DE102004026151A1 - Bearbeitungsanordnung mit mehreren Laserköpfen zum Schneiden/Schweißen und Vibrationsregelung - Google Patents
Bearbeitungsanordnung mit mehreren Laserköpfen zum Schneiden/Schweißen und Vibrationsregelung Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung befaßt sich allgemein mit einem neuartigen automatisierten Laser-Schneid/Schweißsystem, welches derart beschaffen und ausgelegt ist, daß man beispielsweise auf verbesserte Weise geschweißte oder geschnittene Werkstücke erhält, bei denen es sich um Kraftfahrzeug-Karosserieverkleidungen, Längsträgeranordnungen oder dergleichen handeln kann. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage und ein Verfahren zur Herstellung solcher Teile, bei denen eine verbesserte Laser-Schneid/Schweißeinrichtung zum Einsatz kommt.
- Bisher wurden Werkstücke, wie Karosserieverkleidungsteile oder Längsträger, zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen dadurch hergestellt, daß das Teil entweder von einem einzigen Rohling eines duktilen Metallblechmaterials, einschließlich Stahl, ausgestanzt oder gezogen wurde, oder daß man von einer Mehrzahl von derartigen Ausgangsmaterialteilen ausging, die zuvor zusammengeschweißt wurden.
- Die Kraftfahrzeugindustrie steht unter starkem Konkurrenzdruck unter anderem im Hinblick auf die Qualität, die Rohmaterialkosten und die Herstellungszeiten, welche erforderlich sind, um ein Fahrzeug vollständig herzustellen und zu montieren. Um auf diesem Gebiet wettbewerbsfähig zu bleiben haben die Hersteller ständig zunehmend Anstrengungen unternommen, nicht nur die Materialkosten dadurch zu senken, daß man das Gewicht der Einzelteile reduziert, die Anzahl der Einzelteile reduziert und die Herstellungszeiten derselben reduziert, während zugleich die hohen Qualitätsanforderungen aufrecht zu erhalten sind. Viele Neuentwicklungen auf diesem Gebiet befassen sich mit der Verbesserung und der Automatisierung von Routineaufgaben, wie das feste Miteinanderverbinden von unterschiedlichen Bauelementen und Fahrzeugteilen, wie zum Beispiel bei Fahrzeugkarosserieteilen wie Kotflügeln, Fensterteile, Kofferraumdeckel, Motorhauben, Fahrzeugtüren und anderen weiteren Komponenten.
- Bisher wurden mehrteilige Metallblechrohteile zu einem einzigen Werkstück zusammengeschweißt, bevor diesen durch Ausstanzen ihre endgültige Gestalt verliehen wurde. Diese Rohteile wurden mit Hilfe einer Vielzahl von unterschiedlichen Befestigungstechniken hergestellt, welche chemische Verfahrensweisen, Lichtbogenverbindungsmethoden und CO2/Nd:Yag Laserschweißen, Nietverbindungen, Schraubverbindungen, Kaltumformverfahren und ähnliche Methoden umfassen können. Von besonderem Interesse in den letzten Jahren ist der Einsatz von einem effizienteren Laserschweißen unter Einsatz von CO2Nd:Yag-Lasern in automatisierten, numerisch gesteuerten Herstellungsprozessen. Dieses Laserschweißen kann eingesetzt werden, um Metallblechrohteile an einer gemeinsamen Naht miteinander zu verbinden, bei der es sich beispielsweise um eine Überlappungsschweißnaht oder eine Stumpfschweißnaht handeln kann. Stumpfschweißnähte werden häufig bevorzugt, da nur eine Naht geschweißt zu werden braucht, und zwar im Gegensatz zu einer Überlappungsschweißung, bei der im allgemeinen zwei Nähte geschweißt werden müssen.
- Laserschweißmaschinen der Bauart, mit der sich die vorliegende Erfindung befaßt, sind an sich bekannt. In der üblichsten Form weisen sie einen länglichen Hauptrahmen auf, welcher aufrecht stehende, vorderseitige oder bedienungsseitige und hintere oder trägerseitige Abschnitte hat, die im wesentlichen parallel beabstandet zueinander angeordnet sind, und dazwischen eine Schneidbearbeitungszone und eine Aufgabe/Abführungszone vorgesehen sind. Die paral lelen, aufrecht stehenden Hauptrahmenteile können im allgemeinen derart beschrieben werden, daß sie sich in Richtung der X-Achse erstrecken, während die Y-Achse quer bzw. senkrecht zu diesen Hauptrahmenteilen verläuft, und die Z-Achse vertikal hierzu ausgerichtet ist. Die Maschine ist mit einem Portal versehen, dessen Enden an aufrecht stehenden Rahmenteilen zur Bewegung längs der X-Achsrichtung angebracht sind. Das Portal trägt einen an einem Schlitten angebrachten Laserschneidkopf, welcher das Portal in der Y-Achsrichtung durchlaufen kann. Die Bewegung des Portals in X-Achsrichtung und die Bewegung des Laserkopfschlittens in die Y-Achsrichtung stellen sicher, daß der Laserschneidkopf an irgendeiner beliebigen Stelle in der Schneidbearbeitungszone der Maschine positioniert werden kann.
