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Die
Erfindung betrifft eine Bearbeitungseinrichtung mit den Merkmalen im
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Die
DE 36 04 470 A1 zeigt
eine Bearbeitungsstation für große Werkstücke,
bei der eine Schweißeinrichtung an einem Portal mittels
mehrachsig beweglicher Schlitten und einer Dreheinheit mehrachsig
beweglich gelagert ist.
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Aus
der
JP 61-147 988
A ist ein Knickrohrsystem mit Spiegeln für die
Leitung eines Laserstrahls zur Bearbeitungsstelle eines Werkstücks
unter Einsatz von Schutzgas bekannt.
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Die
US 4,547,885 A lehrt
verschiedene Roboterkonfigurationen zum Führen eines Laserkopfs. Hierbei
ist auch ein Portalroboter mit Linearachsen und zusätzlicher
Fahrachse auf der Portaloberseite gezeigt. Die Laserquelle wird
jeweils mitbewegt und der Laserstrahl über ein gelenkiges
Rohrleitungssystem zum Laserkopf geführt.
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Die
DE 10 2004 011 769
B3 befasst sich mit einer Framing- oder Ausschweißstation
nebst Remote-Laser. Der Laserschweißkopf ist an einem sechsachsigen
Gelenkarmroboter angeordnet, wobei dieser eine zusätzliche
Fahrachse haben kann. Derartige Laserbearbeitungsgeräte
haben einen erheblichen Platzbedarf und einen für manche
Anwendungen ungünstigen Arbeitsbereich. Außerdem
behindern die Roboter die Zustellvorrichtung und den Rahmenwechsel.
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In
der
DE 203 06 581
U1 sind Laserschweißanordnungen mit unterschiedlichen
Bewegungseinheiten für die Laserschweißköpfe
offenbart.
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Die
DE 20 2004 013 687
U1 lehrt eine Geostation mit einem schienengebundenen Spannrahmenwechsler
in Verbindung mit Gelenkarmrobotern, die zum Teil an einem Portal
angeordnet sind.
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Die
EP 0 579 160 A1 betrifft
eine Bearbeitungsstation für Fahrzeugkarosserien in einer
Transferlinie, wobei Gelenkarmroboter auf einem Schlitten angeordnet
sind und hierüber an die Arbeitsstelle zugestellt werden
können. Ferner ist eine Rahmenwechseleinrichtung nebst
Trommelmagazinen vorhanden, wobei der vorgenannte Schlitten im Zusammenhang
mit diesen Rahmenwechsel steht und in Rückzugstellung den
Rahmentausch ermöglicht.
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Die
DE 197 13 860 A1 befasst
sich mit einem Jigless-Body-Konzept für eine Framing- oder
Respot-Station, wobei Gelenkarmroboter zum Zuführen der
Spannrahmen und der Werkstücke sowie zum Schweißen
eingesetzt werden.
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In
der
DE 20 2004
002 729 U1 ist eine gemeinsame Laserquelle für
mehrere Arbeitsstationen und eine Weiche zur Strahlumschaltung in
Verbindung mit konventionellen Gelenkarmrobotern offenbart.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine bessere Laserbearbeitungstechnik
aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die
beanspruchte Ausbildung der Bewegungseinrichtung hat den Vorteil,
dass diese einen geringeren Platzbedarf und zugleich einen besseren Arbeitsbereich
bietet. Sie ist an Bearbeitungsstationen mit Spannrahmen und Rahmenmagazinen besser
einsetzbar und behindert nicht die Spannrahmenbewegungen sowie den
Spannrahmenwechsel.
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Die
beanspruchte Bearbeitungseinrichtung bietet außerdem prozesstechnische
Vorteile. Der Laserstrahl kann durch Schwenkbewegungen der Schwenkeinheit
geführt und relativ zum Werkstück bewegt werden.
Die Strahlablenkung kann dabei sehr schnell und präzise
sein. Der Laserstrahl kann dabei auch Oberflächenkonturen
des Werkstücks folgen und schwer zugängliche Stellen
am Werkstück erreichen. Besonders vorteilhaft ist in diesem
Zusammenhang eine Schwenkeinheit mit mehreren rotatorischen Achsen,
die bevorzugt orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Die Schwenkeinheit
kann als standardisierte Roboterhand ausgebildet sein, die an der Fahreinheit
montiert werden kann.
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Die
Fahreinheit kann zur Überbrückung größerer
Distanzen dienen. Sie ist außerdem günstig, um
für Spannrahmenbewegungen oder für andere Zwecke
einen Freiraum und eine Durchlassöffnung zu schaffen.
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Die
Bewegungseinrichtung weist vorteilhafterweise eine Kombination von
jeweils mehreren translatorischen und rotatorischen Bewegungsachsen
auf. Die Fahreinheit kann sich in einer von einem Gestell gebildeten
Ebene bewegen, was kinematisch günstig ist und nur einen
geringen Bau- und Steuerungsaufwand bedingt. Diese Bewegungsebene kann
sich parallel zu einer Werkstückseite erstrecken. Variierende
Abstände zwischen Werkstückkonturen und der Bewegungsebene
können durch eine verstellbare Brennweite des Laserkopfs
oder durch eine zusätzliche Bewegungsachse in Richtung
auf das Werkstück kompensiert werden. Eine solche Zusatzachse
kann außerdem ein Eintauchen der Schwenkeinheit mit dem
Laserkopf in einen Werkstückinnenraum ermöglichen,
um dort an der Werkstückinnenseite Bearbeitungsprozesse
durchzuführen.
