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Die
Erfindung betrifft eine Tragvorrichtung zur Verbindung von Laserköpfen mit
der Hand von mehrachsigen Manipulatoren, insbesondere mehrachsigen
Robotern. Sie betrifft ferner eine mit einer solchen Tragvorrichtung
ausgerüstete
Laserbearbeitungsvorrichtung.
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Aus
der Praxis ist es bekannt, einen Laserkopf bei der Laserbearbeitung,
insbesondere beim Laserstrahlschneiden, direkt an der Hand eines mehrachsigen
Gelenkarmroboters zu befestigen und mit dem Roboter zu führen. Bei
Laserbearbeitungsaufgaben, insbesondere beim Laserstrahlschneiden, sind
sowohl hohe Arbeitsgeschwindigkeiten, wie auch große Präzision gefragt.
Wenn der Roboter den Laserkopf gegenüber einem ruhenden Bauteil
führt, sind
an der Führungsbewegung
mehrere Roboterachsen beteiligt. Dies führt zu Konflikten zwischen Geschwindigkeit
und Präzision.
Bei gesteigerter Geschwindigkeit sinkt die Präzision. Umgekehrt zwingen höhere Präzisionsanforderungen
den Roboter zu langsameren Achsbewegungen. Hierbei kann es bei manchen
Aufgaben zu Problemen mit der vorgegebenen Taktzeit kommen. Besonders
kritisch sind die Umstände,
wenn an einem Bauteil mehrere relativ kleine Konturen geschnitten
werden müssen.
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In
der Praxis ist auch eine andere kinematische Anordnung bekannt,
bei welcher der Laserkopf an einer zusätzlichen mehrachsigen Schlitteneinheit, z.B.
einem Kreuzschlitten, angeordnet ist. Die Schlitteneinheit ist mit
der Roboterhand verbunden. Der Roboter hält die Schlitteneinheit stationär an der
gewünschten
Position, wobei die Schneidkontur mit dem Laserkopf durch die Schlittenbewegung
abgefahren wird.
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In
einer dritten Variante wird der Laserkopf von einem stationären Gestell
oder dgl. relativ ortfest gehalten, während das Bauteil durch eine
entsprechende Aufnahme, z.B. einen x/y-Tisch oder -Schlitten in
ein oder zwei Achsen relativ zum Laserkopf bewegt wird. Diese Schlittenvarianten
haben zwar Vorteile für
den Arbeitsbereich und sorgen auch durch die einfacheren translatorischen
Achsen für
eine höhere
Arbeitsgeschwindigkeit und Präzision.
Auf der anderen Seite steigt aber der Bauaufwand. Außerdem müssen in
der dritten Variante bei großen
Bauteilen entsprechend große
Massen bewegt werden, was sich mindernd auf die Schnelligkeit und
Präzision
auswirkt.
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Die
DE 100 00 103 A1 zeigt
eine an einem Roboterarm montierbare Einrichtung zum Spannen und
Laserschweißen
von Blechen. An der Roboterhand wird hierfür ein zweiarmiges Gestell angeflanscht,
an dem einerseits ein Spanner und andererseits ein Laserschweißkopf montiert
sind. Der Laserschweißkopf
ist auf die Spannstelle des Spannwerkzeugs und auf hier eingespannte
Blechflansche gerichtet. Durch die Gabelform des Gestells ist der
Laserkopf seitlich versetzt zur Roboterhand angeordnet und ausgerichtet.
Das Gestell erstreckt sich von der Roboterhand ausgehend nach vorn
in Richtung der Roboter-Abtriebsachse
VI.
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Aus
der
DE 94 01 081 U1 ist
eine Schweißdrahtzuführung für einen
Festkörperlaser
bekannt, der mittels eines Gestells an einer Roboterhand angeflanscht
ist. Der Laser ist an der Frontseite der Roboterhand angeordnet
und dabei schräg
zur Handabtriebsachse VI nach vorn ausgerichtet.
