ES2215939T3 - Sistema y procedimiento de soldadura por laser a distancia. - Google Patents

Abstract

Un sistema de soldadura remota por láser a distancia, que comprende un generador de haz de láser que genera un haz de láser (P) a lo largo de una dirección vertical (Z) y una unidad óptica (1) constituida por en un cabezal óptico que incluye medios de orientación de espejo (3, 4) para orientar el citado haz de láser (B) en un sector espacial (T) y medios de enfoque (6) para enfocar el haz de láser (P) en el interior del citado sector espacial (T), en el que los citados medios de orientación de espejo comprenden un espejo estacionario (3) para desviar el haz de láser (P) de la citada dirección vertical (Z) a una dirección horizontal (B), y un espejo móvil (4) que pivota en un primer eje horizontal (S) dispuesto en el plano del citado espejo móvil (4), ortogonalmente respecto a la citada dirección horizontal (B), y girando en un segundo eje horizontal (B) que coincide con la citada dirección horizontal para orientar el citado sector espacial (T) en un plano vertical, que se caracteriza porquelos citados medios de enfoque incluyen un lente de enfoque (6) dispuesto aguas arriba respecto al citado espejo estacionario (3), siendo verticalmente desplazable el citado lente de enfoque (6) en el interior del citado cabezal (1) a lo largo de la citada dirección vertical (Z), para enfocar el citado haz de láser (P) en distancias diferentes en el interior del citado sector espacial (T), aplicándose el citado cabezal óptico (1) a un robot para soldar carrocerías y componentes de vehículos a motor.

Description

Sistema y procedimiento de soldadura por láser a distancia.

Esta invención se refiere, en general, a sistemas de soldadura remota por láser de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, y a un procedimiento de soldadura remota por láser de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 7 (véase, por ejemplo, el documento US-A-4 825 036), con particular referencia a la soldadura de cuerpos de vehículos a motor y de los componentes respectivos.

Los sistemas de soldadura remota por láser actualmente conocidos comprenden un generador de haces de láser y una unidad óptica, que consiste en un banco de óptica, que comprende medios de orientación de espejos y medios de enfoque, para orientar y enfocar el haz de láser, respectivamente, en el interior de una pirámide truncada.

Generalmente se proporcionan dos soluciones para orientar el haz de láser en el interior de la pirámide truncada en tales sistemas de soldadura remota por láser de la clase conocida: en un primer caso, los citados medios de orientación comprenden dos espejos que pivotan en ejes recíprocamente perpendiculares (por ejemplo, manteniéndose cada uno de ellos en la superficie del espejo respectivo); en el segundo caso, los citados medios de orientación comprenden solamente un espejo que pivota en dos ejes recíprocamente perpendiculares (por ejemplo, manteniéndose ambos en la superficie del mismo espejo). Las oscilaciones de los espejos generalmente están controladas por sistemas galvanométricos.

En estas soluciones conocidas, la orientación espacial de la pirámide truncada para enfocar el haz y para proporcionar soldaduras de tres dimensiones (es decir, también en las superficies que se encuentran dispuestas en planos que no solamente son horizontales, sino que también se extienden en planos verticales o inclinados) suponen un numero de dificultades técnicas debido a que, ya sea el banco de óptica completo o la parte que se va a soldar, se deben mover angularmente. Alternativamente, se deben utilizar varios bancos de óptica. Además de la complejidad de construcción y los problemas relacionados con la fabricación, esto supone una redundancia de, al menos, un movimiento, debido a que el movimiento angular del banco de óptica o de los bancos de óptica o el de la parte que se va a soldar se efectúa en el mismo plano que una de las dos oscilaciones de los medios de orientación del espejo en los sistemas conocidos que se han descrito más arriba.

Por el documento US-A-4825036 se conoce un dispositivo para dirigir rayos ópticos que es especialmente adecuado para la mecanización por láser. Un dispositivo de este tipo comprende un cabezal óptico que incluye un primer espejo fijo que deflecta el haz de láser desde un eje vertical a uno horizontal, y un espejo pivotante que deflecta sustancialmente el haz de láser respecto a un eje vertical. Aguas abajo del espejo pivotante, un miembro de salida de rayos, que también es pivotante, contiene una lente de enfoque que es estacionaria con respecto al miembro de salida de rayos, para enfocar el haz de láser en una superficie. El enfoque de tres dimensiones del haz de láser requiere desplazar el cabezal óptico en su conjunto a lo largo de un eje vertical.