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Die
Laserbearbeitungsprozesse können von beliebiger Art sein,
z. B. Füge oder Trennprozesse, insbesondere Schweißen,
Löten, Kleben, Schneiden oder dgl. mit Laserstrahl. Günstig
für solche Prozesse ist eine Laserleistung von 2 kW und
größer.
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Eine
mit einem Laserbearbeitungsgerät ausgerüstete
Bearbeitungsstation hat den Vorteil einer kompakten Bauweise und
eines geringen Bauaufwands. Durch die schmale Bauform des Laserbearbeitungsgeräts
kann der Abstand zwischen Rahmenmagazinen und einer Arbeitsstelle
im Stationsinnenraum verringert werden. Die Magazine können
ferner in unmittelbarer Nachbarschaft zur Arbeitsstelle angeordnet
werden, wobei für den Rahmenwechsel kurze Wege und eine
vereinfachte und insbesondere eindimensionale Zustellbewegung möglich
sind.
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Die
beanspruchte Bearbeitungseinrichtung bietet auch Vorteile für
eine Bearbeitungsanlage mit zwei oder mehr Bearbeitungsstationen.
Das Laserbearbeitungsgerät kann mehrere Stationen bedienen,
wobei ein entsprechend verlängertes Gestell und verlängerte
Fahrachsen von Vorteil sind. Diese Mehrfachbedienung hat Vorteile
für die bessere Auslastung der gesamten Lasereinrichtung.
Während in der einen Station, z. B. einer Geometriestation
zum Heften von Karosseriebauteilen, Rüstvorgänge
mit Rahmenwechsel oder -zustellung, Spannereingriffe oder dgl. ablaufen,
kann das Laserbearbeitungsgerät an der anderen Station
einen Bearbeitungsprozess durchführen, z. B. das Ausschweißen
der zuvor gehefteten Karosserie.
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In
den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt. Im einzelnen zeigen:
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1:
eine Bearbeitungsstation mit einer Bearbeitungseinrichtung und einem
Laserbearbeitungsgerät in Draufsicht,
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2 und 3:
Seiten- und Stirnansichten der Bearbeitungsstation gemäß Pfeilen
II und III von 1,
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4:
eine Bearbeitungsanlage mit mehreren Bearbeitungsstationen in Draufsicht,
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5 und 6:
Seiten- und Stirnansichten der Bearbeitungsanlage gemäß Pfeilen
V und VI von 4,
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7:
eine abgebrochene und vergrößerte Darstellung
einer Fahreinheit und einer Schwenkeinheit eines Laserbearbeitungsgeräts,
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8:
eine perspektivische Darstellung des Laserbearbeitungsgeräts
mit mehreren Laserköpfen und
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9:
eine abgebrochene und vergrößerte perspektivische
Darstellung der Fahr- und Schwenkeinheit.
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Die
Erfindung betrifft eine Bearbeitungseinrichtung (10) für
Werkstücke (4) sowie eine Bearbeitungsstation
(2, 3) mit einer solchen Bearbeitungseinrichtung
(10) und eine Bearbeitungsanlage (1) mit ein oder
mehreren solcher Bearbeitungsstationen (2, 3)
nebst Bearbeitungseinrichtungen (10).
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Die
Werkstücke (4) können von beliebiger Art,
Zahl und Größe sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
handelt es sich um Fahrzeugkarosserien oder Fahrzeugbauteile aus
dem Karosserierohbau. Die Werkstücke (4) können
auf einem Werkstückträger (5), z. B.
einer Palette, gehalten sein und mittels eines geeigneten Förderers
(7), z. B. eines flurgebundenen Förderers, entlang
einer Transferlinie (6) durch ein oder mehrere Bearbeitungsstationen
(2, 3) transportiert werden. Der Förderer
(7) ist z. B. als Rollenbahn, Kettenförderer,
Hubshuttle oder dgl. ausgebildet. Der Transport und die Bearbeitungsprozesse
können taktweise ablaufen.
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Das
oder die Werkstücke (4) werden von der Bearbeitungseinrichtung
(10) einem Laserbearbeitungsprozess mit ein oder mehreren
leistungsstarken Laserstrahlen (13) unterworfen. Die Bearbeitungsprozesse
können Fügeprozesse sein, z. B. ein Schweißen,
Löten, Kleben oder dgl. mittels Laserstrahl. Ein anderer
Bearbeitungsprozess kann ein Trennen oder Schneiden mittels Laserstrahl
sein. Mit dem Laserstrahl (13) können außerdem
Zusatzprozesse oder vorbereitende Prozesse ausgeführt werden,
z. B. ein Bilden von Buckeln oder Noppen in einem Werkstück
oder Werkstückteil. Derartige kleine Buckel können
als Distanzbildner an der Fügestelle fungieren und z. B.
einen Entgasungsspalt für Korrosionsschutzschichten der
Werkstücke oder Werkstückteile schaffen. Mit dem
energiereichen Laserstrahl können auch lokale Erwärmungen
am Werkstück (4) vorgenommen werden, um eine Dichtmasse,
einen Klebstoff oder dgl. zu schmelzen. Für diese Prozesse
hat der Laserstrahl (13) eine Leistung von ca. 2 kW oder
mehr. Der Laserstrahl (13) kann außerdem in seiner
Leistung steuerbar und abschaltbar oder umschaltbar sein.