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Die
US-A-5,489,758 zeigt ebenfalls einen Schweißroboter mit einem Laserkopf,
der mittels eines Gestells seitlich versetzt an der Roboterhand
angeordnet und dabei längs
der Handabtriebsachse VI nach vorn ausgerichtet ist.
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Die
JP 11 254 173 A befasst
sich mit dem Laserschweißen
von Rohren. An der Roboterhand ist ein Laserkopf mittels eines abgewinkelten
und mehrachsig verstellbaren Gestells angeordnet. Der Laserkopf
befindet sich frontal mit Abstand vor der Roboterhand und ist quer
Handabtriebsachse VI ausgerichtet. Durch diese Konstruktion des
Gestells mit Ausleger soll ein Positionieren der Roboterhand vor dem
Rohrende und eine Anordnung des Laserkopfs mit Abstand dazu im hinteren
Rohrbereich ermöglicht werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Möglichkeit
zur Verbindung von Geschwindigkeit und Präzision bei der Laserbearbeitung,
insbesondere beim Laserstrahlschneiden, aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Durch
die beanspruchte auslegerartige Tragvorrichtung und die versetzte
Anordnung des Laserkopfs an der Roboter- oder Manipulatorhand ist es möglich, den
Laserkopf durch eine Roboterbewegung mit hoher Geschwindigkeit und
Präzision
relativ zum Bauteil zu führen.
Durch den Ausleger ist es möglich,
für die
Führungsbewegung
vor allem die in der Achsreihenfolge letzten Handachsen des Manipulators
oder Roboters heranzuziehen. Durch den als Hebel funktionierenden
Ausleger genügen
kleine Achsbewegungen zur Erzeugung der gewünschten Konturen, wobei diese
Achsbewegungen schnell und mit hoher Präzision ausgeführt werden
können.
Hierbei sind außerdem
in vorteilhafter Weise die zu bewegenden Massen begrenzt, was sich
ebenfalls günstig
auf Geschwindigkeit und Präzision
auswirkt.
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Vorzugsweise
sind bei einem üblichen sechsachsigen
Gelenkarmroboter die beiden letzten Handachsen V und VI an der Führung des
Laserkopfes beteiligt. Hierfür
ist es vorteilhaft, den Laserkopf mit der Wirkachse seines Laserstrahls
quer zur letzten Handachse VI auszurichten. Der Ausleger hat hierfür eine Montageplatte
für die
Handbefestigung, die im rechten Winkel zu einer Halterung für die Laserkopfbefestigung
angeordnet ist. Durch die beanspruchte Konstruktion des Auslegers
ist eine hohe Präzision
sichergestellt. Hierfür
ist es insbesondere günstig,
wenn der Seitenarm von der Montageplatte ausgehend schräg nach hinten
sich entgegen der letzten Handachse VI erstreckt. Durch die entsprechend
rückversetzte
Anordnung des Laserkopfes lässt
sich erreichen, dass die Wirkachse des Laserstrahls den Kreuzungspunkt
der letzten Handachsen V und VI kreuzt. Hierdurch kann der Laserkopf
bei einer Bewegung um beide Handachsen V, VI sich auf einer Kugelfläche rund
um den Kreuzungspunkt bzw. die Handwurzel bewegen. Dies sorgt für vereinfachte Verhältnisse
in der Kinematik und in der Steuerung der Handachsen.
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Die
beanspruchte Tragvorrichtung kann an konventionellen Manipulatoren
oder Robotern nachgerüstet
und angebaut werden. Sie lässt
sich auch bei Bedarf gegen eine andere Ausführung austauschen. Die im Weiteren
beanspruchte Laserbearbeitungsvorrichtung besteht aus dem Manipulator
bzw. Roboter und der Tragvorrichtung nebst Laserkopf.
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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 Laserbearbeitungsvorrichtung mit
einem Roboter, einer Tragvorrichtung, einem Laserkopf und einem
Bauteil und
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2 eine vergrößerte Darstellung
der Tragvorrichtung mit dem Laserkopf sowie der Roboterhand in verschiedenen
Betriebsstellungen und abgebrochener Seitenansicht.
