-
Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung von Bauteilen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Löten, Schweißen und/oder Schneiden, insbesondere zum Schweißen und/oder Schneiden von zwei- oder mehrlagig angeordneten Blechbauteilen mittels Laserstrahlung sowie zum Pulverauftragsschweißen.
-
Aus der
EP 0 892 692 B1 ist eine Schweißvorrichtung zum Schweißen und/oder Schneiden bekannt, die einen Laserbearbeitungskopf, eine Führungseinrichtung und mindestens eine Andruckrolle als Anpresselement zum Spannen der zu bearbeitenden Bauteile während der Bearbeitung aufweist. Die Führungseinrichtung ist mittels einer Halterung an der Hand eines Manipulators, also eines wie auch immer ausgestalteten Industrieroboters befestigbar. Um die bekannte Schweißvorrichtung flexibler und besser handhaben zu können, ist vorgesehen, dass die Führungseinrichtung eine ein- oder mehrachsig bewegliche Stellvorrichtung aufweist, mit der der Laserbearbeitungskopf relativ zur Andruckrolle verstellbar ist.
-
Mittels der Stellvorrichtung lässt sich somit der Laserkopf, insbesondere quer oder schräg zur verfolgten Bahn verschieben, so dass es möglich ist, die Bahnbewegung des Laserbearbeitungskopfes anhand der Istlage der Schweiß- oder Schneidnaht mittels eines Nahtdetektors zu korrigieren. Hierzu sind allerdings sehr schnelle Bewegungen erforderlich, was infolge der großen Masse des Laserbearbeitungskopfes entsprechend aufwendige Antriebe für die Stellvorrichtung erforderlich macht. Schnelle Bewegungen sind jedoch nicht möglich, wenn die bewegte Masse wie beim Bewegen des gesamten Laserkopfes groß ist.
-
Aus der
DE 10 2004 007 178 A1 ist ein Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse bekannt, durch das ein Arbeitsstrahlengang für den Laserstrahl geführt ist. Als Fokussieroptik ist ein abbildender Spiegel vorgesehen, der den einfallenden Laserstrahl in einen Arbeitsfokus fokussiert, der außerhalb des Gehäuses mit Abstand dazu vorgesehen ist. Um bei dem bekannten Laserbearbeitungskopf eine Scann- oder Abtastbewegung des Arbeitsfokus 1 zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Fokussieroptik um eine Drehachse drehbar ist, die mit der optischen Achse des einfallenden Arbeitsstrahlengangs koaxial ist.
-
DE 10 2004 010 483 A1 beschreibt eine Laserschweißvorrichtung mit einem Laserkopf mit einer Laserlichtquelle, einem beweglichen Umlenkspiegel und einem Fokussystem. Ein von der Laserlichtquelle emittierter Laserstrahl wird zuerst durch den beweglichen Umlenkspiegel umgelenkt, dann durch das Fokussystem fokussiert und auf Karosserieteile gerichtet, die mit einer Spannvorrichtung in Position gehalten werden. Der Umlenkspiegel kann mit zwei separat ansteuerbaren Motoren ausgestattet sein, um den Laserstrahl in einer Arbeitsebene abzulenken.
-
DE 10 2010 029 477 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Laserfügen von Blechteilen. Die Vorrichtung weist Spannmittel zum Spannen der zu fügenden Blechteile und eine Strahlführungseinrichtung für einen Laserstrahl auf. Die Strahlführungseinrichtung weist wenigstens einen Schwenkspiegel auf, über den der Laserstrahl zu einem Bearbeitungspunkt geleitet wird.
-
DE 10 2009 051 715 A1 beschreibt einen Bearbeitungskopf zum Bearbeiten von Werkstücken. Im Bearbeitungskopf ist eine optische Einheit angeordnet, mittels welcher ein Laserstrahl auf dem Werkstück positionierbar und fokussierbar ist. Die optische Einheit umfasst zwei Spiegel und eine optische Linse. Mittels der Spiegel ist der Laserstrahl zur exakten Positionierung umlenkbar, wobei die optische Linse einen auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl fokussiert.
-
EP 1 005 944 A2 beschreibt ein Laserstrahl-Schweißverfahren für Überlappnähte. Zur Durchführung des Schweißverfahrens ist ein Fokussierspiegel quer zu einem Schweißnahtverlauf verfahrbar.
