DE102010005896A1

DE102010005896A1 - Laserschweißroboter und -verfahren sowie damit hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102010005896A1
Application number: DE102010005896A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Ing. Becker; Ulix Dr. Goettsch; Klaus Dr. Ing. Goth; Mike Dipl.-Ing. Pälmer (FH); Claus-Dieter Dipl.-Ing. Reiniger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Laserschweißroboter zum Verbinden von Bauteilen (60, 62) mittels einer Schweißnaht bereit, wobei der Laserschweißroboter eine an einem Arm des Laserschweißroboters angeordnete Laserschweißvorrichtung (1) umfasst, die eine Einkopplungsvorrichtung für Laserstrahlung und einen Laserkopf (10) aufweist, der durch einen Spiegelscanner (10) mit zumindest einem Kippspiegel (15) bereitgestellt wird, und der zumindest eine Fokussieroptik (15', 15'') mit Positioniervorrichtung umfasst und der ein Fokussieren und Positionieren des Laserstrahls (16) auf das Bauteil (62) bereitstellt. Ferner umfasst die Laserschweißvorrichtung (1) des Laserschweißroboters zumindest eine elektronische Steuerung für die den Laserkopf (10) bildenden Komponenten. Der Laserkopf (10) ist geeignet, in einem Arbeitsabstand von über 250 mm zu einer Fügestelle der zu bildenden Schweißnaht angeordnet zu sein, wobei eine Detektionsvorrichtung in oder an dem Laserkopf (10) zur Bestimmung einer Position der Fügestelle an dem Bauteil (60, 62) relativ zu einer Position eines Laserstrahlfokus (16') angeordnet ist, wobei die Detektionsvorrichtung mit der elektronischen Steuerung des Laserkopfs (10) operativ gekoppelt ist. Ferner werden Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (60, 62) offenbart, die unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Laserschweißroboters durchführbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserschweißroboter zum Verbinden von Bauteilen mittels Schweißnähten, sowie entsprechende Laserschweißverfahren und ein damit hergestelltes Bauteil.
Zur Gewichtseinsparung von Kraftfahrzeugen mit dem Ziel der Kraftstoffreduktion wird angestrebt, die Bauteile hinsichtlich ihrer Größe zu minimieren, so dass die Überstände zum Herstellen einer Verbindung mit anderen Bauteilen oftmals sehr gering sind und daher eine entsprechende Verbindungstechnik erfordern.
Eine geeignete Verbindungstechnik bietet das Laserschweißen, das hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und kurze Taktzeiten ermöglicht und das geeignet ist, Schweißnähte mit schmaler Schweißnahtform zu schaffen, da die Laserstrahlung mit einer Optik auf das Werkstück fokussiert werden kann und der Laserschweißkopf insofern vom Werkstück beabstandet sein kann. Hierbei ist die Lage des Fokus ein relevanter, die Einschweißtiefe bestimmender Faktor. Standardoptiken lassen derzeit eine Beabstandung zum Werkstück von unter 250 mm zu; eine weitere Beabstandung wirkt sich nachteilig auf die Fokussierung aus.
Aus der DE 10 2004 043 076 ist ein Verfahren zum Überwachen eines Laserstrahlbearbeitungsvorgangs bekannt, das eine Vielzahl von Prozessparametern und Prozesssignalen berücksichtigt. Hier sind eine oder mehrere Kameras am Laserkopf befestigt, der von einem Roboter bewegt wird, um die Dynamik des Roboters zu überwachen. Das Kamerasystem arbeitet hier nach dem Triangulationsverfahren und sieht Strahleinrichtungen mit einer Brennweite von unter 250 mm vor.
Die DE 20 2006 005 916 beschreibt eine Überwachungseinrichtung, die sich für Strahleinrichtungen auch mit längerer Brennweite eignet. Eine am Strahlkopf anbaubare Sensoreinrichtung erlaubt die Position des Laserstrahls und des Fokus oder Auftreffpunktes gegenüber der vorgesehenen Bahn oder Bearbeitungsstelle zu überwachen.
Aus der DE 10 2004 045 408 ist bekannt, ein Detektionssystem zur Bestimmung der Position oder Winkelausrichtung eines bewegten Laserkopfes an eine elektronische Steuerung für die Ablenkung des Laserstrahls anzuschließen. Das dort offenbarte Detektionssystem kann zwei oder mehr Kameras umfassen.
Allen diesen Vorrichtungen und Verfahren ist gemein, dass ein sehr hoher apparativer Aufwand notwendig ist, um eine hohe Genauigkeit der Schweißnaht und eine geringe Störanfälligkeit der Schweißvorrichtung zu realisieren.