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Die
Erfindung betrifft eine Tragvorrichtung (1) für ein oder
mehrere Laserköpfe
(3) und eine damit ausgerüstete Laserbearbeitungsvorrichtung
(2). Der Laserkopf (3) kann in beliebig geeigneter
Weise ausgebildet und für
beliebige Laserbearbeitungsprozesse eingesetzt werden. In der bevorzugten
Ausführungsform
handelt es sich um einen Laserschneidkopf (3) und eine
Laserschneidvorrichtung (2) zum Laserstrahlschneiden von
Bauteilen (14).
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1 zeigt die Laserbearbeitungsvorrichtung
(2) in Seitenansicht. Sie besteht aus einem mehrachsigen
Manipulator (5), der in beliebig geeigneter Weise ausgebildet
sein kann. Im gezeigten und bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich
um einen mehrachsigen Gelenkarmroboter, der z.B. sechs oder mehr
Achsen hat. In der gezeigten Variante besteht der Roboter (5)
aus einem stationären Gestell,
auf dem ein Karussell um eine erste vertikale Roboterachse drehbar
gelagert ist. Am Karussell ist eine Schwinge um eine horizontale
Schwenkachse schwenkbar gelagert. Am oberen Ende der Schwinge ist
ein Roboterarm (6) um eine zweite horizontale Schwenkachse
schwenkbar gelagert. Am Ende trägt der
Roboterarm (6) eine mehrachsige Roboterhand, die im gezeigten Ausführungsbeispiel
drei Handachsen IV, V und VI aufweist. Der Abtrieb erfolgt über einen
Abtriebsflansch (8) der Hand (7), der um die letzte
Roboterachse oder Handachse VI drehen kann. Der Abtriebsflansch
(8) ist seinerseits im Handgehäuse (10) um die quer
liegende Roboterachse V schwenkbar gelagert. Das Handgehäuse (10)
kann um Roboterachse IV gegenüber
dem Roboterarm (6) drehen. Zumindest die letzten Handachsen
V,VI schneiden sich in einem Kreuzungspunkt (9), durch den
vorzugsweise auch die Handachse IV verläuft.
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Die
Laserbearbeitungsvorrichtung (2) umfasst ferner die vorerwähnte Tragvorrichtung
(1) und den Laserkopf (3). Die Tragvorrichtung
(1) ist in 2 näher dargestellt.
Sie ist als Ausleger (4) ausgebildet, der für eine seitlich
versetzte Anordnung des Laserkopfs (3) an der Roboterhand
(7) sorgt. Hierbei ist der Laserkopf (3) vorzugsweise
quer zur Hand (7) bzw. zur Handachse VI ausgerichtet. Hierfür weist
der Ausleger (4) eine Montageplatte (15) zur Befestigung
am Abtriebsflansch (8) der Hand (7) auf. Der Ausleger
(4) besitzt ferner eine Halterung (17) für den Laserkopf
(2), die quer und im rechten Winkel zur Montageplatte (15)
ausgerichtet ist. Die Montageplatte (15) und die Halterung
(17) befinden sich an den gegenüber liegenden Enden des Auslegers
(4) und sind durch mindestens einen distanzierenden Seitenarm
(16) miteinander verbunden. Der Seitenarm (16) hat
eine entsprechend zugeschnittene Form mit quer zueinander stehenden
Endkanten, in deren Bereich die Montageplatte (15) und
die Halterung (17) befestigt sind.
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Der
Ausleger (4) ist vorzugsweise als rahmenartiges Gehäuse ausgebildet
und besitzt mindestens zwei Seitenarme (16). In der bevorzugten Ausführungsform
sind diese Seitenarme (16) parallel zueinander und mit
einem solchen Abstand angeordnet, dass sie die Hand (7)
und den Laserkopf (3) zumindest bereichsweise seitlich
umgeben.
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Außerdem sind
die Seitenarme (16) durch ein oder mehrere querliegende
Zwischenplatten (18) miteinander verbunden. Diese sind
in 2 gestrichelt dargestellt.