-
EP 1 716 963 A1 beschreibt eine optische Anordnung, bei der ein Ablenksystem mindestens einen drehbar gelagerten Spiegel sowie einen Antrieb für die Winkelverstellung des Spiegels umfasst.
-
DE 196 41 125 A1 beschreibt einen Elektrolyseapparat zur Herstellung von Halogengasen. Bei der Herstellung des Elektrolyseapparats wird ein Laserstrahl-Schweißverfahren verwendet. Eine verbreitete Nahtform wird dadurch erzeugt, dass ein Fokussierspiegel mit einer Amplitude von zum Beispiel 0,5 mm hochfrequent gescannt wird.
-
DE 103 55 051 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Laserstrahl schweißen, bei der die Schweißnaht verbreitert wird durch Überlagerung der Vorschubbewegung des Laserstrahls mit einer lokalen lateralen Bewegungskomponente.
-
DE 10 2004 043 076 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen eines Laserstrahlbearbeitungsvorgangs eines Schweißkopfs, bei dem, wenn zwischen zu verbindenden Werkstücken ein Spalt besteht, der Laserstrahl in einer Pendelbewegung geführt wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, bei der ein Arbeitsfokus eines Laserstrahls auf einfache Weise relativ zu einem, die zu bearbeitenden Bauteile spannenden Anpresselement verschoben werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch die Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Erfindungsgemäß ist also im Arbeitsstrahlengang eines Laserbearbeitungskopfes, der zusammen mit einem Anpresselement, insbesondere eine Andruckrolle von einem Industrieroboter entlang einer Bearbeitungslinie geführt werden kann, ein drehbarer Spiegel so angeordnet, dass der von der fokussierenden Optik erzeugte Arbeitsfokus aufgrund der Drehbewegung des Spiegels, insbesondere quer zur Vorschubbewegung von Laserbearbeitungskopf und Andruckrolle, zur präzisen Nahtverfolgung verschoben werden kann. Somit sind jetzt deutlich schnellere Bewegungen des Laserfokus (Tool Center Point TCP) als beim eingangs beschriebenen Stand der Technik möglich, da sich die bewegte Masse auf einen leichten Spiegel reduziert. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass schnellere Ablenkbewegungen des TCPs quer zur Trajektorie also zur Bewegungsbahn von Laserbearbeitungskopf und Anpresselement möglich sind.
-
Aufgrund der vergleichsweise geringen Masse des drehbaren Spiegels lassen sich sehr schnelle Auslenkbewegungen des Arbeitsfokus ausführen, so dass auch bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten eine präzise Verfolgung der Bearbeitungslinie erzielt werden kann.
-
Obwohl es grundsätzlich, insbesondere bei langen Fokussierbrennweiten möglich ist den beweglichen Spiegel in Laserstrahlrichtung hinter der fokussierenden Optik anzubringen, ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung Erfindung vorgesehen, dass der Spiegel in Laserstrahlrichtung gesehen vor der fokussierenden Optik angeordnet ist. Er ist somit im Innern des Laserbearbeitungskopfes vor Verschmutzungen geschützt.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Spiegel um eine in der Spiegelebene liegende Drehachse drehbar ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Betätigung des Spiegels. Hierbei ist die Drehachse so anzuordnen, dass sie die optische Achse der fokussierenden Optik schneidet.
-
Um eine besonders flexible Verschiebung der Fokuslage des Laserstrahls in der Wechselwirkungszone zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Spiegel um eine erste und eine zweite Drehachse drehbar ist, und dass sich die beiden Drehachsen miteinander so schneiden, dass ihr Schnittpunkt mit der optischen Achse der fokussierenden Optik zusammenfällt. Die zweite Drehachse kommt der Funktion eines Scanners gleich, daraus folgt eine Ablenkung des TCP zusätzlich in Vorschubrichtung.
-
Zu einer Realisierung der Verbreiterung einer Bearbeitungsspur ist es zweckmäßig, wenn zur Steuerung der Drehbewegung des Spiegels ein Spiegelsteuerkreis vorgesehen ist, der so ausgebildet ist, dass einem Auslenksignal zur Verfolgung einer Bearbeitungslinie ein periodisches, hochfrequentes Auslenksignal zur Verbreiterung der Bearbeitungsspur überlagert also aufmoduliert wird. Der Auslenkbewegung des Arbeitsfokus zur Verfolgung der Bearbeitungslinie kann also eine sehr schnelle periodische Auslenkbewegung überlagert werden, so dass die effektive Bearbeitungsspur eine größere Breite aufweist, als der Arbeitsfokus selber.