So ist es ausgehend von diesem Stand der Technik Aufgabe der Erfindung, einen kompakten und robusten, vergleichsweise einfach gestalteten Laserschweißroboter zum Schweißen von Bauteilen bereitzustellen, der eine hochpräzise Fokussierung des Laserstrahls auf die Fügestelle schafft und geeignet ist, in großen Arbeitsabständen – verglichen mit den im Stand der Technik beschriebenen – zum Werkstück eingesetzt zu werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung präziser, einfach auszuführender Laserschweißverfahren, die unterschiedlichen Prozessanforderungen genügen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie dessen Weiterbildungen in den Unteransprüchen gelöst.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezieht sich auf einen Laserschweißroboter, mit dem Bauteile mittels einer Schweißnaht verbunden werden können. Dazu weist der Laserschweißroboter eine an einem Arm des Laserschweißroboters angeordnete Laserschweißvorrichtung auf. Diese verfügt zum Einen über eine Einkopplungsvorrichtung für Laserstrahlen, zum Anderen über einen Laserkopf, der durch einen Spiegelscanner mit einem, zwei oder mehr Kippspiegeln bereitgestellt wird und der zumindest eine Fokussieroptik, die mittels einer Positioniervorrichtung positionierbar ist, aufweist, so dass ein Laserstrahl mit Hilfe der vorgenannten Laserkopfkomponenten Kippspiegeln und Fokussieroptiken in der gewünschten Position positioniert und auf dem Bauteil fokussiert werden kann. Ferner umfasst die Laserschweißvorrichtung eine elektronische Steuerung, mit der sämtliche den Laserkopf konstituierende Komponenten und der Roboterarm des Laserschweißroboters gesteuert werden können. Der erfindungsgemäße Laserkopf kann selbst in einem Arbeitsabstand von über 500 mm zu der Fügestelle zur Schaffung der Schweißnaht noch hochpräzise arbeiten. Dazu weist der erfindungsgemäße Laserschweißroboter zusätzlich eine Detektionsvorrichtung auf, die in oder an dem Laserkopf, also intern oder extern, angeordnet sein kann und die der Bestimmung einer Position der Fügestelle an dem Bauteil relativ zu der Position des Laserstrahlfokus dient. Diese Detektionsvorrichtung ist mit der elektrischen Steuerung des Laserschweißroboters operativ gekoppelt, so dass etwa die Kippspiegel des Spiegelscanners in Abhängigkeit eines Detektionsergebnisses gekippt werden können, um die Position des Fokus des Laserstrahls entsprechend der bestimmten Position der Fügestelle zu korrigieren.
Der erfindungsgemäße Laserschweißroboter kann ferner über einen Steuerrechner verfügen, der mit der elektronischen Steuerung gekoppelt ist, so dass durch die Detektionsvorrichtung aufgenommene Signale umgewandelt, bewertet und zur Grundlage für Korrekturen des Laserstrahlfokus gemacht werden können.
Weiter kann zur hochpräzisen Einstellung des Laserstrahlfokus zumindest ein Kollimator von der Fokussieroptik umfasst sein, der zur geeigneten Einstellung motorbetrieben ist.
Der Spiegelscanner ist vorteilhaft als ein dreidimensional arbeitender Spiegelscanner ausgestaltet, so dass eine Laserschweißbearbeitung, verbunden mit der entsprechenden Fokussierung des Laserstrahls, in alle Raumrichtungen möglich ist, auch ohne eine Richtungsänderung des Roboterarms.
Bei der erfindungsgemäß einzusetzenden Detektionsvorrichtung kann es sich um grundlegend unterschiedliche Vorrichtungen handeln: Eine geeignete Detektionsvorrichtung wird durch eine Kamera, insbesondere durch eine CMOS, eine CCD oder eine Videokamera repräsentiert. Diese weist eine Schnittstelle zu einem Bildauswertungssystem auf; entsprechende Bildauswertungssysteme können unter Umständen bereits vom Prozessor der Kamera umfasst sein, so dass eine Bildauswertung unmittelbar der elektronischen Steuerungsvorrichtung des Laserkopfes zur Verfügung gestellt werden kann. Der Strahlengang der Kamera, wenn diese intern innerhalb des Laserkopfes angeordnet ist, kann dabei so eingestellt sein, beziehungsweise kann die Anordnung der Kamera so gewählt sein, dass der Strahlengang der Kamera, also der Detektionsstrahlengang, den Strahlengang des Laserstrahls des Spiegelscanners zumindest teilweise nutzt und durch einen teildurchlässigen Spiegel durch den motorisierten Kollimator der Fokussieroptik auf die Fügestelle an dem Bauteil gerichtet ist, so dass die Kamera vorteilhaft ein Bild der Position an dem Bauteil aufnehmen kann, die der Position des Laserstrahlfokus entspricht.
Die Detektionsvorrichtung kann zusätzlich oder alternativ zu der Kamera, die eine spezielle Ausführung einer optischen Detektionsvorrichtung darstellt, ferner durch einen optoelektronischen Sensor, einen nicht-optischen Sensor, dessen Messprinzip auf Radiowellen, Mikrowellen, Terahertzstrahlung oder Ultraschall basiert, bereitgestellt werden, oder sie kann ein Sensor sein, der Druck aufnimmt. Ein derartiger Sensor kann durch eine taktile Tastspitze bereitgestellt werden. Generell können die Sensoren der Detektionsvorrichtung über einen Signalwandler operativ mit der elektronischen Steuerung des Laserschweißroboters gekoppelt sein. Im Falle einer taktilen Tastspitze zum Beispiel wird über den Signalwandler ein aufgenommener Druck in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann von der elektronischen Steuerung des Laserschweißroboters beziehungsweise des Laserkopfes verarbeitet werden kann.
Weiter kann der Laserschweißroboter über eine Zusatzdraht-Zuführeinrichtung verfügen, so dass vorteilhaft die Schweißnaht unter Zuführung von zusätzlichem Material ausgeführt werden kann: Damit wird quasi ein Lötverfahren ausgeführt. Besonders geeignet ist eine Zusatzdrahtzuführeinrichtung, die eine Vorspannung des Zusatzdrahtes gegenüber dem Bauteil bereitstellt. Die derartige erfindungsgemäße Zusatzdrahtzuführeinrichtung kann an dem Laserschweißroboter, insbesondere an dessen Laserkopf angeordnet sein. Vorteilhaft kann dieser Zusatzdraht gleichzeitig als die taktile Tastspitze genutzt werden, dafür ist die Anordnung der Zusatzdrahtzuführeinrichtung an dem Laserkopf schwenkbar beweglich und taktil oder fest und starr ausgeführt ist.
