cabezal óptico láser 45, el actuador eléctrico del brazo 14, los mecanismos de accionamiento lineal y oscilante para proporcionar un haz sinusoidal de la longitud deseada, todo en uno de sus lados, y el brazo 14 en el lado opuesto, se guía de forma deslizante a lo largo un lado de la columna 54 en, por ejemplo, rieles 58. El mecanismo neumático 52 para el brazo operativo 16 se coloca en el otro lado.

El mecanismo neumático 52 está configurado con dos resortes pretensados 60 que ejercen una fuerza sustancialmente igual al peso del paso a paso 12 sobre el brazo 16 manteniéndolo así a la mayor distancia del brazo 14 correspondiendo a la distancia en la posición inicial de la fig. 4A. Uno de los extremos opuestos de cada resorte se fija de forma desplazable al brazo 16, mientras que el otro extremo es deslizable a lo largo de un canal 62 fresado en la columna de apoyo 54.

Dos cilindros neumáticos 64 están alineados con respectivos resortes 60. En la posición inicial, los cilindros 64 están bajo una presión inferior a la generada por los resortes, lo cual permite su extensión total. Cuando es necesario desplazar el brazo inferior 16 hacia las piezas a soldar, la presión en los cilindros 64 aumenta hasta el nivel predeterminado en el que se comprimen los resortes 60 para que el brazo 16 entre en contacto con las hojas de trabajo y las desplace hacia arriba, si el brazo 16 es el brazo inferior y las piezas se colocan debajo de la posición deseada con respecto al robot. Si las piezas se colocan inicialmente por encima de la posición deseada, el brazo 16 se desplaza a la posición de soldadura, como se puede apreciar en las Figs. 3AC y 4C, y las piezas son desplazadas por el brazo superior accionado eléctricamente 14 hacia abajo hasta la posición de soldadura.

La presión creada en el cilindro 64 depende de la posición del paso a paso 12. Cuando el paso a paso se coloca con el brazo 16 siendo un brazo bajo en relación con el otro brazo 14, se debe aplicar una fuerza relativamente pequeña al resorte para desplazar el brazo. 16 hacia las piezas 50. En cambio, con el brazo 16 sobre el brazo 14, la fuerza generada aplicada al resorte y suficiente para comprimir el resorte es aproximadamente el doble de la fuerza del resorte. En los dispositivos paso a paso conocidos, normalmente el operarario introduce manualmente los datos relacionados con la posición.

En el paso a paso 12 descrito, la posición de los brazos se determina automáticamente mediante el sistema sensor de posicionamiento 66. Una vez que se detecta la posición, una señal generada por el sensor 66 se recibe en una unidad central de procesamiento o controlador y se realiza la presión deseada en el cilindro 64. Una vez completada la soldadura, los resortes se desplazan a su posición inicial.

La FIG. 6 ilustra un diagrama de flujo que ilustra el funcionamiento del sistema de control de calidad de la soldadura. A medida que el rayo láser y las piezas a soldar se mueven entre sí a lo largo de una longitud predeterminada y con el cabezal óptico oscilando a la frecuencia predeterminada, el rayo funde las láminas superpuestas para crear un pasaje que se extiende a través de las piezas de trabajo delanteras y traseras. A medida que el rayo se mueve más, el metal fundido fluye hacia atrás cerrando el pasaje, pero no antes de que el rayo láser atraviesa el pasaje. La intensidad medida del rayo láser penetrado es indicativa de la calidad de la soldadura. Si la intensidad medida es superior a un valor de referencia, como se explica a continuación, el pasaje es demasiado grande y se reduce la potencia de salida del láser. Por el contrario, si la intensidad medida es inferior al valor de referencia, la potencia del láser de salida aumenta.

La emisión láser es detectada por un detector de luz 70 que genera una señal aumentada en un amplificador 72 y luego convertida en un convertidor analógico-digital 74. La luz medida tiene niveles de intensidad más altos o más bajos, correspondiendo la alta intensidad a los picos de luz. Las potencias promedio (Vav) y pico (Vpeak) de la señal se determinan en el microcontrolador 76. El controlador puede ser del tipo de circuito integrado conocido como red de puertas programables en campo (FPGA) que puede realizar una variedad de funciones, incluidas, por ejemplo, funciones de integrador y detector de picos, y tiene una estructura ligera. El analizador 80 procesa las potencias determinadas y emite una señal de control correspondiente a una relación Vav a Vpeak. Esta última se retroalimenta a través de un circuito de realimentación 82 a una unidad central de procesamiento 84. Si la relación es menor o mayor que un valor de referencia, la unidad 84 emite una señal de control acoplada a la fuente de energía que puede funcionar para aumentar o disminuir la potencia del rayo láser.