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Die
Bearbeitungseinrichtung (10) weist ein Laserbearbeitungsgerät
(11) mit mindestens einem Laserkopf (12) auf,
der mindestens einen energiereichen Laserstrahl (13) zum
Werkstück (4) und zu einer Arbeitsstelle (9)
emittiert. Für den oder die Laserköpfe (12)
ist mindestens eine mehrachsige Bewegungseinrichtung (16)
vorhanden. Das oder die Werkstücke (4) werden
an der Arbeitsstelle (9) mittels einer Spanneinrichtung
(33) gespannt und in einer bearbeitungsgerechten Position
stationär oder instationär gehalten. Der Laserbearbeitungsprozess
ist sowohl bei einem stehenden, als auch bei einem bewegten Werkstück
(4) möglich, wobei ggf. der Laserkopf (12)
mit dem Werkstücktransport synchronisiert bewegt wird.
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Der
Laserstrahl (13) wird mittels einer in 1 schematisch
dargestellten Laserquelle (15) erzeugt, die an beliebiger
Stelle angeordnet sein kann und die bei einer entfernten Anordnung
mit dem Laserkopf (12) über mindestens eine in 1 gestrichelt
dargestellte Leitung, z. B. ein flexibles Lichtleitfaserkabel, verbunden
ist.
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Der
Laserkopf (12) und die Laserquelle (15) können
in beliebiger Weise ausgebildet sein. Die Laserquelle (15)
kann einen oder mehrere konstante oder gepulste Laserstrahlen (13)
mit hoher Strahlqualität und der für Füge-
und Trennprozesse erforderlichen Leistung erzeugen und emittieren,
wobei sie z. B. als Scheibenlaser, Faserlaser, Diodenlaser oder
dgl. ausgebildet ist. Die Laserquelle (15) kann mehrere
Laserköpfe (12) versorgen und mit einer in 1 angedeuteten
Strahlweiche (49) zur Umschaltung des Laserstrahls (13)
gekoppelt sein. Sie kann in der Leistung steuerbar und schaltbar
sein. Der Laserkopf (12) kann einen Strahlteiler zur Aufspaltung des
zugeführten Laserstrahls (13) besitzen.
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Der
Laserkopf (12) ist als Remote-Laser ausgebildet und wird
von der Bewegungseinrichtung (16) mit Abstand und ohne
Berührungskontakt zum Werkstück (4) gehalten.
Seine Brennweite und/oder sein Arbeitsabstand kann gleich oder größer
0,5 m sein und liegt bevorzugt zwischen 0,75 m und 2 m.
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Der
Laserkopf (12) kann eine feste Brennweite haben. In den
gezeigten Ausführungsformen besitzt er eine verstellbare
Brennweite und eine fernsteuerbare Verstelleinrichtung (14).
Im Laserkopf (12) ist z. B. eine Optik (nicht dargestellt)
angeordnet, wobei zur Brennweitenverstellung z. B. deren Linsengruppen
und/oder Spiegelgruppen relativ zueinander verstellt werden. Alternativ
oder zusätzlich ist eine Verstellung des Fasereinkoppelpunktes
möglich. Daneben sind weitere konstruktive Varianten der
Verstelleinrichtung (14) und der internen Ausbildung des Laserkopfes
(12) möglich.
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Etwaige
Abstandsänderungen zwischen der Austrittstelle des Laserstrahls
(13) am Laserkopf (12) und dem oder den Werkstücken
(4) können durch die Brennweitenverstellung (14)
des Laserkopfes (12) kompensiert werden. Die Brennweitenverstellung (14)
ermöglicht es dem Laserkopf (12) außerdem,
an einem Werkstück (4) unterschiedliche Bereiche
zu bearbeiten. Beispielsweise können bei einer Fahrzeugkarosserie
die relativ nah benachbarten Außenseiten mit dem Laserstrahl
(13) erreicht werden. Andererseits kann der Laserstrahl
(13) auch durch Öffnungen, z. B. Fensterausschnitte,
in den Innenraum des Werkstücks (4) und zu einer
gegenüberliegenden Seite gerichtet werden, um dort einen
Laserbearbeitungsprozess auszuführen. Bei der gezeigten Ausführungsform
einer Fahrzeugkarosserie (4) können mit einem
Laserstrahl (13) sowohl die Außenbereiche der
benachbarten Seitenwand, als auch der Innenwandbereich der gegenüberliegenden
Seitenwand geschweißt werden. Entsprechendes gilt für andere
Laserbearbeitungsprozesse.