Ambos documentos US-A-4812613 y DE-A-3029104 muestran sistemas de guiado de haz para radiación de láser, proporcionando un medio de enfoque de haz dispuesto aguas arriba respecto al espejo de orientación de haz: en ambos casos, el medio de enfoque de haz se puede mover horizontalmente, lo cual implica una extensión considerable del sistema óptico completo en la dirección horizontal, es decir, a lo largo de la superficie de la pieza de trabajo. Una extensión de este tipo sería prácticamente incompatible con los cabezales ópticos pretendidos para la soldadura remota por láser en tres dimensiones en piezas de trabajo grandes, tales como carrocerías de vehículos a motor, las cuales, al realizar la soldadura, se mantienen necesariamente estacionarias mientras el cabezal óptico se desplaza horizontalmente.

El objetivo de esta invención es obviar este inconveniente y producir un sistema de soldadura remota por láser del tipo que se ha descrito más arriba, que puede efectuar soldadura en tres dimensiones sin la necesidad de un eje adicional para mover la unidad óptica, que consiste en un banco de óptica, mientras proporciona una precisión y fiabilidad de funcionamiento máximas.

De acuerdo con la invención, este objetivo se alcanza, esencialmente, por un sistema de soldadura remota por láser que tiene las características definidas en la reivindicación 1, y por un procedimiento de soldadura remota por láser de acuerdo con la reivindicación 7.

De acuerdo con una realización preferente de la invención, los medios de orientación comprenden un espejo estacionario para desviar el láser desde una dirección vertical a una posición horizontal, un espejo móvil que pivota en un primer eje horizontal dispuesto en el plano del citado espejo móvil ortogonalmente respecto a la citada dirección horizontal del haz de láser, y que pivota en un segundo eje horizontal que coincide con la citada dirección horizontal del haz de láser, y medios de actuación dinámica elevados para controlar los movimientos angulares del citado espejo móvil con respecto a los citados ejes primero y segundo.

En la practica, en el sistema de soldadura remota por láser de acuerdo con la invención la rotación del espejo móvil en el segundo eje horizontal coincidente con el eje del haz de láser entrante, genera el sector espacial convenientemente formado por un sector de corona, a diferencia de la configuración de pirámide truncada tradicional, orientándolo al mismo tiempo como se requiera en un plano vertical. Esto proporciona una simplificación considerable en relación con la orientación espacial del sector espacial, debido a que se evita la necesidad de un eje de movimiento controlado adicional de la unidad óptica completa o de la parte que se va a soldar.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, los citados medios de enfoque comprenden un lente de enfoque que es móvil verticalmente aguas arriba con respecto al citado espejo estacionario.

Esta solución permite ventajosamente evitar variaciones del punto enfocado de láser en la zona que se va a soldar, con lo cual se asegura una rapidez considerable en el enfoque.

El sistema de soldadura por láser de acuerdo con la invención es particularmente adecuado para ser aplicado en robots cartesianos de soldadura de carrocerías de vehículos a motor. En tales aplicaciones, el robot, por ejemplo de tipo de pórtico, actúa como un posicionador del cabezal óptico, mientras que la parte que está siendo trabajada se encuentra fija, y hace que el proceso sea más rápido al seguir continuamente el punto enfocado durante todas las fases de la soldadura, debido a que el reposicionado del cabezal óptico es realizado al mismo tiempo que la soldadura. Gracias a la posibilidad de dirigir el haz de láser enfocado en el interior del sector espacial ajustable en tres dimensiones, el sistema de soldadura remota por láser de acuerdo con la invención puede realizar soldaduras complejas, también a lo largo de la superficie o superficies verticales que sin embargo se encuentra orientadas espacialmente.

La invención se describirá a continuación, solamente a titulo de ejemplo con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La figura 1 es una vista esquemática vertical en corte transversal de un cabezal óptico que forma parte de un sistema de soldadura remota por láser de acuerdo con la invención, y

La figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de uno de los componentes del cabezal óptico en la figura 1, que ejemplariza el funcionamiento.