La FIG. 7 ilustra una realización de ejemplo del control de calidad de soldaduras de la FIG. 6. El brazo neumático 16 está provisto de una cavidad pasante que recibe el detector 70. La cavidad está formada en una base 86 del brazo 16 con forma de L que tiene un interior hueco. Durante la soldadura, la emisión del láser se refleja desde la parte inferior del brazo o desde cualquier tipo de pantalla reflectora ubicada dentro del interior del brazo. La luz reflejada es detectada por el detector 70. La característica de control descrita anteriormente se puede realizar fácilmente mediante una configuración diferente. En lugar del brazo puede usarse cualquier configuración de trampa de luz, provista en la parte posterior de la zona de soldadura y, opcionalmente, con su interior aislado de la luz ambiental, en combinación con un fotodetector. En consecuencia, el láser, integrado en la configuración de un solo brazo divulgada, también se puede controlar de acuerdo con la técnica descrita anteriormente. Además, en lugar de detectar la luz reflejada, el detector 70 puede posicionarse para detectar directamente la luz incidente.

Durante la soldadura, los residuos pueden penetrar en el interior del componente 86 brazo a través de la pieza extrema 88 sin fondo. Si no se retiran, los residuos acumulados pueden dañar este componente y generalmente afectar de forma negativa la calidad de la soldadura. Para prevenir la acumulación, el interior hueco del componente 86 está en comunicación fluida con una bomba externa 90. Esta última puede ser la misma bomba 44 de la FIG. 2A o una bomba diferente que permita crear el gradiente de presión suficiente para expulsar los residuos a través de una manguera. Adicionalmente a la técnica de evacuación por presión, el fondo del componente 86 puede extraerse para una eliminación adicional de los residuos acumulados.

La FIG. 8 ilustra algunos de los componentes del paso a paso 12 descrito. Como se ha descrito anteriormente, un elemento de soporte central, la columna 54, recibe todas las cargas cinemáticas asociadas con el desplazamiento del dispositivo paso a paso. El marco 56, soportando entre otros los brazos 14 y 16, incluye una placa 92 deslizable axialmente a lo largo de la columna 54 con mecanismos de accionamiento oscilante y lineal 94 y 96, respectivamente. Un motor eléctrico aplica una fuerza lineal a la placa 92 a través de una transmisión 98. El brazo 14 está fijado de forma desplazable a la placa 92 y viaja linealmente a la posición de soldadura en que la presión de las piezas extremas seguras 88 y 100 de los respectivos brazos 16 y 14 se apoyan en las piezas de trabajo delantera y trasera de modo que ninguna radiación láser escape de la zona de soldadura delimitada por los parámetros geométricos de las piezas extremas. El sellado de la zona de soldadura es tal que, a pesar de los niveles de potencia en kW, el láser está certificado como láser de Clase 1.

Haciendo referencia a la figura 9, el brazo accionado eléctricamente 14 se encuentra originalmente en una posición inicial en la que la distancia entre los brazos es la más grande. En uso, el brazo 14 se desplaza primero al accionar un eje 102, que está conectado al motor eléctrico 104, en una primera velocidad lineal a una posición abierta, en la que el brazo 14 está separado del brazo 16 una distancia menor que en la posición de inicio. El eje 102 está acoplado al marco 56 que se guía a lo largo de los rieles 110, que a su vez está montado en la columna 54, a través de un cojinete lineal 108. Se controla el desplazamiento del brazo 14 a la posición abierta y, si se detecta algún objeto a lo largo del camino, el brazo se detiene, hasta que se retira el objeto. El brazo 14 se desplaza además a la posición cerrada más cercana a la zona de soldadura y, por lo tanto, al brazo 16 a una segunda velocidad inferior a la primera velocidad. La posición cerrada corresponde a una distancia predeterminada desde la pieza de trabajo que es una función del espesor de la pieza. Finalmente, el brazo 14 se desplaza a la posición de soldadura/agarre en la que presiona contra la pieza con la fuerza deseada.