-
Auf diese Weise lässt sich auch mit einem kleinen, präzisen Arbeitsfokus eine Bearbeitungslinie, insbesondere eine Fügelinie oder Fügenaht bearbeiten, selbst wenn ein Spalt zwischen den zu fügenden Werkstücken breiter als der Arbeitsfokus ist. Insbesondere ist es hierbei auch möglich, wenn die Nahtverfolgungsvorrichtung nicht nur die tatsächliche Lage der Bearbeitungslinie, sondern auch gegebenenfalls die Breite eines zwischen zu fügenden Bauteilen liegenden Spalts erfasst, den Arbeitsfokus so zu führen, also so oszillieren zu lassen, dass er auch eine toleranzbedingte variierende Spaltbreite abdeckt. Somit lässt sich auch bei großen Toleranzen eine zuverlässige Bearbeitung, insbesondere ein zuverlässiges Fügen oder Schweißen von miteinander zu verbindenden Bauteilen erreichen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung;
- 2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung;
- 3 einen Laserbearbeitungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante des Arbeitsstrahlengangs in einem Laserbearbeitungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung.
-
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Elemente und Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Wie in 1 gezeigt, weist eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung von Bauteilen, hier von zweilagig angeordneten Blechbauteilen 9, einen Laserbearbeitungskopf 10 und als Anpresselement eine Andruckrolle 11 auf, die zusammen mit dem Laserbearbeitungskopf 10 zur gemeinsamen Bewegung mit diesem an einer Montageplatte 12 einer Halterung 14 angebracht ist. Anstelle der in 1 dargestellten Montageplatte 12 kann auch ein anderes geeignetes Bauelement vorgesehen sein, das gewährleistet, dass Laserbearbeitungskopf 10 und Andruckrolle 11 bei der Bewegung entlang einer Bearbeitungslinie ihre eingestellte räumliche Lage zueinander präzise beibehalten. Die Montageplatte 12 kann unmittelbar an der Hand eines Industrieroboters angebracht werden oder unter Zwischenschaltung einer Verstelleinrichtung 15, mit der die Lage von Laserbearbeitungskopf 10 und Andruckrolle 11 gegenüber der Hand eines Industrieroboters (nicht dargestellt) verstellt werden kann. Die Verstelleinrichtung 15 ist über ein weiteres Montageelement 16 und einem Verbindungsflansch 17 an der Hand des Industrieroboters anbringbar.
-
Ein aus dem Laserbearbeitungskopf 10 austretender Laserstrahl 18 wird so auf das Werkstück oder Bauteil 9 fokussiert, dass sein Arbeitsfokus definiert in der Wechselwirkungszone 19 zwischen Laserstrahl 18 und Werkstück 9 liegt.
-
Wie in 2 vereinfacht schematisch dargestellt ist, weist ein Laserbearbeitungskopf 10 ein Gehäuse 20 mit einer Einlassöffnung 21 und einer Auslassöffnung 22 auf, durch das ein Arbeitsstrahlengang 23 für den Laserstrahl 18 geführt ist. In der Einlassöffnung 21 ist eine Lichtleitfaser 24 mit ihrem Auslassende für den Laserstrahl 18 in geeigneter Weise angeordnet. Der aus der Lichtleitfaser 24 austretende Laserstrahl 18 wird auf einen im Arbeitsstrahlengang 23 angeordneten Umlenkspiegel 25 gerichtet, der den Laserstrahl 18 in Richtung einer fokussierenden Optik 26 umlenkt, die den Laserstrahl 18 in einen Arbeitsfokus 28 fokussiert, der in gewünschter Weise im Bereich der Wechselwirkungszone 19 auf das Werkstück 9 auftrifft. Um eine Verschiebung des Arbeitsfokus 28 quer zur optischen Achse 29 der fokussierenden Optik 26 zu ermöglichen, ist der Umlenkspiegel 25 beispielsweise um eine Achse 30 drehbar, wie durch den Doppelpfeil 31 angedeutet ist. Die Achse 30 steht dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel in 2 senkrecht zur Zeichenebene und schneidet die optische Achse 29. Eine Drehbewegung des Spiegels 25 um die Drehachse 30 entsprechend dem Doppelpfeil 31 bewirkt eine Verschiebung des Arbeitsfokus nach rechts oder links in 2, wie durch den linearen Doppelpfeil 32 angedeutet ist. Insbesondere bei Verwendung einer fokussierenden Optik mit langer Brennweite ist es möglich zur Strahlablenkung und somit zur Verschiebung des Arbeitsfokus oder TCPs einen Dreh- oder Pendelspiegel hinter der fokussierenden Optik anzuordnen.