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Mit
der Brennweitenverstellung (14) sind auch gezielte Prozessbeeinflussungen
möglich. Der Fokus kann auf die Werkstückoberfläche
und den dortigen Auftreffpunkt des Laserstrahls (13) gerichtet werden,
wobei an dieser Stelle durch den sehr kleinen Brennfleckdurchmesser
eine maximale Energiekonzentration vorliegt. Der Fokus kann andererseits mit
einem wählbaren Abstand vor oder hinter den Auftreffpunkt
an der Werkstückoberfläche gelegt werden. Die
Brennweite und der Arbeitsabstand werden in diesem Fall bewusst
unterschiedlich gewählt. Diese Veränderung führt
zu einer Vergrößerung des Brennflecks am Auftreffpunkt
und zur Verringerung der dortigen Energiedichte, was für
manche Prozesse und Werkstückgegebenheiten vorteilhaft
ist. Beim Schweißen von aufeinanderliegenden Blechen wird z.
B. der Fokus in den Fugenbereich gelegt. Eine Brennfleckvergrößerung
kann andererseits für das Überbrücken
von Spalten an der Stoß- und Schweißstelle von
Werkstückteilen vorteilhaft sein.
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Der
bevorzugte Brennweitenbereich hat außerdem sicherheitstechnische
Vorteile. Außerhalb des Fokus weitet sich der Laserstrahl
(13) relativ schnell auf, wobei die Energiekonzentration
sinkt. Wenn ein fehlgeleiteter Laserstrahl (13) auf eine
Stelle außerhalb des Werkstücks (4) trifft,
ist die Zerstörungs- und Unfallgefahr geringer. Insbesondere
können die Schutzwände einer umgebenden Laserkabine
einem aufgeweiteten Laserstrahl standhalten und werden nicht durchdrungen
und nicht zerstört.
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Die
Bewegungseinrichtung (16) kann ein oder mehrere Laserköpfe
(12) tragen. Sie weist eine Kombination von translatorischen
und rotatorischen Bewegungsachsen (27–32)
auf, wobei vorzugsweise jeweils mehrere translatorische und rotatorische
Bewegungsachsen vorhanden sind. Die Bewegungseinrichtung (16)
besitzt ein vorzugsweise stationäres Gestell (19)
mit einer Fahreinheit (17) und einer Schwenkeinheit (18).
Die Schwenkeinheit (18) trägt den Laserkopf (12)
und ist an der Fahreinheit (17) angeordnet.
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Das
stationäre Gestell (19) kann unterschiedlich ausgebildet
sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat es die Form
eines Portals und besteht aus vier im Rechteck verteilten vertikalen
Pfosten (20), die zumindest an der Oberseite durch längs- und
quergerichtete Träger (21) miteinander zu einem Portalrahmen
verbunden sind. Dieser hat zwei Seitenebenen und eine Dachebene,
an denen ein oder mehrere Laserköpfe (12) angeordnet
sein können. Das Gestell (19) umgibt die Arbeitsstelle
(9) und das dort befindliche Werkstück (4)
mit einem Abstand. Durch die offenen Stirnseiten wird das Werkstück
(4) zugeführt und abgeführt.
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Die
Fahreinheit (17) besitzt ein oder mehrere translatorische
Bewegungsachsen (27, 28, 29). Sie weist
mindestens eine am Gestell (19) verfahrbare Traverse (22)
auf, die z. B. an ihrem beiden Enden an zwei Pfosten (20)
oder im Dachbereich an zwei quer zur Transferlinie (6)
verlaufenden Träger (21) verfahrbar gelagert ist
und mit einem geeigneten Antrieb gesteuert bewegt werden kann. In
der gezeigten Ausführungsform sind drei Traversen (22)
vorhanden, die längs der Transferlinie (6) ausgerichtet
sind. Alternativ können ein oder mehrere Traversen (22)
quer zur Transferlinie (6) ausgerichtet sein.
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An
jeder Seiten- oder Dachebene des Gestells (19) ist jeweils
eine Traverse (22) angeordnet. Alternativ können
mehrere Traversen (22) dort angeordnet sein. Hierbei ist
es möglich, eine Traverse (22) an der Innenseite
und eine andere Traverse (22) an der Außenseite
einer Seiten- oder Dachebene des Gestells (19) zu lagern,
sodass die Traversen (22) aneinander vorbeifahren können.
Ferner ist es möglich, eine oder mehrere Traversen (22)
nur an einer oder an wenigen Gestellebenen vorzusehen. Ferner können
die Traversen (22) auch nur einseitig und fliegend gelagert
sein. 7 zeigt beispielhaft eine Traverse (22)
mit ihrer translatorischen Bewegungsachse (27).
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Die
Fahreinheit (17) weist mindestens einen an der Traverse
(22) verfahrbar gelagerten Schlitten (23, 24)
auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Kreuzschlitten
vorhanden, der einen an der Traverse (22) gelagerten Unterschlitten
(23) mit einer längs der Traverse (22)
ausgerichteten translatorischen Fahrachse (28) aufweist.