La FIG. 10 ilustra un mecanismo de seguridad que impide disparar el láser si las piezas extremas 88 y 100, respectivamente, no están en pleno contacto con la pieza de trabajo y si la pieza extrema 100 del brazo 14 está dañada y, por tanto, no puede funcionar correctamente. El mecanismo de seguridad está acoplado a la pieza de presión 100 del brazo 14 e incluye dos contactos desplazables axialmente 112 pretensados que se extienden a lo largo de los lados respectivos de la pieza de presión 100. En la condición pretensada inicial, ambos contactos 112 se extienden más allá del borde de la pieza final 100 a una distancia predeterminada. Si la pieza de trabajo delantera y el brazo 14 están colocados correctamente, ambos contactos 112 tocan la superficie de la pieza de trabajo. Sin embargo, si la posición no es correcta, al menos uno de los contactos 112 no presiona contra la pieza de trabajo, y el láser no puede dispararse.

El mecanismo de seguridad incluye además un cable 114 que está conectado eléctricamente en serie a cada uno de los contactos 112. Si al menos uno de estos componentes no genera una señal recibida por un microcontrolador, el circuito permanece abierto y el controlador no envía una señal de control a la fuente de alimentación del láser que, por lo tanto, permanece inactiva.

El cable 114 está montado a poca distancia del borde de la pieza final 100 en una ranura cerrada que corre alrededor del perímetro de la pieza final. Si la pieza de extremo 100 está dañada y el cable 114 entra en contacto directo con la superficie de la pieza de trabajo delantera, se romperá fácilmente evitando que se dispare la fuente de láser.

La FIG. 11 ilustra la pieza extrema 100, pero la descripción de la siguiente característica se refiere también a la otra pieza extrema 88. Para asegurar que las superficies de contacto de las respectivas piezas extremas 88 y 100 no estén expuestas a un desgaste excesivo, se acopla una placa protectora 101 a la superficie de contacto. La placa 101 está hecha de acero templado y puede soldarse a la superficie de contacto, lo que puede complicar el reemplazo de la placa si es necesario. Preferiblemente, la placa 101 se monta de forma desmontable en la superficie de contacto por medio de sujetadores 103.

Si la placa 101 está acoplada mediante sujetadores 103, su superficie interna está ranurada para acomodar el alambre 114. En caso de soldadura, se coloca un tubo entre la superficie 103 y la placa 101 antes de soldar estas partes. A continuación, se tira del cable 114 a través del tubo. La adición de la placa 101 no solo aumenta la vida útil de la pieza final. También facilita tanto el montaje del dispositivo descrito como su mantenimiento.

La FIG. 12 ilustra el funcionamiento del dispositivo paso a paso 10 descrito. Vale la pena señalar que todos los controladores incorporados en un esquema de control del dispositivo paso a paso 10 se basan en la plataforma FPGA, lo que reduce considerablemente el peso total de todo el conjunto en comparación con dispositivos paso a paso o pistolas de configuración algo similares que se basan en una plataforma de controlador lógico programable (PLC).

En respuesta a una señal de encendido, la fuente externa de medio presurizado proporciona el super-chorro dentro túnel 22 (FIG. 2A) del brazo accionado eléctricamente 14 como se muestra en 120. Simultáneamente durante o después del super-chorro, el motor 104 (FIG. 8) se activa y opera hasta que la presión deseada sobre la pieza de trabajo, longitud de soldadura y la frecuencia de oscilación se establecen, como se muestra en 122 y 124, respectivamente. Siempre que se completen todos los pasos descritos anteriormente, el brazo 16 operado neumáticamente se desplaza más allá del plano de las piezas de trabajo que se van a soldar y luego se mueve a la posición deseada, como se muestra en los respectivos pasos 121 y 123.

A partir de entonces, el motor 104 comienza a desplazar el brazo 14 desde la posición inicial hasta la posición abierta, como se ilustra con el número 126. A medida que el brazo 16 se mueve hacia las posiciones abiertas a una velocidad relativamente alta, la presencia de cualquier obstáculo a lo largo del trayecto se controla continuamente en 128. Se proporciona un desplazamiento adicional del brazo 14 a la posición cerrada en 130 a una velocidad relativamente lenta. Finalmente, el brazo 14 se desplaza a la posición de soldadura para proporcionar la presión deseada sobre la pieza de trabajo en 132.