-
Alternativ oder zusätzlich kann der Spiegel 25 auch um eine in der Zeichenebene liegende Drehachse 33 gedreht werden, wie durch den Doppelpfeil 34 angedeutet. Eine derartige Drehbewegung hat eine Verschiebung des Arbeitsfokus 28 in Richtung senkrecht zur Zeichenebene zur Folge.
-
Es ist aber auch denkbar, den Spiegel 25 um eine an seinem Rand, in nicht näher dargestellter Weise, angeordnete Dreh- und Schwenkachse dreh- oder schwenkbar anzuordnen. Auch mit einer solchen Anordnung ist eine Verschiebung des Arbeitsfokus 28 quer zur optischen Achse 29 möglich.
-
Wird nun die Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks oder Bauteils 9 entlang einer Bearbeitungslinie, z.B. entlang einer Fügenaht 34 in 5 geführt, so läuft beispielsweise die Andruckrolle 11 zum Spannen des Werkstücks oder Bauteils 9 entlang einer Line 35 im Wesentlichen parallel zur Fügenaht 34, während der Arbeitsfokus 28 durch seitliches Verstellen seiner Lage gegenüber der optischen Achse 29 der fokussierenden Optik 26 entlang der Fügenaht oder Fügelinie 34 geführt wird, wie dies im unteren Teil von 5 durch die Doppellinie 34, 36 angedeutet ist. Falls die Bearbeitungslinie oder Fügenaht 34 einen breiteren Arbeitsfokus erfordert als der Laserstrahl 18 mit seinem Arbeitsfokus 28 bereitstellen kann, so kann der relativ langsamen Drehbewegung des Umlenkspiegels 25 zur Nahtverfolgung eine sehr schnelle periodische Drehbewegung mit einer Auslenkung entsprechend der gewünschten Nahtbreite überlagert werden, so dass der Arbeitsfokus 28 einer periodischen, z.B. sinusförmigen Spur folgt, deren Nulldurchgänge jeweils im Wesentlichen mit der zu verfolgenden Fügenaht zusammenfallen.
-
3 zeigt einen weiteren Laserbearbeitungskopf 10, der eine Kollimatoreinheit 41, eine Dreh- oder Pendelspiegeleinheit 42, eine Umlenkspiegeleinheit 43 und eine Fokussiereinheit 44 aufweist. Um eine Nahtverfolgung in Echtzeit zu realisieren, ist ein Liniengenerator 45 vorgesehen, der z.B. mittels eines Lichtfächers 46 eine Lichtlinie 47 auf dem Werkstück 9 quer zur Bearbeitungslinie oder Fügenaht vor der Wechselwirkungszone 19 erzeugt. Die Lichtlinie 47 wird, wie später genauer erläutert, mittels einer Kamera beobachtet, um Regel- oder Steuersignale für die Lage des Arbeitsfokus 19 zu erzeugen, so dass dieser exakt der erfassten, tatsächlichen Bearbeitungslinie oder Fügenaht folgt.
-
Wie in 4 gezeigt, ist in dem Arbeitsstrahlengang 23 eines Laserbearbeitungskopfes 10 entsprechend 3 im Bereich der Kollimatoreinheit 41 eine Kollimatoroptik 50 vorgesehen, die den aus der Lichtleitfaser 24 austretenden Laserstrahl 18 kollimiert. Der parallele Laserstrahl 18' wird dann auf einen Umlenkspiegel 25 gelenkt, der, wie anhand von 2 erläutert wurde, um ein oder zwei Drehachsen gedreht werden kann. Die Dreh- oder Pendelspiegeleinheit 42 weist zur Drehung des Umlenkspiegels 25 eine Drehantriebseinheit 51 auf, die den Umlenkspiegel 25 um eine oder zwei Drehachsen so einstellt, dass der Arbeitsfokus 28 der Bearbeitungslinie oder Fügenaht 34 (5) präzise folgt. Der parallele Laserstrahl 18' wird vom drehbar gelagerten Umlenkspiegel 25 auf einen weiteren Umlenkspiegel 52 der Spiegeleinheit 43 gelenkt und von diesem dann zur fokussierenden Optik 26 reflektiert, die den parallelen Laserstrahl 18' in den Arbeitsfokus 28 fokussiert (konvergenter Laserstrahl 18). Da hier der kollimierte Laserstrahl auf den Umlenkspiegel 25 und den weiteren Umlenkspiegel 52 gerichtet ist, lässt sich die reflektierende Schicht der Spiegel einfacher herstellen, als für einen Spiegel der einen divergenten Laserstrahl umlenken muss.