Die an der Fügestelle auszuführende Schweißnaht kann eine Überlappnaht oder eine als Kehlnaht oder Teil-Kehlnaht ausgeführte Stepp- oder eine Stichnaht sein.
Unter „Fügestelle” wird vorliegend die Stelle verstanden, an der die Bauteile zusammengefügt werden sollen. Dabei kann vorliegend die Fügestelle an einem Überlappstoß der Bauteile so vorliegen, dass eine Flanschbreite der sich überlappenden, den Überlappstoß bildenden Bauteile eine Breite von unter 8 mm, sogar von unter 6 mm aufweisen kann, wobei eine Flanschbreite nutzbar ist, die die üblicherweise notwendigen Maße, etwa beim Widerstandspunktschweißen oder beim konventionellen Laserstrahlschweißen bei weitem unterschreitet. So ergibt es sich, dass an dem Überlappstoß ein Überstand des Bauteilflansches, der über den Flansch des anderen Bauteils hinausragt, mit einer Fügekante von gegebenenfalls unter 2 mm, sogar möglicherweise unter 1,5 mm ausreicht, um eine erfindungsgemäß zu fertigende Schweißnahtverbindung zuverlässig, präzise und stabil herzustellen.
So können mit dem erfindungsgemäßen Laserschweißroboter Laserschweißverfahren zur Lösung unterschiedlicher Laserschweißaufgaben bereitgestellt werden.
Generell umfasst ein erfindungsgemäßes Laserschweißverfahren zum Verbinden von Bauteilen mittels zumindest einer Schweißnaht, zu welchem Zweck ein Laserschweißroboter eingesetzt wird, die Schritte des Erfassens einer Ist-Position einer Fügestelle, bevor das Schweißen dieser Fügestelle erfolgt. Das Erfassen wird von einer Detektionsvorrichtung durchgeführt, die mit einer an dem Laserschweißroboter vorliegenden elektronischen Steuerung operativ gekoppelt ist. Nachdem die Ist-Position der Fügestelle erfasst ist, wird sie in einem weiteren Schritt in Bezug zu einer in der elektronischen Steuerung gespeicherten Sollposition der Fügestelle durch die elektronische Steuerung ausgewertet, und falls Abweichungen zwischen der erfassten Ist-Position und der gespeicherten Sollposition festgestellt werden, erfolgt in einem dritten Schritt ein Korrigieren von Steuerungsparametern eines Laserkopfes des Laserschweißroboters durch die elektronische Steuerung. Mit diesen korrigierten Steuerungsparametern wird dann der Laserkopf in einem vierten Schritt angesteuert, so dass der Laserstrahl entsprechend der Ist-Position der Fügestelle positioniert und fokussiert wird, indem der oder die Kippspiegel, die der Laserkopf des Laserschweißroboters umfasst, den Laserstrahl an die tatsächliche Position der Fügestelle exakt lenkt. Somit kann ein exaktes Schweißen der Fügestelle durch den in der Ist-Position der Fügestelle positionierten fokussierten Laserstrahl in einem fünften Schritt erfolgen.
Die Detektionsvorrichtung kann, wie oben ausgeführt, eine Kamera und zusätzlich oder alternativ ein optoelektronischer Sensor, ein nicht-optischer Sensor, dessen Messprinzip auf Radiowellen, Mikrowellen, Terahertzstrahlung oder Ultraschall basiert, oder auch ein Druck aufnehmender Sensor sein, wobei die Sensoren jeweils über einen passenden Signalwandler oder im Falle der Kamera über ein Bildauswertungssystem mit der elektronischen Steuerung des Laserschweißroboters gekoppelt sind.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Detektionsvorrichtung ausgeführt werden, die außerhalb des Laserkopfes angeordnet ist, jedoch von dem Laserschweißroboter noch umfasst sein kann. Dazu kann dieser weitere Arme oder Halterungen zur Positionierung der Detektionsvorrichtung aufweisen.
So kann in bestimmten Ausführungsvarianten des Laserschweißverfahrens die Detektionsvorrichtung eine Kamera und ein dazugehöriges Bildauswertungssystem umfassen.
Insbesondere bevorzugt ist dabei eine intern des Laserkopfs angeordnete, schon vorhandene Prozesskamera, mit der der Schweißvorgang einer Fügestelle beobachtet werden kann. Vorteilhaft wird dazu ein Strahlengang der Kamera durch einen in einem Strahlengang eines Laserstrahls angeordneten teildurchlässigen Spiegel des Laserkopfs bereitgestellt, so dass der Strahlengang der Kamera teilweise dem Strahlengang des Laserstrahls entspricht und entsprechend dem positionierten fokussierten Laserstrahl auf das Bauteil gerichtet ist.
Bei der Verwendung dieser internen Prozesskamera als Detektionsvorrichtung, die ferner über ein geeignetes Bildauswertungssystem verfügt und mit der elektronischen Steuerung des Laserschweißroboters gekoppelt ist, kann das erfindungsgemäße Erfassen der Ist-Position der Fügestelle die Schritte des Aufnehmens eines Bildes der Fügestelle durch die Kamera und des Auswertens des durch die Kamera aufgenommenen Bilds der Fügestelle mittels des Bildauswertungssystems umfassen, woraus die Ist-Position der Fügestelle ermittelt wird.
Dabei kann eine Ausführungsform des Laserschweißverfahrens unter Ausführung einer sogenannten „Offline-Positionserkennung” durchgeführt werden. Dazu werden die folgenden Schritte ausgeführt: Zunächst wird die Stelle, an der die Bauteile zusammengefügt werden sollen, mit der internen Prozesskamera aufgenommen. Sodann werden die so vor dem Schweißvorgang durch die Kamera aufgenommenen Bilder mittels eines Bildauswertungssystems hinsichtlich der Ist-Position der Fügestellen in Bezug auf die für diese Fügestelle gespeicherte Sollposition ausgewertet und es erfolgt, basierend auf der festgestellten Ist-Position, die Korrektur der Steuerungsparameter zur Positionierung des Laserstrahlfokus entsprechend der festgestellten Fügestellen-Ist-Position, so dass der Schweißvorgang präzise ausgeführt werden kann.