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Der
Ausleger (4) bzw. der oder die Seitenarme (16)
erstrecken sich von der Montageplatte (15) ausgehend schräg nach hinten
gegen die letzte Handachse VI. Hierdurch wird der Laserkopf (3)
vom Abtriebsflansch (8) nach hinten versetzt angeordnet. Die
Abmessungen des Auslegers (4) werden dabei so gewählt, dass
der Laserkopf (3) in Querrichtung fluchtend unter oder
neben dem Kreuzungspunkt (9) der Handachsen V, VI angeordnet
ist. Der Kreuzungspunkt (9) wird auch als Handwurzelpunkt
bezeichnet. Der Laserkopf (3) ist dabei derart ausgerichtet,
dass die Wirkachse des austretenden Laserstrahls (12) den
Kreuzungspunkt (9) schneidet. Bei einer Bewegung der Handachsen
V und VI führt
der Laserkopf (3) eine Bewegung auf einer Kugelfläche aus,
deren Mittelpunkt im Kreuzungspunkt (9) liegt. Durch diese
achssymmetrische Anordnung können die
Bewegungen des Laserkopfs (3) über die Handachsenbewegungen
unmittelbar und ohne Berücksichtigung
von Versatzfehlern gesteuert werden. Die Steuerung der Handachsenbewegungen
erfolgt in üblicher
Weise durch die Robotersteuerung. Wie 1 verdeutlicht,
kann der Laserkopfs (3) eine Fokussieroptik oder eine ähnliche
Einrichtung zur Bündelung
des Laserstrahls aufweisen. Der Laserstrahl wird von einer Laserstrahlquelle
(11) generiert, die z.B. extern angeordnet sein kann und
die den Laserstrahl (12) über eine Laserstrahlführung (13),
z.B. ein Lichtleitfaserkabel, dem Laserkopf (3) zuführt. Die Laserstrahlquelle
(11) kann hierbei über
Strahlweichen oder Umschalteinrichtungen bzw. Strahlteiler mehrere
Laserköpfe
(3) gleichzeitig oder nacheinander beaufschlagen. In weiterer
Abwandlung ist es möglich,
eine kleinere Laserstrahlquelle (11) am Ausleger (4)
oder an anderer Stelle am Roboter (5) unterzubringen und mitzubewegen.
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1 zeigt die Laserschneidvorrichtung
(2) in Arbeitsstellung, wobei vom Laserkopf (3)
an mehreren Stellen des Bauteils (14) kleinere oder größere Konturen
mit offener oder geschlossener Form geschnitten werden. Kleine Bewegungen,
z.B. kleinere Kreise, Polygone oder dergleichen andere beliebige Konturen
können über eine
Bewegung der Handachsen V, VI präzise
und schnell geschnitten werden. Die anderen Roboterachsen können hierbei
in Ruhe sein.
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Für größere Konturen
und auch einen Versatz des Laserkopfs (3) zwischen verschiedenen
Arbeitsstellen können
auch die anderen Roboterachsen an der Bewegung beteiligt sein. Ein
solcher Einsatzfall könnte
z.B. das Ausschneiden von mehreren kleineren kreisförmigen oder
prismatischen Scheiben aus einem tafelförmigen Bauteil (14)
insbesondere einem Tafelblech sein. Außerdem können die anderen Roboterachsen
herangezogen werden um eine Schrägstellung
des Laserstrahls (12) durch die Bewegung um die Handachsen
V,VI auszugleichen. In vielen Fällen
ist dies jedoch nicht erforderlich und die Schrägstellung kann toleriert werden.
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Wenn
der Laserkopf (3) sich auf einer Kugelfläche um den
Kreuzungspunkt (9) bewegen soll, empfiehlt es sich, die
letzte Handachse VI parallel zum Bauteil (14) auszurichten.
Bei Dreh- und Schwenkbewegungen des Laserkopfes (3) und
seines emittierten Laserstrahls (12) um den Kreuzungspunkt
(9) entstehen Höhenabweichungen
ds des Laserkopfs (3) und des Laserstrahlfokus in der z-Achse quer
zum Bauteil (14). Diese Höhenabweichungen oder Höhenfehler
ds sind umso größer, je
größer der Auslenkwinkel α ist.