-
Für die Prozessüberwachung und zur Nahtverfolgung ist einer Kamera 53 mit einem Objektiv 54 und einer strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung 55 vorgesehen, die Strahlung aus dem Wechselwirkungsbereich 19 und seiner Umgebung, insbesondere auch Strahlung von der Lichtlinie 47 zur Nahtverfolgung durch die fokussierende Optik 26 und den für diese Strahlung im Wesentlichen durchlässigen Umlenkspiegel 25 hindurch erfasst. Die Ausgangssignale der strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung 55 werden zur weiteren Verarbeitung, insbesondere für die Prozessüberwachung und die Nahtverfolgung an eine Auswerteschaltung 56 geliefert. Die Auswerteschaltung 56 liefert über den Steuersignalausgang 57 die Steuersignale für den Drehantrieb 51, die diesem über dem Signaleingang 57 zugeführt werden.
-
Zur Steuerung der Drehbewegung des Spiegels 25 ist ein Spiegel-Steuerkreis in der Auswerteschaltung 56 vorgesehen, der so ausgebildet ist, dass einem Auslenksignal zur Verfolgung einer Bearbeitungslinie ein periodisches, hochfrequentes Auslenksignal zur Verbreiterung einer Bearbeitungsspur überlagerbar ist.
-
Um weitere Prozessparameter, wie z.B. die Leistung des Laserstrahls 18 zu überwachen, können weitere Sensormodule 58 vorgesehen sein, wie zwischen der Kollimatoreinheit 41 und der Pendelspiegeleinheit 42 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
-
Wird nun bei der Bearbeitung der Laserbearbeitungskopf 10 zusammen mit der Andruckrolle 11 entlang der Bearbeitungslinie geführt, wobei die Andruckrolle 11 neben der eigentlichen Bearbeitungslinie oder Fügenaht 34 (siehe 5) entlang der Linie 35 geführt wird, so wird die Lage der Naht, also die Lage der zu fügenden Fügestelle vor dem Bearbeitungspunkt mit einer geeigneten Nahterkennungsvorrichtung, beispielsweise mit Hilfe einer von einem Liniengenerator 45 erzeugten Lichtlinie erfasst, was zweckmäßiger Weise mit einer Kamera 53 erfolgt. Aufgrund der erfassten Abweichung der tatsächlichen Lage der Fügenaht 34 von der programmierten Fügelinie wird dann der als Dreh- oder Pendelspiegel ausgebildete Umlenkspiegel 25 mit Hilfe des Drehantriebs 51 so betätigt, dass der Arbeitsfokus 28 relativ zur optischen Achse 29 der fokussierenden Optik 26 so verstellt wird, dass er exakt der tatsächlichen Fügelinie 34 folgt.
-
Wie oben erläutert, kann auch hier zur Verbreiterung der Bearbeitungslinie dem Stellsignal für den drehbaren Umlenkspiegel 25 ein hochfrequentes Signal mit kleiner Amplitude überlagert oder aufmoduliert werden, so dass eine scheinbare Verbreiterung des Arbeitsfokus 28 vorliegt.
-
Üblicherweise wird der Arbeitsfokus 28 mit Hilfe des drehbaren Umlenkspiegels 25 so verstellt, dass sein Abstand vom Andruckpunkt der Andruckrolle 11 entsprechend der Fügenaht 34 variiert.
-
Erfindungsgemäß lässt sich somit der Arbeitsfokus 28 exakt entlang einer tatsächlichen Bearbeitungslinie 34 oder Fügenaht führen, ohne dass dazu große Massen innerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung bewegt werden müssen. Somit lässt sich auf einfache Weise eine präzise Führung des Arbeitsfokus entlang einer Bearbeitungslinie, insbesondere entlang einer zu fügenden Naht führen.