Dies kann auch für sämtliche Fügestellen respektive Schweißnähte zweier zu verbindender Bauteile durchgeführt werden, indem entsprechend einer vorab bestimmten und in der elektronischen Steuerung gespeicherten Reihenfolge der Fügestellen, beziehungsweise deren Sollpositionen für jede einzelne Fügestelle das erfindungsgemäße Erfassen der Ist-Position durch Aufnehmen eines Bildes und dessen Auswertung durchgeführt wird, die festgestellten Ist-Positionen für jede Fügestelle gespeichert und anschließend die Steuerungsparameter korrigiert werden und der Laserstrahl entsprechend exakt an die Ist-Positionen gelenkt wird, so dass dort das Schweißen vorgenommen werden kann.
Alternativ können durch die erfassten Ist-Positionen der Fügestellen auch schon die korrigierten Steuerungsparameter berechnet werden, und diese dann gespeichert werden, worauf sich dann lediglich noch das exakte Positionieren des Laserstrahls und der Schweißvorgang für jede Fügestelle anschließen; es wird dabei sozusagen vor dem Schweißen aller Fügestellen eine „Lernfahrt” des Laserschweißroboters ausgeführt.
Damit wird bereits vor der Ausführung des Laserschweißens im Vorfeld ein Ist-Positionsverlauf der vorgesehenen Schweißnaht festgestellt und sich eventuell ergebende Korrekturen, wenn der Ist-Positionsverlauf von einer gespeicherten Programmierung der Laserführung entsprechend eines Sollpositionsverlaufs abweicht, werden in die Software zur Führung des Kopfes, beziehungsweise zur Positionierung und Fokussierung des Laserstrahls eingepflegt. Es erfolgt keine Online-Korrektur, während der Schweißvorgang ausgeführt wird.
Ein alternatives Laserschweißverfahren ebenfalls unter Verwendung der internen Prozesskamera wird in-line ausgeführt, dabei wird während des Schweißprozesses einer ersten Fügestelle eine zweite Fügestelle erfasst, beziehungsweise deren Ist-Position festgestellt. Diese zweite Fügestelle kann eine in der Reihenfolge der Fügestellen beliebige nach der ersten Fügestelle zu schweißende sein.
Zu diesem Zweck wird wenigstens einer der Kippspiegel derart betätigt, dass sich ein von ihm ausgehender Strahlengang abwechselnd auf die momentan zu schweißende erste Fügestelle und auf eine als nächste oder später zu schweißende zweite Fügestelle zur Erfassung deren Ist-Position richtet und somit ständig und schnell zwischen den Verfahrensschritten des Schweißens einer ersten Fügestelle und des Erfassens der Ist-Position einer zweiten Fügestelle umspringt.
So ist es möglich, die vorgenannten Schritte für eine Reihenfolge von Fügestellen in einer vorbestimmten Reihenfolge auszuführen. Darunter wird verstanden, dass entweder die Fügestellen, die entlang einer Werkstückkante zur Ausführung von Steppnähten ausgeführt werden sollen, durch die Kamera aufgenommen werden, oder dass sämtliche Fügestellen eines Bauteils im Vorfeld durch die Kamera detektiert und auf die vorbeschriebene Weise abgenommen werden. Dabei werden die auf der Bildauswertung basierenden vorbestimmten Soll-Positionen der Schweißnaht und die Steuerungsparameter für die elektronische Steuerung des Laserkopfes für jede Fügestelle gespeichert und es kann das Ausführen des Schweißvorgangs an jeder Fügestelle gemäß einer vorbestimmten Reihenfolge zur Erstellung der Schweißnähte erfolgen.
Wenn dabei wie im Falle einer internen Kamera der Strahlengang der Kamera mit dem des Spiegelscanners teilweise übereinstimmt, werden die Scannerspiegel zunächst auf jede einzelne der vorzunehmenden Fügestellen gerichtet, so dass die Kamera die Bilder davon entsprechend dem durch die Scannerspiegel eingestellten Strahlengang über den halbdurchlässigen Spiegel aufnehmen kann. Dann erfolgt die Ermittlung der Korrekturwerte auf die vorbeschriebene Weise nach der Bildaufnahme mittels der Kamera. Dabei können die Fügestellen sozusagen in Reihe abgearbeitet werden, es ist durchaus möglich, auch Fügestellen auszulassen und etwa zunächst eine Schweißung auszuführen, dann zur nächsten Fügestelle zu springen und erneut zu Schweißen.
Das korrigierende Führen des Laserstrahlfokus erfolgt während des Schweißvorgangs entlang der Fügestellen, indem die online ermittelten Korrektursteuerungsparameter ständig dem Laserkopf zum Ausführen des Schweißvorgangs zur Verfügung gestellt werden. Dabei wird sozusagen eine Online-Positionserkennung über die interne Prozessbeobachtungskamera ausgeführt und die Laserscannerspiegel werden zur Lagekorrektur genutzt.