Auf dem Unterschlitten (23) ist in Querrichtung mit einer
translatorischen Fahrachse (29) ein Oberschlitten (24)
gelagert, der einen Ausleger besitzt, an dem die Schwenkeinheit
(18) angeordnet ist. Die Schlitten (23, 24)
haben ebenfalls steuerbare Antriebe (nicht dargestellt). Die Traverse
(22) und der oder die Schlitten (23, 24)
bewegen sich innerhalb der seitlichen und/oder im Dachbereich befindlichen
Gestellebene und können hier die Schwenkeinheit (18)
und den Laserkopf (12) zweidimensional verfahren. Der Oberschlitten
(24) und die Traverse (22) können gleich
gerichtete Bewegungs- und Fahrachsen (27, 29)
haben. Über die Traverse (22) können
hierbei in dieser Achsrichtung Grobpositionierungen vorgenommen
und größere Fahrwege zurückgelegt werden.
Der Oberschlitten (24) dient zur Feinpositionierung und
zum Zurücklegen kürzerer Fahrwege mit höherer
Präzision.
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Die
Schwenkeinheit (18) hat gemäß 7 ein
oder mehrere rotatorische Bewegungsachsen (30, 31, 32),
die vorzugsweise orthogonal zueinander ausgerichtet sind. In der
gezeigten Ausführungsform ist die Schwenkeinheit (18)
als Roboterhand (25) ausgebildet und besitzt ein Gehäuse,
welches um die erste Schwenkachse (30) an einem der Schlitten
(23, 24) drehbar gelagert ist. Das am Ende gabelförmige Gehäuse
nimmt einen Schwenkkopf auf, der um die zweite, quer verlaufende
Schwenkachse (31) schwenkbar ist. Aus Sicherheits- und
Unfallschutzgründen kann der Schwenkbereich begrenzt sein,
z. B. durch steuertechnische Maßnahmen oder durch mechanische
und ggf. verstellbare Anschläge. Am freien Ende des Schwenkkopfes
ist ein z. B. plattenförmiges Abtriebselement drehbar um
die dritte orthogonale Schwenkachse (32) angeordnet, an
dem der Laserkopf (12) lösbar befestigt ist. Die
Antriebe (26) für die drei Schwenkachsen (30, 31, 32)
können an der Oberseite des Schlittens (23, 24)
oder Auslegers nebeneinander angeordnet sein und mit ihren Treibwellen
durch den Schlitten oder Ausleger in das Gehäuse der Roboterhand
(25) reichen. Die Antriebe (26) sind ebenfalls
steuerbar.
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Die
verschiedenen Bewegungsachsen (27 bis 32) der
Bewegungseinrichtung (16) und die Versteileinrichtung (14)
für die Brennweite können eigenständig
und getrennt voneinander gesteuert werden. Hierfür kann
eine eigene Steuerung der Bearbeitungseinrichtung (10)
oder des Laserbearbeitungsgeräts (11) vorhanden
sein. Alternativ ist ein Anschluss an eine übergeordnete
Stations- oder Anlagensteuerung möglich.
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In
Abwandlung des gezeigten Ausführungsbeispiels kann die
Bewegungseinrichtung (16) eine weitere Bewegungsachse aufweisen,
die z. B. quer zur Gestellebene und zur Traverse (22) ausgerichtet ist.
Dies kann z. B. eine weitere translatorische Fahrachse sein, mit
der der Laserkopf (12) an das Werkstück (4)
angenähert werden kann. Hierfür kann z. B. der
im Dachbereich des Gestells (19) angeordnete Laserkopf
(12) in den Innenraum des Werkstücks (4) abgesenkt
werden, um Laserbearbeitungsprozesse an den Werkstückinnenseiten
vorzunehmen.
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In
der gezeigten Ausführungsform umgibt das Laserbearbeitungsgerät
(11) die Arbeitsstelle (9) und das Werkstück
(4) an mehreren Seiten. Es umgibt dabei auch die Spanneinrichtung
(33), die z. B. zwei oder mehr Spannrahmen (34, 35)
mit jeweils ein oder mehreren Spannwerkzeugen (36) aufweisen kann,
mit denen die Werkstückteile in der Sollposition gespannt
werden. Die Spanneinrichtung (33) kann stationärer
Art sein und nur zum Werkstückwechsel mit kleinen Hüben
geöffnet und geschlossen werden.
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In
den gezeigten Ausführungsbeispielen ist eine flexible Bearbeitungsstation
(2) dargestellt, mit der unterschiedliche Karosserietypen
bearbeitet werden können. Hierfür sind unterschiedliche
typgebundene Spannrahmen (34, 35) vorgesehen,
die z. B. die Seitenwände der Karosserie spannen und mit
einer stationären Aufnahme für den Werkstückträger
(5) zur Bildung eines definierten Geometriebezugs zusammenwirken.
Die Spannrahmen (34, 35) können auf bodenseitigen
stationären Rahmenabstützungen (43) lösbar
angedockt und exakt positioniert werden, wobei sie miteinander eine
hochgenaue Geometriebox (42) bilden, die für einen
exakten Lagebezug der Werkstückteile bzw. Karosserieteile
sorgt. Beim Andocken können auch Schnittstellen für
eine Betriebsmittelversorgung gekoppelt werden.