- CO2Yag-Laserschneidzellen, die heutzutage zur Verfügung stehen, weisen hauptsächlich einen Schneidkopf auf. Auch gibt es einige Systeme, bei denen zwei Schneidköpfe an einer einzigen Maschine vorgesehen sind. Wenn zwei Schneidköpfe an einer einzigen Maschine vorgesehen sind, treten Vibrationsprobleme bzw. Schwingungsprobleme auf, da die Start- und Anhaltemomente des einen Schneidkopfs Schwingungen bei dem anderen Schneidkopf verursachen und bewirken. Diese Vibrationen bzw. Schwingungen führen zu Zacken oder Unregelmäßigkeiten an den Schneidstellen, die sich durch die Schwingungen des Schneidkopfs ergeben.
- Bei der Erfindung wird eine Mehrzahl von Schneidköpfen in einer einzigen Schneidzelle vorgesehen, wobei die Schwingungen eines Schneidkopfes gegenüber den anderen Schneidköpfen isoliert sind.
- Die Erfindung gibt eine Laserschneidzelle oder einen Laserschneidbearbeitungsarbeitsanordnung an, bei dem mehr als ein Schneidkopf vorgesehen ist, wobei jeder Schneidkopf durch gesonderte Tragkonstruktionen abgestützt ist, um die Übertragung von Schwingungen von einem Schneidkopf zum anderen zu verhindern. Die mit mehreren Laserköpfen ausgestattete Zelle umfaßt eine Reihe von Tragkonstruktionen, die ineinander liegen/übereinander liegen zu einander angeordnet sind, so daß die Laser voneinander isoliert sind. Die X-Richtungsschienen und Laserführungen sind in der Höhe versetzt zueinander angeordnet.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung hat jeder Laserschneidkopf eine vorprogrammierte dynamische Arbeitszone, um Kollisionen mit anderen Schneidköpfen zu verhindern. Ferner haben die Laserschneidköpfe vorzugsweise eine Mehrachsbewegungssteuerung, beispielsweise Bewegungen in fünf gesteuerten Achsen.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin gilt:
-
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung einer mit mehreren Schneidköpfen ausgerüsteten Zelle, einschließlich einer Reihe von einseitigen Tragkonstruktionen, die versetzt zueinander angeordnet sind; und -
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung einer alternativen Ausführungsform einer mit mehreren Laserköpfen ausgestatteten Zelle, welche eine Reihe von zweiseitigen Tragkonstruktionen hat, die versetzt zueinander angeordnet sind. - Die Erfindung gibt eine zueinander angeordnete oder versetzt angeordnete Reihe von Portaltragteilen an, die einen Laser und Laserabgabesystem haben, die an zugeordneten, numerisch gesteuerten Schlitten bzw. verfahrbaren Einrichtungen angebracht sind. Das Portal und die Schlittenanordnungen sind derart ausgelegt und besitzen einer derartige Steifigkeit, daß sie einen Hochleistungslaser tragen können, welcher in typischer Weise in der Automobilindustrie zum Einsatz kommt. Das Portal ist mit einer Einrichtung zum schnellen Transportieren des Lasers und des Laserabgabesystems im Portalbereich versehen, wodurch ermöglicht wird, daß das Laserabgabesystem einen Laserstrahl auf irgendeine beliebige x-, y-, z-Koordinate innerhalb der Bearbeitungszelle des Portals richten kann. Das Portal kann eine numerische Steuerungkonsole haben, über welche sich die Bewegung des Schlittens und des Laserabgabesystems steuern lassen, so daß das Portal vorprogrammierte Herstellungsmethoden an den unterschiedlichen Werkstücken ausführen kann.