Ein weiteres alternatives Verfahren zur Ausführung des Laserschweißens zum Verbinden von Bauteilen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Laserschweißroboters verwendet als sensorischen Teil der Detektionsvorrichtung eine taktile Tastspitze und umfasst zur Erfassung der Ist-Position der zu schweißenden Fügestelle die Schritte des Führens der Tastspitze entlang der Schweißnaht und Abtasten einer Fügestelle, die gemäß der Reihenfolge der Fügestellen eine nachfolgende Fügestelle ist, während der Schweißvorgang an der aktuellen Fügestelle durchgeführt wird. Die nachfolgende Fügestelle kann sich dabei unmittelbar örtlich an die aktuelle Fügestelle anschließen, sie kann aber auch eine gemäß der Reihenfolge später zu schweißende Fügestelle sein. Das Feststellen der Ist-Position der abgetasteten Fügestelle kann einerseits durch ein Umwandeln der durch die Tastspitze aufgenommenen Signale in elektronische Signale erfolgen, alternativ oder zusätzlich kann die Tastspitze, die der Schweißnaht entsprechend dem tatsächlichen Ist-Verlauf der Fügestellen folgt, jedoch auch mit einer Kamera aufgenommen werden, und das aufgenommene Bild der Tastspitze kann durch ein geeignetes Bildauswertungssystem ausgewertet werden, so dass die Ist-Position der Fügestelle anhand der Tastspitze festgestellt wird.
Basierend auf dieser festgestellten Ist-Position kann der Fokus des Laserstrahls fortwährend korrigiert werden, indem die erforderlichen Steuerungsparameter korrigiert und an die elektronische Steuerung des Laserkopfes übermittelt werden. So erfolgt das korrigierende Führen des Laserstrahlfokus entlang der Fügestellen durch Bereitstellen der berechneten Korrektursteuerungsparameter an den Laserkopf online.
Eine weitere alternative Verfahrensführung bezieht sich auf die Verwendung von Zusatzmaterial beim Verbinden der Bauteile, so dass es sich um eine Lötverbindung handelt. Die Verfahrensschritte entsprechen denjenigen des Laserschweißverfahrens, wobei hier vorteilhaft der zum Löten notwendige Zusatzdraht gleichzeitig die taktile Tastspitze bilden kann. So kann auch hier gemäß den vorbeschriebenen Verfahren die Drahtspitze selbst als Detektionsvorrichtung genutzt werden und eine taktile Nahtführung bereitstellen. Die Bewegung der Drahtspitze oder die Zuführung des Drahtes kann etwa durch Druckmessung erfasst werden, so dass Korrekturwerte zur Fokussierung beziehungsweise Positionierung des Laserstrahls durch die Scannerspiegel bereitgestellt werden.
Alternativ kann die interne Kamera, die den Strahlengang des Scannerspiegels mit nutzt, oder eine externe Kamera, die Position der Drahtspitze im Scannfeld erfassen. Mittels einer Online-Bildverarbeitung kann ein Korrekturwert für die Position des Laserfokus erzeugt werden. Die erhaltenen Korrekturwerte werden der Steuerungsvorrichtung des Laserkopfes zugeführt, mittels der der Kollimator und die Scannerspiegel eingerichtet werden, und genutzt, um Position und Fokus des Laserstrahls in Bezug zu der Drahtspitze, die taktil dem exakten Schweißnahtverlauf nachgeführt wird, zu korrigieren.
Der Zusatzdraht kann durch eine geeignete Zusatzdrahtzuführeinrichtung bereitgestellt werden, die eine Vorspannung des Zusatzdrahts gegenüber dem Bauteil bereitstellen kann. Das Löten der Fügestelle erfolgt durch das erfindungsgemäße korrigierende Positionieren und Fokussieren des Laserstrahls an der an der Fügestelle mit der dort angeordneten Zusatzdrahtspitze.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichtertem Verständnis des Gegenstandes. Gegenstände oder Teile von Ge genständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1a eine perspektivische Ansicht auf eine durchgehende Kehlnaht (Strichnaht),
1b eine perspektivische Ansicht auf eine gesteppte Kehlnaht,
2a eine Seitenansicht eines Laserkopfs mit einer Tastspitze,
2b eine Seitenansicht eines Laserkopfs mit externer Detektionsvorrichtung,
3 eine perspektivische Ansicht eines Bauteil, während ein Schweißvorgang aus geführt wird,
4 eine Tastspitze in einer Kehlnaht.
Die vorliegende Erfindung beschreibt Ausführungsformen eines Laserschweißroboters, mit dem Bauteile mittels einer Schweißnaht verbunden werden können. Dazu weist der Laserschweißroboter eine an einem Arm des Laserschweißroboters angeordnete Laserschweißvorrichtung 1, wie sie in 2a und 2b zu sehen ist, auf. Diese umfasst eine Einkopplungsvorrichtung für Laserstrahlung, mit der die im Laser erzeugte Laserstrahlung in den Laserkopf 10 überführt wird. Der Laserkopf 10 ist in diesem Fall als Spiegelscanner 10 ausgebildet, der zwei Kippspiegel 15 umfasst, von denen ein Kippspiegel 15 in der schematischen Ansicht zu sehen ist. Der Laserkopf 10 umfasst ferner eine Fokussieroptik mit einer Positioniervorrichtung zum Fokussieren und Positionieren des Laserstrahls 16 auf das Bauteil 62, die vorliegend durch zwei Linsen 15', 15'' symbolisiert ist, wobei vorzugsweise zumindest die Fokussieroptik 15' durch einen motorbetriebenen Kollimator bereitgestellt wird. Ferner umfasst die Laserschweißvorrichtung 1 eine (nicht dargestellte) elektronische Steuerung, mit der die Kippspiegel 15 des Spiegelscanners 10 und die Fokussieroptiken 15, 15'' gesteuert werden können.