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Zum
Zustellen und Entfernen der Spannrahmen (34, 35)
ist eine Zustelleinrichtung (40) vorgesehen, welche die
in den gezeigten Ausführungsbeispielen eingesetzten seitlichen
Spannrahmen (34, 35) mit einer quer zur Transferlinie
(6) gerichteten Hubbewegung und mit einer Hublänge
h1 vor und zurück bewegt. Die Zustelleinrichtung (40)
kann eine beliebig geeignete konstruktive Ausbildung haben und ist
in den Zeichnungen durch Pfeile symbolisiert. Beispielsweise kann
sie aus verfahrbaren und angetriebenen Schlitten bestehen, die jeweils
einen Spannrahmen (34, 35) lösbar tragen
und an der Arbeitsstelle (9) an die Rahmenabstützungen
(43) mit dortiger genauer räumlicher Fixierung
und Führung andocken können.
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Bei
einem Typwechsel der Karosserien (4) ist in vielen Fällen
ein Austausch der Spannrahmen (34, 35) erforderlich.
Hierfür sind in der Bearbeitungsstation (2) an
ein oder beiden Seiten der Transferlinie (6) ein oder mehrere
Magazine (37) für jeweils ein oder mehrere Spannrahmen
(34, 35) angeordnet. Die Magazine (37)
tragen verschiedene Spannrahmentypen und können konstruktiv
in beliebig geeigneter Weise ausgebildet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt
es sich um Trommelmagazine, die jeweils eine gesteuert drehbare
Trommel (38) mit einem prismatischen Querschnitt und außenseitigen
Aufnahmen am Trommelmantel für Spannrahmen (34, 35) aufweisen.
Die Trommeln (38) sind z. B. um eine horizontale und längs
der Transferlinie (6) ausgerichtete Drehachse (39)
drehbar und tragen an ihrem rechteckigen Trommelmantel Spannrahmen
(34, 35). Die Magazine (37) sind in unmittelbarer
Nachbarschaft zur Arbeitsstelle (9) angeordnet und an die
Zustelleinrichtung (40) angeschlossen.
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Wie 3 verdeutlicht,
dient die Zustelleinrichtung (40) auch zum Spannrahmenwechsel.
Hierbei führt sie einen vergrößerten
Hub h2 aus und bewegt den Spannrahmen (34, 35)
mit einer direkten und geraden Hubbewegung von der Arbeitsstelle
(9) zur benachbarten Aufnahmestelle an der Trommel (38)
und zurück. Dieser Hub h2 ist größer
als der Hub h1 für den Werkstück- oder Karosseriewechsel
ohne Rahmentausch.
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Das
Gestell (19) befindet sich mit seinen seitlichen und durch
die Pfosten (20) sowie die längsgerichteten Träger
(21) aufgespannten Gestellebenen zwischen dem jeweils benachbarten
Magazin (37) und der Arbeitsstelle (9), die durch
die schmale Gestellform einen sehr kleinen Abstand haben können. Durch
die Rahmenkonstruktion bietet das Gestell (19) eine seitliche
Durchlassöffnung (41) für die Auswechslung
und die Durchfuhr der Spannrahmen (34, 35). Die
Traverse(n) (22) ist mit den anderen Teilen der Bewegungseinrichtung
(16) und dem Laserkopf (12) dabei soweit angehoben,
dass sie sich außerhalb der Durchlassöffnung (41)
befindet. Das Gestell (19) kann entsprechend hoch und ggf.
auch breit ausgebildet sein, um geeignete Parkpositionen für
die Bewegungseinrichtung (16) zu bieten.
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In
den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Bearbeitungsstation
(2) als Fügestation und insbesondere als Geometriestation
ausgebildet, in der die Teile der Fahrzeugkarosserie (4)
mit Laserschweißnähten geheftet werden. Für
die Werkstückzuführung gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Zum einen kann auf dem Werkstückträger (5)
eine komplette vorkommissionierte und geclipste Rohkarosse (4)
zugeführt werden. Hierbei sind eine Bodengruppe und die
beiden Seitenwände sowie evtl. vorhandene Querverstrebungen
im Dach und Front- oder Heckbereich durch Klammern mit einem für
die endgültige Einspannung ausreichenden Bewegungsspiel
miteinander verbunden. In der Fügestation (2)
werden die Karosserieteile von den Spannrahmen (34, 35) und
den Spannwerkzeugen (36) gespannt. Die Spannrahmen (34, 35)
haben in diesem Zusammenhang nur Spannfunktion.
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In
einer alternativen Ausführungsform können die
Spannrahmen (34, 35) auch zur Zuführung von
Werkstückteilen, insbesondere Seitenwänden oder
Seitenwandteilen, benutzt werden, wobei auf dem Werkstückträger
(5) nur eine Bodengruppe über den Förderer
(7) in Transportrichtung (8) in die Fügestation
(2) eingeführt wird. In diesem Fall ist für
jede neue Karosserie (4) ein Spannrahmenwechsel erforderlich.
Die Spannrahmen werden im Magazin (37) von einer geeigneten
Zuführvorrichtung mit der Seitenwand oder Seitenwandteilen bestückt
und dann gemeinsam von der Zustelleinrichtung (40) zur
Arbeitsstelle (9) zugestellt.