- Unter Bezugnahme auf die Zeichnung und insbesondere auf
1 ist eine Reihe (d.h. drei sind in1 gezeigt) von numerisch gesteuerten Portalanordnungen gezeigt, welche, wie angegeben, X-, Y- und Z-Koordinaten haben. Die Portalanordnungen sind auf einer einzigen Seite entsprechend der nachstehenden Beschreibung abgestützt, und die Anordnungen können durch ein übliches numerisches Steuerungssystem gesteuert werden, wie dies für den Fachmann an sich bekannt ist. Die Portalanordnungen haben jeweils einen x-Träger10a ,10b ,10c , welche an einem zugeordneten Endträger12a ,12b ,12c angebracht sind, die jeweils mittels einer Mehrzahl von Stützpfosten14a ,14b ,14c abgestützt sind, welche die Endträger12a ,12b ,12c und die x-Träger10a ,10b ,10c oberhalb einer Bearbeitungsstelle20 halten. Die Stützpfosten14a ,14b ,14c , die x-Träger10a ,10b ,10c und die Endträger12a ,12b ,12c sind aus einem hochsteifen Material mit so ausreichenden Abmessungen hergestellt, daß man eine starre Struktur erhält. - Aufliegend im wesentlichen senkrecht auf den x-Trägern
10y ,10b ,10c sind zugeordnete Y-Rahmen16a ,16b ,16c vorgesehen. Die Y-Rahmen16a ,16b ,16c haben zugeordnete X-Antriebseinrichtungen (nicht gezeigt), welche die Y-Rahmen16a ,16b ,16c unabhängig längs der X-Achse der Portalanordnungen bewegen. Die X-Achsantriebseinrichtung kann von einem Zahnstangentrieb nach1 gebildet werden, wobei elektrische Motoren Zahnräder längs Zahnstangen antreibend bewegen, welche längs Ausnehmungen 'g' in den x-Trägern10a ,10b ,10c angeordnet sind, oder der Antrieb kann auch auf eine andere an sich bekannte Art und Weise erfolgen, wenn die weiteren Gesichtspunkte nach der Erfindung gemäß der nachstehenden Beschreibung Berück sichtigung finden. Die X-Achsantriebseinrichtungen und die zugeordnete Steuerung stellen eine genaue Positionierung der Y-Rahmen16a ,16b ,16c bereit, da diese sich unabhängig längs der X-Achse der Portalanordnungen bewegen. - Bei der alternativen bevorzugten Ausführungsform nach
2 umfaßt die mehrere Laserköpfe umfassende Bearbeitungszelle eine Reihe von zwei seitlichen Stützkonstruktionen, welche versetzt bezüglich einander angeordnet sind, wobei die X-Achsantriebseinrichtungen von einem Laufbandantriebssystem nach2 gebildet werden können, bei dem Elektromotoren sich abwälzend bewegende Laufflächen40 antreiben, welche sich längs Laufbahnen50 bewegen, welche längs den x-Trägern110a ,110b ,110c oder auf irgendeine andere an sich bekannte Art und Weise angeordnet sind, vorausgesetzt, daß die weiteren Gesichtspunkte nach der Erfindung berücksichtigt werden. -
2 zeigt eine Reihe (d.h. drei sind in1 gezeigt) von numerisch gesteuerten Portalanordnungen, welche X-, Y- und Z-Koordinaten haben. Die Portalanordnungen sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten entsprechend der nachstehenden Beschreibung abgestützt, und die Anordnungen können mit Hilfe eines üblichen numerisch gesteuerten Systems gesteuert werden, welches für den Fachmann an sich bekannt ist. Die Portalanordnungen haben jeweils x-Träger110y ,110b ,110c , welche an einem zugeordneten Endträger112a ,112b ,112c angebracht sind, welche jeweils mit Hilfe einer Mehrzahl von Stützpfosten114a ,114b ,114c abgestützt sind, welche die Endträger112a ,112b ,112c und die x-Träger110a ,110b ,110c oberhalb einer Bearbeitungsstelle120 halten. Die Stützpfosten114a ,114b ,114c , die x-Träger110a ,110b ,110c und die Endträger112a ,112b ,112c sind aus einem hochsteifen Material mit so ausreichenden Abmessungen hergestellt, daß man eine starre Struktur erhält. - Im wesentlichen senkrecht zu den x-Trägern