Der Laserkopf 10 des erfindungsgemäßen Laserschweißroboters selbst wird ebenfalls von der elektronischen Steuerung mittels des Roboterarms bewegt und kann vorteilhaft in Arbeitsabständen von über 500 mm über die Fügestellen bewegt werden, so dass auch komplexe Bauteilgeometrien, in die der Laserkopf 10 nicht eingeführt werden kann, laserschweißbearbeitet werden können, da bei einer Beabstandung von 200, 300 mm, sogar 500 mm oder größeren Abständen der zum Schweißen benötigte Laserstrahl punktgenau auf das Bauteil fokussiert werden kann.
Ferner ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Detektionsvorrichtung vorgesehen, die in oder an dem Laserkopf angeordnet sein kann. Diese dient der Bestimmung der Position der Fügestelle an dem Bauteil relativ zu dem Laserstrahlfokus. Die Detektionsvorrichtung ist mit der elektronischen Steuerung des Laserkopfes operativ gekoppelt, so dass durch die Detektionsvorrichtung ermittelte Signale durch einen vorteilhaft umfassten Steuerrechner validiert werden können. Falls ermittelt wird, dass die Lage der Fügestelle von einem für den Laserstrahlfokus vorgegebenen Zielwert abweicht, so kann durch die Übermittlung entsprechender Korrekturwerte an die elektronische Steuerungsvorrichtung des Laserkopfes eine Korrektur der Position des Laserstrahlfokus' erfolgen. Die Position des Laserstrahlfokus' wird entsprechend durch die Neigung der Kippspiegel und die Positionierung der Fokussieroptik-Komponenten eingestellt.
Die Fokussieroptik kann einen Kollimator umfassen, so dass durch den Motorbetrieb des Kollimators und die elektronisch gesteuerten Kippspiegel der scharf gebündelte Laserstrahl blitzschnell von einer Fügestelle zur anderen gerichtet, oder dass der Fokus beziehungsweise dessen Position am Bauteil korrigiert werden kann. So kann der Laserschweißkopf am Arm des erfindungsgemäßen Laserschweißroboters über die Bauteile hinweg geführt werden und in extrem kurzer Zeit Schweißnähte höchster Qualität an unterschiedlichen Bauteilabschnitten ausführen.
Abhängig von der Gestaltung und der Ansteuerungsmöglichkeit der Kippspiegel des Spiegelscanners arbeitet dieser als 3D-Spiegelscanner.
Als Detektionsvorrichtung kommt eine Kamera wie eine CMOS, CCD oder eine Videokamera in Frage; diese umfasst eine Schnittstelle an ein Bildauswertungssystem, so dass aufgenommene Bilder von Fügestellen oder Schweißvorgängen online ausgewertet werden können, wobei die vorgesehenen Speichermedien aufgenommene Ist-Werte mit Soll-Werten abgleichen können. Hieraus resultiert die Bereitstellung von Korrekturwerten. Diese werden der elektronischen Steuerung des Laserkopfes zur Verfügung gestellt.
Die Kamera kann als eine interne Detektionsvorrichtung in den Laserkopf integriert sein, so dass ihr Strahlengang dem des Spiegelscanners im Wesentlichen folgt, wobei der Strahlengang zur Kamera durch einen teildurchlässigen Spiegel von dem Laserstrahlengang getrennt wird, und wie dieser über die Kippspiegel und den motorisierten Kollimator der Fokussieroptik auf die Fügestelle gerichtet ist. Es ist ebenfalls denkbar, die Kamera extern an einem Flansch des Roboterarmes anzuordnen und die Bildaufnahme und -auswertung wie vorbeschrieben auszuführen.
Neben einer Kamera als optische Detektionsvorrichtung, die als Bildsensor Bildaufnahmen der zu schweißenden Fügestellen erfasst, die mittels Bildauswertung verarbeitet werden, ist auch der Einsatz von optoelektronischen Sensoren denkbar, die optisch erfassbare Informationen der Fügestellen, beispielsweise ein an den Fügekanten abweichendes Reflexionsverhalten, in elektronisch verwertbare Signale umwandeln.
Eine weitere alternative Detektionsvorrichtung stellt ein nicht-optischer Sensor dar. In Frage kommt hierbei eine taktile Tastspitze, die Druckwerte aufnehmen kann, welche über einen Signalwandler, der der Umwandlung von Drucksignalen in elektronische Signale dient, mit der elektronischen Steuerung des Laserkopfes operativ gekoppelt ist. Als taktile Tastspitze kann auch unmittelbar ein Zusatzdraht genommen werden: Das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren, das zum einen ohne zusätzlich zuzuführendes Material ausgeführt werden kann, kann in bestimmten Fällen auch unter Zufuhr eines Zusatzdrahtes als Lötverfahren ausgeführt werden. Dann kann eine entsprechende Zusatzdrahtzuführeinrichtung vorgesehen sein, die vorteilhaft den Zusatzdraht derart vorspannt, dass dieser gegenüber dem Bauteil eine definierte Vorspannung aufweist. Eine solche Zusatzdrahtzuführvorrichtung kann an einem Flansch des Laserschweißroboterarmes oder vorteilhaft unmittelbar an dem Laserkopf angeordnet sein. Damit eine derartige Zusatzdrahtzuführung zur Ausführung eines Abtastvorgangs mit Hilfe des Zusatzdrahts als taktile Tastspitze dem Verlauf der Fügestelle folgen und Verlaufsabweichungen ausgleichen kann, kann sie flexibel an dem Laserschweißroboter vorgesehen sein und eine Auslenkbarkeit in zwei Raumrichtungen bereitstellen. Eine federnde Anordnung ist ebenfalls denkbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Laserschweißroboter können durch eine Folge von Stepp- oder Stichnähten umgeformte Stahlbauteile entlang eines Flanschbereiches mittels Laserstrahlschweißen verbunden werden. Vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Reduktion des Gewichts der Bauteile, indem sie erlaubt, auch Flanschbreiten von unter 6 mm durch Laserschweißen miteinander zu verbinden, während die üblichen Flanschbreiten etwa 16–22 mm betragen.