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Die
Bearbeitungsstation (2) ist im Ausführungsbeispiel
von 1 bis 3 Bestandteil einer Bearbeitungsanlage
(1), die ansonsten im Detail nicht weiter dargestellt ist.
In 4 bis 6 ist hierzu ein detaillierteres
Ausführungsbeispiel einer solchen Bearbeitungsanlage (1)
dargestellt.
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In
dieser Variante sind zwei Bearbeitungsstationen (2, 3)
in Form einer Geometriestation und einer in Förderrichtung
(8) nachfolgenden Ausschweißstation (3)
direkt hintereinander angeordnet. In der Ausschweißstation
(3) wird die zuvor in der Geometriestation (2)
geheftete Karosserie (4) ausgeschweißt. Dies kann
in einer einzigen Station (3) oder alternativ in mehreren
hintereinander angeordneten Ausschweißstationen (3)
geschehen.
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Bei
dieser Anlagen- und Stationsvariante ist für beide Bearbeitungsstationen
(2, 3) ein gemeinsames Laserbearbeitungsgerät
(11) vorgesehen. Die ein oder mehreren Laserköpfe
(12) können hierbei abwechselnd in der einen und
in der anderen Bearbeitungsstation (2, 3) ihre
Tätigkeit verrichten und haben dadurch eine maximale Auslastung.
Sie haben dabei eine über beide Stationen (2, 3)
sich erstreckende Bewegungseinrichtung (16). Hierfür
kann z. B. das Gestell (19) entsprechend verlängert
sein und sich über beide Stationen (2, 3)
erstrecken. Desgleichen können auch ein oder mehrere Traversen
(22) in dieser Weise verlängert sein. Die Laserköpfe
(12) können dadurch über die Stationsgrenze
hinwegfahren.
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In
der Ausschweißstation (3) sind keine Spannrahmen
(34, 35) mehr erforderlich. Insofern entfällt
hier die bei der Geometriestation (2) erforderliche Rüstzeit
zum Zustellen und ggf. Wechseln der Spannrahmen (34, 35)
und für das Spannen der Karosseriebauteile. Während
dieser Rüstzeit können die ein oder mehreren Laserköpfe
(12) in der Ausschweißstation (3) schweißen.
Anschließend können sie ihre Heftprozesse in der
Geometriestation (2) ausführen und bei der dann
anschließenden Rüstzeit zum Entspannen der Karosserie
(4) wieder Schweißaufgaben in der Ausschweißstation
(3) wahrnehmen. Ferner ist es möglich, nur einen
Teil der Laserköpfe (12) für beide Stationen
(2, 3) einzusetzen und daneben mehrere stationsgebundene
Laserköpfe (12) vorzusehen. Das Heften und Ausschweißen
kann damit innerhalb der Stationen (2, 3) in der
gleichen Taktzeit stattfinden.
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4 bis 6 zeigen
außerdem eine Bearbeitungsanlage (1) mit einer
eingangs- und ausgangsseitigen Werkstückzufuhr (44)
und Werkstückabfuhr (45). Hierfür sind
jeweils Hubförderer (46) vorgesehen, welche die
Fahrzeugkarosserie (4) bzw. die Karosserieteile, ggf. zusammen
mit dem Werkstückträger (5), greifen
und zwischen Förderebenen in unterschiedlichen Höhen
hin und her transportieren. Zwischen der Werkstückzufuhr
(44) und der ersten Bearbeitungsstation (2) kann
außerdem noch eine weitere Werkstückzufuhr (44)
mit ein oder mehreren Förderern, insbesondere Hubförderern
(47), und ein oder mehreren Handhabungseinrichtungen (48),
z. B. sechsachsigen Gelenkarmrobotern, angeordnet sein. Mit dieser
Ausführung ist es z. B. möglich, über die äußere
Werkstückzufuhr (44) die Bodengruppe zuzuführen
und auf den Förderer (7) abzusetzen. Über
die zweite Werkstückzufuhr (44) und die Hubförderer
(47) werden die Seitenwände von einer höher
gelegenen Zuführebene zugeführt und von der Handhabungseinrichtung
(48) mit Greifern aufgenommen und auf die bereitstehenden
Spannrahmen (34, 35) an den Magazinen (37)
geladen. Die Seitenwände oder Seitenwandteile werden dann
in der vorerwähnten Weise mit den Spannrahmen (34, 35)
an die Arbeitsstelle (9) zugestellt.
-
Die
Handhabungseinrichtung(en) (48) können an der
Roboterhand Wechselkupplungen zum Austausch der Greifer gegen andere
Werkzeuge, insbesondere Laserschweißwerkzeuge, haben. Hiermit können
z. B. mit dem Laserstrahl, der ggf. in der Leistung reduziert wird,
kleine Beulen oder Noppen an den Werkstückteilen, z. B.
im Bereich von später eingebrachten C-förmigen
Nahtabschnitten gesetzt werden. Hierbei werden einzelne Punkte am
Werkstückteil durch den Laserstrahl kurzzeitig erwärmt,
wodurch die besagten Beulen oder Noppen ausgewölbt werden
und Abstandshalter für Entgasungsspalte für Korrosionsschutzschichten
der Werkstückteile bilden.