Haciendo referencia inicial a la figura 1, el numero 1 indica, generalmente, un cabezal óptico de un sistema de soldadura remota por láser de acuerdo con la invención. Como se ha mencionado más arriba, el cabezal óptico 1 se encuentra dispuesto convenientemente para su aplicación en un robot cartesiano para soldar carrocerías de vehículos a motor y los componentes respectivos.

El citado cabezal óptico 1 comprende una estructura 2 de columna vertical hueca, que es móvil verticalmente (eje Z) por medios que son conocidos a los especialistas en la técnica, en cuyo interior se inserta la unidad de orientación y enfoque de un haz de láser P, siendo generado el haz de láser, también de una forma conocida en la técnica anterior, por un generador de láser (no ilustrado).

El haz de láser P es dirigido en el interior de la columna 2 en una dirección vertical (eje Z) e intercepta un primer espejo reflectante 3, normalmente estacionario, que desvía el haz en la dirección horizontal (eje B).

El haz de láser P intercepta de esta manera un segundo espejo reflectante o espejo móvil 4, alojado en una porción horizontal 5 del cuerpo 2 del cabezal 1, el cual pivota en un eje horizontal contenido en su propio plano, y dispuesto perpendicularmente con respecto a la dirección horizontal B del haz de láser P. Este eje de pivotamiento está indicado con la letra de referencia S. Como claramente se muestra en la figura 1, el haz de láser P desviado de esta manera por el espejo móvil 4, que sale de la porción horizontal 5, puede girar, por ejemplo, un ángulo del orden +/- 15º, con respecto a la vertical.

De acuerdo con la característica fundamental de la invención, el espejo móvil 4 también puede girar (autónomamente o como un conjunto con la porción horizontal completa 5) en el eje horizontal B, coincidiendo con la dirección horizontal del haz de láser P reflejado por el espejo estacionario 3. Gracias a esta rotación, cuya amplitud, que en teoría es ilimitada, puede ser por ejemplo, del orden de +/- 140º, la unidad de orientación óptica formada por los espejos 3, 4 del cabezal óptico 1 dirige al haz de láser P en un sector especial, ejemplarizado por la letra de referencia T en la figura 2, orientándolo como se requiera sin limitación en un plano vertical.

El pivotamiento del espejo 4 en el eje S y la rotación respectiva en el eje B están controlados por un sistema de accionamiento de dinámica alta (solamente a titulo de ejemplo, formado por motores eléctricos directos), en lugar de un sistema galvanométrico convencional.

En una implantación de esta clase, el sector espacial T representa una conformación geométrica que es, esencialmente, un sector de corona esférica. Sin embargo, es posible una conformación diferente, por ejemplo, un cono truncado.

Dentro del sector espacial T, el haz de láser P se enfoca convenientemente a diferentes distancias para realizar la soldadura, por medio de un lente de enfoque 6 de eje vertical dispuesto en el interior de la columna 2, aguas arriba respecto al espejo estacionario 3. El lente de enfoque 6 es móvil a lo largo de una dirección L, que es paralela al eje vertical Z.

Además, el cabezal óptico 6, a su vez, es móvil a lo largo del eje vertical Z, para mover el vértice del sector espacial T verticalmente, y de esta manera, alcanzar la zona que se va a soldar también cuando esta zona se encuentra, por ejemplo, en el interior de una concavidad.

Resumiendo, el cabezal óptico 1 descrito en la presente memoria prácticamente consiste en un cabezal de columna de cuatro ejes (Z-L-B-S) cuyos movimientos están controlados por un sistema de control numérico que puede coordinar de manera programable el sistema de oscilación y rotación del espejo móvil 4 y el sistema de traslación del lente de enfoque 6 con el movimiento del robot cartesiano en el cual se encuentra dispuesto ventajosamente el cabezal óptico. Como se ha explicado, en una aplicación de este tipo, el robot, por ejemplo de tipo de pórtico, actúa como un posicionador del cabezal óptico, mientras que la parte sobre la que se está trabajando está fija, y sigue continuamente el punto enfocado durante la soldadura, haciendo el proceso mucho más rápido debido a que el cabezal óptico se reposiciona al mismo tiempo que la soldadura.

Solamente a titulo de ejemplo, en el caso de la aplicación descrita el volumen de trabajo del sector espacial T representa un lado base comprendido en el rango de 900 a 1500 mm y una altura del orden de 400 mm.