So kann der in 1a oder 1b dargestellte obere Flansch 61 des anzuschweißenden Bauteils 60 eine Breite von nur 2 mm nach Radienauslauf haben. Die Flanschbreite des von der Laseroptik weiter entfernten Flansches 63 des darunter angeordneten Bauteils 62, liegt hier bei etwa 5 mm nach Radienauslauf, wobei die beiden Bauteile 60, 62 derart überlappen, dass der untere Flansch 63 ca. 2 mm über den obenliegenden Flansch 61 herausragt. Beim Verbinden der Bauteile 60, 62 müssen die einzelnen Stepp- bzw. Stichnähte als Kehlnähte 70, 70'' am Überlappstoß aufgebracht werden. Um eine durchgehende und beide Flansche 61, 63 durchgängig miteinander verbindende Naht 70, 70'' zu erhalten, muss der Laserfokus unmittelbar am Rand bzw. an der Kante 70 des obenliegenden Flansches 61 entlang geführt werden. 1a zeigt eine durchgehende Steppnaht als Kehlnaht 70', über die die Bauteile 60 und 62 miteinander verbunden werden. In 1b ist eine Stich-Kehlnaht 70'' zur Verbindung der Bauteile 60, 62 dargestellt.
So kann der Flansch der verschweißten Bauteil 60, 62, wie er in 1a und 1b gezeigt ist, eine Gesamtbreite von 5 bis 6 mm aufweisen, wobei der untere Flansch 63 den oberen um lediglich 1,5 bis 2 mm überragt; in der gebildeten Kante 70 kann nunmehr durch Laserschweißen eine Stepp- oder Strichnaht 70, 70'' als Kehlnaht die Verbindung der beiden Bauteile 61 und 62 bereitstellen. Dazu wird der Laserfokus unmittelbar am Rand, beziehungsweise an der Kante 70 des oberen Flansches 61 geführt. Um weiter Material zu sparen, kann die Kehlnaht als nicht-durchgängige Naht, also als Stichnaht 70'' ausgeführt werden, so dass die Nahtlänge pro Stricht ca. 20 mm umfasst und zwei benachbarte Strichnähte um ca. 20 mm voneinander beabstandet sein können, s. 1b.
Zur Ausführung des Laserschweißverfahrens erweist es sich als vorteilhaft, Materialien wie beispielsweise elektrolytisch verzinkte oder feuerverzinkte Bleche zu verwenden; diese können Blechdicken im Bereich von einigen mm bis hin zu mehreren cm aufweisen, vorliegend hat das in 1a und 1b dargestellte Bauteil 60 eine Dicke von 0,8 mm, wohingegen das Bauteil 62 eine Blechdicke von 1,0 mm aufweist. Zur Ausführung der erfindungsgemäßen Schweißverfahren, die nachfolgend beschrieben werden, können die zu verschweißenden Bauteile 60, 62 durch Spanner fixiert werden und die zu schweißenden Flanschbereiche 61, 63 der Bauteile 60, 62 können durch Spannerfinger gegeneinander gedrückt werden. Diese Spannerfinger können im Flanschbereich zwischen den Nähten angeordnet sein. Durch Lasernoppen auf einem der Bauteile kann im Bereich der zu schweißenden Stichnähte vorteilhaft ein Entgasungsspalt bereitgestellt werden, der etwa eine Breite von 0,1 mm aufweisen kann.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens kann etwa ein 4 kW-Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von ca. 1 μm verwendet werden. Die Laserleistung wird über ein Lichtleitkabel, wie etwa ein Glasfaserkabel mit einem Kerndurchmesser von 200 μm als Einkopplungsvorrichtung zum Laserkopf geführt. Durch den motorisierten Kollimator kann der Laserstrahl in Z-Richtung um ± 70 mm verschwenkt werden. Ergänzend werden zwei bewegliche Spiegel zur Ablenkung und Positionierung des Laserstrahls im sogenannten Scanvolumen bereitgestellt; bei der vorliegenden aparativen Anordnung, die lediglich als beispielhaft und keineswegs beschränkend zu verstehen ist, kann sich ein elliptisches Scanvolumen von ca. 320 mm × 190 mm × 70 mm ergeben, wobei die Brennweite der Fokussieroptik des Laserscanners bei 450 mm und einem Abbildungsverhältnis von 3:1 liegt. Der Fokusdurchmesser beträgt in diesem Fall ca. 600 μm.
Die Ausführung der erfindungsgemäßen Laserschweißverfahren kann nun auf verschiedene Arten und Weisen erfolgen.
So kann in einem ersten Fall eine sogenannten Offline-Positionserkennung und Lagekorrektur über den Scannerspiegel (Kippspiegel 15 in 2a) erfolgen. Dazu wird vor der Ausführung des Schweißprozesses der Bereich der Fügestelle an der Oberfläche des Bauteils 62 mit der Kamera 20, die in diesem Fall als Detektionsvorrichtung dient, und die innerhalb des Laserkopfes 10 angeordnet ist, aufgenommen, deren Strahlengang teilweise dem Laserstrahlengang entsprechend von dem Bauteil 62 über die Fokussieroptik 15', 15'' und die Scannerspiegel (Kippspiegel 15 in 2a) durch den teildurchlässigen Spiegel 25 zu der Kamera 20 gelenkt wird, und via Bildverarbeitung ausgewertet (Schritte Aa) bis Ab)).