-
Abwandlungen
der gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind
in verschiedener Weise möglich. Die Art und Ausbildung
sowie die Achsenzahl und die Achsenkombination der Bewegungseinrichtung
(16) kann beliebig variieren. Die Ausbildung und Zuordnung
der Fahr- und Schwenkeinheit (17, 18) kann variieren
und insbesondere umgedreht sein. Die Schwenkeinheit (18)
kann statt als kompakte Roboterhand (25) als einfache Gelenkarmeinheit
ausgestaltet sein. Sie kann auch weniger Schwenkachsen aufweisen.
Ferner ist es möglich, in die Schwenkeinheit (18)
ein oder mehrere translatorische Bewegungsachsen zu integrieren
und diese z. B. von der Fahreinheit (17) auf die Schwenkeinheit (18)
zu verlagern. In einer weiteren Abwandlung kann die in den Ausführungsbeispielen
vorhandene gerätetechnische und kinematische Trennung von
Fahr- und Schwenkeinheit (17, 18) aufgehoben werden, wobei
eine Kombieinheit mit gemischter Achsanordnung und Achskinematik
entstehen kann.
-
Ferner
kann das Gestell (19) statt als Portal als freistehende
Ständerkonstruktion ausgeführt sein. Das Gestell
(19) kann z. B. zwei getrennte seitliche Gestellebenen
besitzen, wobei auf einen Dachbereich und eine dortige Anordnung
von Laserköpfen (12) verzichtet wird. In weiterer
Abwandlung ist es möglich, im Dachbereich des Portals (19)
konventionelle Gelenkarmroboter stationär oder mittels
ein oder mehrerer Traversen (22) verfahrbar und in hängender
oder stehender Bauweise anzuordnen.
-
Ferner
kann die Spanneinrichtung (33) variiert werden. Hier können
z. B. Zusatzeinrichtungen für die Zufuhr von Schweißmitteln,
z. B. Schweißdraht, Pulver, Schutzgas oder dgl. angeordnet
sein. Ferner kann die Spanneinrichtung (33) anstelle der gezeigten
Spannrahmen (34, 35) mit Versorgungsschnittstellen
für die Betriebsmittel andere Spannmittel aufweisen. Die
Geometriebox (42) kann ferner auch im Dachbereich einen
Spannrahmen haben, der auf die beiden seitlichen Spannrahmen (34, 35) aufgesetzt
und mit diesen verriegelt ist. Ferner ist es möglich, dass
die massiven Spannrahmen (34, 35) durch Greifer
ersetzt werden, die durch eine gleiche oder ähnliche Bewegungseinrichtung
(16) wie bei den Laserköpfen (12) transportiert
werden.
-
- 1
- Bearbeitungsanlage
- 2
- Bearbeitungsstation,
Geometriestation
- 3
- Bearbeitungsstation,
Ausschweißstation
- 4
- Werkstück,
Karosserieteil
- 5
- Werkstückträger,
Palette
- 6
- Transferlinie
- 7
- Förderer
- 8
- Förderrichtung
- 9
- Arbeitsstelle
- 10
- Bearbeitungseinrichtung
- 11
- Laserbearbeitungsgerät
- 12
- Laserkopf
- 13
- Laserstrahl
- 14
- Verstelleinrichtung,
Brennweitenverstellung
- 15
- Laserquelle
- 16
- Bewegungseinrichtung
- 17
- Fahreinheit
- 18
- Schwenkeinheit
- 19
- Gestell,
Portal
- 20
- Pfosten
- 21
- Träger
- 22
- Traverse
- 23
- Schlitten,
Unterschlitten
- 24
- Schlitten,
Oberschlitten
- 25
- Roboterhand
- 26
- Antrieb
- 27
- Bewegungsachse,
Fahrachse Traverse
- 28
- Bewegungsachse,
Fahrachse Schlitten
- 29
- Bewegungsachse,
Fahrachse Schlitten
- 30
- Bewegungsachse,
Schwenkachse
- 31
- Bewegungsachse,
Schwenkachse
- 32
- Bewegungsachse,
Schwenkachse
- 33
- Spanneinrichtung
- 34
- Spannrahmen
- 35
- Spannrahmen
- 36
- Spannwerkzeug
- 37
- Magazin
- 38
- Trommel
- 39
- Drehachse
- 40
- Zustelleinrichtung
- 41
- Durchlassöffnung
- 42
- Geometriebox
- 43
- Rahmenabstützung
- 44
- Werkstückzufuhr
- 45
- Werkstückabfuhr
- 46
- Förderer,
Hubförderer
- 47
- Förderer,
Hubförderer
- 48
- Handhabungseinrichtung,
Roboter
- 49
- Strahlweiche
- h1
- Hub
ohne Rahmenwechsel
- h1
- Hub
mit Rahmenwechsel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3604470
A1 [0002]
- - JP 61-147988 A [0003]
- - US 4547885 A [0004]
- - DE 102004011769 B3 [0005]
- - DE 20306581 U1 [0006]
- - DE 202004013687 U1 [0007]
- - EP 0579160 A1 [0008]
- - DE 19713860 A1 [0009]
- - DE 202004002729 U1 [0010]