110a ,110b ,110c aufliegend sind zugeordnete Y-Rahmen116a ,116b ,116c vorgesehen. Die Y-Rahmen116a ,116b ,116c haben zugeordnete x-Antriebseinrichtungen, welche die Y-Rahmen116a ,116b ,116c längs der X-Achse der Portalanordnungen unabhängig bewe gen. Die X-Achsantriebseinrichtungen und die zugeordnete Steuerung ermöglichen eine genaue Positionierung der Y-Rahmen116a ,116b ,116c , wenn sich diese unabhängig längs den x-Achsportalanordnungen bewegen. - Die X- und Y-Antriebseinrichtungen können mittels einer üblichen numerischen Steuerungskonsole (nicht gezeigt) gesteuert werden, welche die Eingabe von Daten für die Elektromotore nach Maßgabe eines Computerprogramms gestattet, welches in der Konsole eingeladen ist. Die Kombination von Antriebseinrichtungen und Konsole ermöglicht, daß der Schlitten längs einer beliebigen Reihe von x-, y-Koordinaten in der von der Portalanordnung gebildeten Bearbeitungszelle
12 ,120 nach Maßgabe von Instruktionen nach dem Steuerprogramm positioniert werden kann, wie dies an sich bekannt ist. - An dem Schlitten bzw. der Bewegungseinrichtung
30 ,130 ist ein Lasersystem40 angebracht. Das Laserabgabesystem liefert einen Laserstrahl42 , welcher auf ein Werkstück (nicht gezeigt) gerichtet ist, welches in der Bearbeitungszelle12 ,120 angeordnet ist. Das Laserabgabesystem nutzt in üblicher Weise eine Teleskopanordnung35 ,135 , in welcher eine Spiegelanordnung untergebracht ist, die den Laserstrahl42 von einer Quelle auf den Bereich in der Bearbeitungszelle12 ,120 oder auf ein Lichtleiterkabel richtet. Das Laserabgabesystem ist auch mit dem Schlitten30 verbunden. Der Laserkopf40 kann einen Laser in Form eines CO2-Lasers, eines Nd:Yag-Lasers oder dergleichen haben. - Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu ersehen, daß bei der Erfindung eine Mehrzahl von Schneidköpfen in einer einzigen Schneidbearbeitungszelle angeordnet ist, wobei Schwingungen, die von einem Schneidkopf erzeugt werden, von dem anderen Schneidkopf oder den anderen Schneiköpfen isoliert werden. Die Laserschneidbearbeitungszelle hat mehr als einen Schneidkopf in der Zelle, wobei jeder Schneidkopf von einer gesonderten Stützkonstruktion getragen wird, um eine Schwingungsübertragung von dem einen Schneidkopf auf den anderen zu verhindern. Die Bearbeitungszelle mit mehreren Laserköpfen um faßt eine Reihe von Tragkonstruktionen, welche bezüglich einander derart versetzt angeordnet sind, daß die Laser voneinander isoliert sind. Die x-Richtungsschienen und Laserführungen sind höhenversetzt angebracht. Insbesondere hat gemäß der bevorzugten Ausführungsform jeder Laserschneidkopf eine dynamische vorprogrammierte Bearbeitungszone, um eine Kollision mit den anderen Schneidköpfen zu verhindern.
- Obgleich die Erfindung an Hand von bevorzugten Ausführungsform erläutert worden ist, ist die Erfindung natürlich nicht auf die dort beschriebenen Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
Claims (5)
- Laserschweißvorrichtung zum Schweißen wenigstens eines Werkstücks, welches folgendes aufweist: eine Mehrzahl von Laserschweißköpfen (
40 ), welche derart ausgestattet sind, daß sie beweglich individuelle Laserstrahlen jeweils auf einen Bereich des wenigstens einen Werkstücks richten können; individuelle Tragkonstruktionen, welche gesondert eine jeweilige Mehrzahl von Laserschweißköpfen in einer einzigen Bearbeitungszelle (12 ,120 ) tragen, wobei die einzelnen Tragkonstruktionen unabhängige Bewegungen der jeweiligen Anzahl von Laserschweißköpfen gestatten, und wobei die einzelnen Tragkonstruktionen bezüglich einander versetzt angeordnet sind, so daß die Mehrzahl von Laserschweißköpfen in einer einzigen Bearbeitungszelle (12 ,120 ) positionierbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der weiteren Tragkonstruktionen eine einseitige Tragkonstruktion ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens einzelne Tragkonstruktion eine zweiseitige Tragkonstruktion ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserschneidköpfe (
40 ) eine fünfachsige Bewegungssteuerung haben. - Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuersystem vorgesehen ist, um eine Behinderung der jeweiligen Mehrzahl von Laserschweißköpfen (
40 ) untereinander zu verhindern.
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