Naturalmente, se pueden implementar numerosos cambios en la construcción y realizaciones de la invención que se ha descrito en la presente memoria, sin separase de la amplitud de la presente invención, como se define por las reivindicaciones que siguen. Por ejemplo, el cabezal óptico 1 de cuatro ejes (Z-L-B-S) puede girarse en el eje vertical Z para orientar el sector esférico T no solamente de manera ilimitada en el plano vertical formado por los ejes Z y B, sino también en cualquier plano del haz de plano con el eje Z en común, haciendo que el eje del haz de láser alcance cualquier punto de la esfera cuyo centro coincide con el del espejo 3.

Claims (10)

1. Un sistema de soldadura remota por láser a distancia, que comprende un generador de haz de láser que genera un haz de láser (P) a lo largo de una dirección vertical (Z) y una unidad óptica (1) constituida por en un cabezal óptico que incluye medios de orientación de espejo (3, 4) para orientar el citado haz de láser (B) en un sector espacial (T) y medios de enfoque (6) para enfocar el haz de láser (P) en el interior del citado sector espacial (T), en el que los citados medios de orientación de espejo comprenden un espejo estacionario (3) para desviar el haz de láser (P) de la citada dirección vertical (Z) a una dirección horizontal (B), y un espejo móvil (4) que pivota en un primer eje horizontal (S) dispuesto en el plano del citado espejo móvil (4), ortogonalmente respecto a la citada dirección horizontal (B), y girando en un segundo eje horizontal (B) que coincide con la citada dirección horizontal para orientar el citado sector espacial (T) en un plano vertical, que se caracteriza porque los citados medios de enfoque incluyen un lente de enfoque (6) dispuesto aguas arriba respecto al citado espejo estacionario (3), siendo verticalmente desplazable el citado lente de enfoque (6) en el interior del citado cabezal (1) a lo largo de la citada dirección vertical (Z), para enfocar el citado haz de láser (P) en distancias diferentes en el interior del citado sector espacial (T), aplicándose el citado cabezal óptico (1) a un robot para soldar carrocerías y componentes de vehículos a motor.

2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque los medios de actuación de dinámica alta están provistos para controlar los movimientos angulares del citado espejo móvil (4), respectivamente en el citado primer eje y en el citado segundo eje (S, B).

3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 2, que se caracteriza porque el ángulo de pivotamiento del citado primer eje (S) es del orden de +/- 15º.

4. Sistema de acuerdo con la reivindicación 2 o la reivindicación 3, que se caracteriza porque el ángulo de rotación del segundo eje (B) es del orden de +/- 140º.

5. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque le citado sector espacial es un sector de corona esférica (T).

6. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque el citado cabezal óptico (1) se puede trasladar a lo largo de un eje vertical (Z).

7. Procedimiento de soldadura por láser a distancia, que comprende los pasos de generar un haz de láser (P) a lo largo de una dirección vertical entrante (Z), orientar y enfocar el citado haz de láser en un sector espacial (T) en la zona que se va a soldar, y orientar el citado sector espacial (T) en un plano vertical, en el que el citado haz de láser (P) se desvía en el interior de un cabezal óptico (1) respecto a la citada dirección vertical entrante (Z) hasta una dirección horizontal (B) y posteriormente se orienta alrededor a un primer eje horizontal (S), que es ortogonal respecto a la citada dirección horizontal (B), así como alrededor de un segundo eje horizontal (B) que coincide con la citada dirección horizontal (B), que se caracteriza porque el paso de enfoque se efectúa en el interior del citado cabezal óptico (1) aguas arriba respecto del paso de orientación y a lo largo de la citada dirección vertical (Z), para enfocar el citado haz de láser (P) a diferentes distancias en el interior del citado sector espacial (T), aplicándose el citado procedimiento a la soldadura de carrocerías y piezas de vehículos a motor por medio de un robot cartesiano que sigue continuamente el punto enfocado durante las fases de soldadura, mientras que la pieza que está siendo soldada se mantiene estacionaria.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, que se caracteriza porque la citada dirección horizontal (B) es móvil verticalmente.

9. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, que se caracteriza porque la citada dirección horizontal (B) puede girar alrededor de la citada dirección vertical (Z).

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, que se caracteriza porque el citado sector espacial es un sector de corona esférica (T).