En la posición de soldadura, el contacto entre el extremo de la pieza de presión 100 y la superficie de la pieza de trabajo se verifica como se muestra en 134. Ya sea después del control de contacto o antes, se activa la bomba 44 (FIG. 2A) para crear un gradiente de presión que evacúe todas las corrientes de aire junto con los residuos de la soldadura. Solo después de todo lo anterior, el láser emite un haz y comienza la operación de soldadura, como lo indica 136. Durante la operación de soldadura, se controla la calidad de la misma, como se describió anteriormente y se indica aquí mediante 138. Si es necesario, la potencia del haz se ajusta en 140. Una vez que se completa la operación de soldadura, los brazos regresan a las respectivas posiciones iniciales y todos los actuadores pueden apagarse, como se muestra en 150.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1.- Un dispositivo paso a paso para soldadura láser (10) que permite unir dos o más piezas metálicas superpuestas (50), que comprende:

una columna de soporte alargada (54) que se extiende a lo largo de un eje longitudinal (B-B);

un cabezal óptico (20) desplazable axialmente a lo largo de la columna de soporte (54) y provisto de una óptica configurada para enfocar un rayo láser a lo largo de un trayecto a través de una ventana protectora del cabezal óptico (20) en una zona de soldadura; y

un primer brazo (14) montado en la columna de soporte (54) a lo largo del trayecto descendiente desde la ventana protectora y acoplado al cabezal óptico (20) para moverse axialmente entre una posición inicial y una posición de soldadura en la que el primer brazo (14) presiona contra una de las piezas metálicas (50) en la posición de soldadura, estando configurado el primer brazo (14) para encerrar la zona de soldadura a fin de evitar que la emisión láser escape fuera de la zona de soldadura,

estando estructurado el primer brazo (14) con una superficie periférica interior que define un túnel (22) alargado, configurado con extremos abiertos, superior e inferior, estando configurado el túnel (22) para ser atravesado axialmente por:

el rayo láser,

un primer flujo de corriente axial de medio gaseoso presurizado, y

un segundo flujo de corriente axial de medio gaseoso a una segunda presión inferior a la primera; y

una primera fuente de vacío (44) en comunicación fluida con el extremo inferior del túnel (22) que permite extraer la primera y segunda corrientes del túnel (22) generando un gradiente de presión entre los extremos superior e inferior del túnel (22) de modo que los residuos de soldadura sean evacuados del túnel (22) a través del extremo inferior del túnel (22) con la primera y la segunda corrientes, siendo la segunda presión inferior a la presión atmosférica para evitar la formación de vórtices de aire, en el que la primera y la segunda corriente que fluyen axialmente minimizan sustancialmente el contacto entre la ventana protectora y los desechos de soldadura que fluyen dentro del túnel (22), en el que el volumen de la segunda corriente excede sustancialmente al volumen de la primera corriente en el túnel, en que la segunda corriente tiene una velocidad lenta y en el que la primera y la segunda corriente son axialmente unidireccionales.

2. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 1 que comprende, además

un segundo brazo (16) acoplado de forma desmontable a la columna de soporte (54), y

unas primera y segunda piezas extremas de soporte de presión (88, 100), mutuamente alineadas y ensambladas de forma removible a los respectivos primer y segundo brazo (14, 16), las piezas extremas de presión (88, 100) presionando contra piezas metálicas respectivas (50) a ser soldadas con una fuerza predeterminada durante una operación de soldadura con el rayo láser.

3. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 1, que comprende, además:

un fotodetector (70) configurado para detectar la radiación láser que se propaga a través de las piezas (50) a ser soldadas, y

un controlador (76) que recibe una señal del fotodetector (70) y que permite igualar la intensidad del rayo láser que se propaga a un valor de referencia de modo que, si la intensidad medida no coincide con el valor, la potencia del rayo láser se ajusta mejorando la calidad de la soldadura.

4. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 2, en que el segundo brazo (16) está montado de forma deslizable en la columna (54) y está configurado con el primer y segundo componente (86) que se acoplan unidos para definir una forma de L, estando configurado el segundo componente (86) con una superficie interna que define un interior hueco configurado para reflejar la propagación del rayo láser hacia el fotodetector (70).

5. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 4 que comprende además una unidad de vacío (90) en comunicación fluida con un extremo libre del segundo componente (86) del brazo con forma de L, permitiendo la unidad de vacío (90) crear una presión diferencial en el interior suficiente para eliminar los restos de soldadura de la misma.

6. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 4, en el que el brazo en forma de L (16) está configurado con un fondo removible (86) que recibe residuos de soldadura que se eliminan al desplazarse al fondo.

7. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 4 que comprende además un actuador neumático (52) acoplado a la columna (54) y operable para desplazar axialmente el segundo brazo (16) en una dirección axial (B-B) lejos de las piezas metálicas (50) a soldar, con objeto de evitar una colisión, y en una dirección axial opuesta (B-B) hacia las piezas (50).

8. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 7, en el que el actuador neumático (52) está configurado con:

una pluralidad de resortes pretensados (60) que generan una primera fuerza que impide el desplazamiento voluntario del segundo brazo (16) en dirección axial opuesta (B-B), y

una pluralidad de cilindros neumáticos (64), cada uno acoplado al resorte pretensado (60) y permitiendo aplicar una segunda fuerza al resorte (60) de modo que comprime el desplazamiento del segundo brazo (16) en sentido axial opuesto (B-B) hacia las piezas (50) cuando la segunda fuerza sobrepasa la primera fuerza.

9. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 7 que comprende además un sensor de posición (66) que permite determinar la posición de los brazos (14, 16) entre sí, en el que cuando el segundo brazo (16) está debajo del primer brazo (14), la segunda fuerza aplicada al resorte (60) es suficiente para desplazar el segundo brazo (16), siendo mayor que la segunda fuerza cuando el segundo brazo (16) está por encima del primer brazo (14).

10. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 1, en el que el primer brazo está configurado con:

un alojamiento (24) que proporciona la superficie periférica, con forma troncocónica que se estrecha hacia el extremo inferior,

un reborde rebajado (26) configurado con una pared periférica que se estrecha hacia el extremo inferior y se superpone axialmente a una región superior de alojamiento; y

un tubo en forma de T (32) recibido en el reborde rebajado (26) y que se extiende axialmente dentro de la carcasa (24) para superponerse al extremo superior del mismo para definir un gran espacio anular (34) con el reborde (26) y un pasaje axial estrecho (36) con la carcasa (24), estando el espacio anular (34) y el pasaje (36) en comunicación fluida de forma que la primera corriente de medio gaseoso entra en el espacio (34) y sigue fluyendo axialmente a través del pasaje (36) hasta el túnel (22) hacia el extremo inferior de la carcasa (24).

11. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 10 que comprende, además:

un primer accionador (96) operable para desplazar la placa de soporte (92) a lo largo de la columna (54); un segundo accionador operable para proporcionar una soldadura con la longitud deseada; y

un tercer accionador (94) que permite proporcionar a la soldadura una forma sinusoidal, estando los accionadores acoplados de forma móvil a la placa de soporte (92).

12. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 11, en el que el primer accionador (96) permite desplazar linealmente el primer brazo (14) entre una pluralidad de posiciones espaciadas, incluyendo:

una posición inicial en la que el primer brazo (14) está separado de las piezas (50) a una primera distancia; una posición abierta en la que el primer brazo (14) está separado de las piezas (50) a una segunda distancia menor que la primera distancia,

una posición cerrada con el primer brazo (14) situado entre la posición abierta y las piezas (50); y

una posición de agarre en la que el primer brazo (14) presiona contra la pieza de trabajo (50) con una fuerza deseada.

13. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 11, en el que el primer actuador (96) permite desplazar la placa de soporte (92) entre las posiciones inicial y abierta a una velocidad lineal superior a la velocidad lineal de la placa de soporte (92) entre las posiciones inicial y abierta.

14. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 1 que comprende, además, un láser de fibra que emite el rayo láser.

15. - El dispositivo paso a paso para soldadura láser de la reivindicación 2, en el que las superficies de contacto de las respectivas piezas extremas de presión (88, 100) están provistas cada una de una placa protectora (101) hecha de acero endurecido, estando cada una de las placas unida de forma extraíble a la superficie de contacto.