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Die
Höhenfehler
ds können
durch eine automatische Einrichtung zur Höhenverstellung oder Fokusnachführung kompensiert
werden, wobei diese Einrichtung in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel
des Auslegers (4) oder vom realen Abstand des Laserkopfs
(3) vom Bauteil (14) gesteuert ist. Dies kann zum
Beispiel durch einen Abstandssensor am unteren Ende des Laserkopfes
(3) geschehen, der z.B. eine in den Laserkopf (3)
integrierte Fokusnachführung
entsprechend bei Abstandsänderungen
nachsteuert und damit die Fokuslage regelt. Die Fokusnachführung kann
intern durch Veränderung
des optischen Systems oder extern, z.B. durch eine lineare Fahrachse
der Fokuseinheit geschehen. Alternativ kann die Fokusnachführung über ein
oder mehrere andere Achsen des Roboters (5) unter Messung
und Auswertung des Auslenkwinkels α geschehen.
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Die
Größe des Auslegers
(4) ist beliebig wählbar
und kann die Aufgabenstellungen angepasst werden. Hierbei kann insbesondere
der Arbeitsabstand S zwischen der letzten Handachse VI und der Oberfläche des
Bauteils (14) verändert
werden. In der Praxis sind Arbeitsabstände S zwischen 250 und 400
mm nützlich.
Vorzugsweise beträgt
der Arbeitsabstand S ca. 350 mm. 2 zeigt
in der Seitenansicht, wie eine Schwenkbewegung des Auslegers (4) um
die querliegende Handachse V zu einer Auslenkung r des Laserkopfes
(3) führt.
Bei einem Arbeitsabstand S von 350 mm führt ein Auslenkwinkel α von 1° zu einer
Auslenkung r von 6,11 mm. Ein Auslenkwinkel α von 4° bewirkt eine Auslenkung r von
24,47 mm. Die dabei entstehenden Höhenabweichungen ds bewegen
sich zwischen 0,05 und 0,85 mm. Entsprechendes gilt bei einer Drehbewegung
des Auslegers (4) und des Laserkopfes (3) quer
zur Zeichnungsebene um die letzte Handachse VI.
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Abwandlungen
der gezeigten Ausführungsform
sind in verschiedener Weise möglich.
Dies betrifft sowohl die konstruktive Gestaltung der Tragvorrichtung
(1) und des Auslegers (4), wie auch Zahl und Anordnung
sowie Ausbildung der Laserköpfe
(3). An einem Ausleger (4) können mehrere Laserköpfe (3) angeordnet
sein. Zudem kann ein Laserkopf (3) mehrere Laserstrahlen
(12) emittieren, was z.B. über einen Strahlteiler möglich ist.
Anstelle eines Laserstrahlschneidprozesses können auch andere Prozesse,
wie Laserstrahlschweißen,
Laserlöten,
Bauteilerwärmung
mit Laserstrahl, Oberflächenbearbeitung
mit Laserstrahl, z.B. Gravieren oder dergleichen ausgeführt werden.
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- 1
- Tragvorrichtung
- 2
- Laserbearbeitungsvorrichtung,
Laserschneidvorrichtung
- 3
- Laserkopf
- 4
- Ausleger
- 5
- Manipulator,
Roboter
- 6
- Roboterarm
- 7
- Hand,
Roboterhand
- 8
- Abtriebsflansch
- 9
- Kreuzungspunkt
Handachsen
- 10
- Handgehäuse
- 11
- Laserstrahlquelle
- 12
- Laserstrahl,
Wirkachse
- 13
- Laserstrahlführung, Lichtleitfaserkabel
- 14
- Bauteil
- 15
- Montageplatte
- 16
- Seitenarm
- 17
- Halterung
- 18
- Zwischenplatte
- IV
- Handachse,
Drehachse
- V
- Handachse,
Schwenkachse
- VI
- Handachse,
Drehachse
- S
- Arbeitsabstand
Handachse VI
- α
- Auslenkwinkel
- r
- Auslenkung
- ds
- Höhenabweichung,
Höhenfehler