So dann erfolgt basierend auf der Bildauswertung eine Vorbestimmung der Soll-Position des Laserfokus 16' auf dem Bauteil 62 und die sich heraus ergebenden Einstellparameter werden als Steuerungsparameter an die elektronische Steuerung des Laserkopfs 10 weitergegeben (Schritt Ac)). Hierauf folgend kann der Laserstrahl 16 entsprechend auf das Bauteil 62 fokussiert werden (Ad) um den Schweißvorgang auszuführen. Es erfolgt also eine automatische Korrektur der Naht-Soll-Position und eine Online-Korrektur während der Ausführung des Schweißvorgangs ist in diesem Fall nicht vorgesehen.
Diese Vorgehensweise eröffnet folgende Alternativen: Die erforderlichen Korrekturparameter können unmittelbar vor jedem einzelnen Schweißvorgang ausgeführt werden, indem die Scannerspiegel derart eingestellt werden, dass die Kamera auf die als nächstes avisierte Fügestelle gerichtet wird. Dann können, nach Bildaufnahme von dieser Fügestelle, die entsprechenden Korrekturwerte ermittelt werden, ehe die Schweißung der Naht nach Korrektur der Position des Laserfokus erfolgt. Dabei ist es möglich, entweder zunächst die in der Reihenfolge nächstliegende Fügestelle zu untersuchen oder bereits die übernächste zu bearbeitende Fügestelle zu detektieren und dann mit dem Laserkopf zurückzuspringen, um die in der Reihenfolge vorhergehende, soeben übersprungene Naht anzufertigen. Es ist ebenso möglich, mittels der Kamera über den Laserkopf zunächst alle Fügestellen eines Bauteils zu erfassen und die entsprechenden Korrekturwerte aufzunehmen und zu speichern; es liegt dann eine sogenannte Lernfahrt vor, an die sich ein vollständiger Schweißprozess des gesamten Bauteil mit sämtlichen zuvor in ihrer Position korrekt erfassten Fügestellen anschließt.
Alternativ kann eine Online-Positionserkennung der als nächsten zu fertigenden Fügestellen erfolgen, indem auch eine intern angeordnete Kamera zur Beobachtung des Schweißprozesses genutzt werden kann. Auch hier werden die Spiegel des Scanners zur Lagekorrektur genutzt. In diesem Falle nimmt die interne Kamera (s. Schritte Ba) bis Bc)) während des Ausführens des Schweißvorgangs an einer Fügestelle Aufnahmen von einer unmittelbar nachfolgend zu schweißenden Fügestelle auf, wobei die Kamera so eingerichtet ist, dass sie die nächste Fügestelle erfasst, die einige mm nach der aktuell geschweißten Fügestelle liegen, dass sie sozusagen „vorausschaut”. Es erfolgt das Auswerten der durch die Kamera aufgenommenen Bilder mittels des vorbeschriebenen Bildauswertungssystems und, basierend auf dieser Bildauswertung, erfolgt online das Korrigieren der Steuerungsparameter zur Positionierung und Fokussierung des Laserstrahls, wenn die Position der erfassten Fügestelle von einer in der elektronischen Steuerung gespeicherten Position abweicht, indem die korrigierten Steuerungsparameter an die elektronische Steuerung des Laserkopfes übermittelt werden. So kann das korrigierende Führen des Laserstrahlfokus' entlang der Fügestellen online während einer Schweißfahrt des Laserkopfs entlang der vorgesehenen Schweißnähte an dem Bauteil ausgeführt werden. Die Korrekturwerte werden quasi in Echtzeit ermittelt und als Offset-Werte an den Spiegelscanner weitergegeben. Zur Unterstützung der Bildqualität können Beleuchtungsmittel vorgesehen sein, die an dem Laserkopf oder nahe dem Roboterarm angeordnet werden können.
Während in 2a eine intern angeordnete Kamera 20 dargestellt ist, die sowohl zur Beobachtung des Schweißprozesses dient, als auch zur Detektion der Position einer Fügestelle entsprechen eines der vorbeschriebenen Verfahren verwendet wird, ist in 2b beispielhaft die Bilderfassung der Position der Fügestellen mittels einer extern angeordneten Kamera 20 dargestellt. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist hier jeweils nur ein Bauteil 62 dargestellt. Beide Laserköpfe 10 umfassen dabei eine erste Fokussieroptik 15'', die als Einkopplungsvorrichtung für die Laserstrahlung dienen kann, die über ein Glasfaserkabel von einem (nicht dargestellten) Laser zu dem Laserkopf 10 geführt wird. Der Laserstrahlengang wird über den Kippspiegel 15 umgelenkt, so dass der Laserstrahl 16 mit Hilfe des Kollimators 15' im Brennpunkt 16' auf dem Bauteil 62 korrekt positioniert und fokussiert wird.
In 2a ist die Kamera 20 intern im Laserkopf 10 angeordnet, so dass ihr Strahlengang zur Aufnahme der Fügestelle am Bauteil 62 teilweise dem Strahlengang des Laserstrahls 16 folgt. Erst der teildurchlässige Spiegel 25, der den eingekoppelten Laserstrahl zu dem Kippspiegel 15 durchtreten lässt, trennt den Strahlengang zu der Kamera 20, der somit ebenfalls über den Kippspiegel 15 und den Kollimator 15' zu dem Bauteil 62 verläuft. In 2b ist die Kamera 20 hingegen außerhalb des Laserkopfes 10, aber daran gekoppelt angeordnet und ebenfalls auf den Bereich des Laserfokus 16' am Bauteil 62 gerichtet. Die dargestellten drei Laserstrahlengänge symbolisieren ein Strahlwobbeln/-pendeln, beispielsweise zur Anfertigung einer Stich-Kehlnaht.
Eine dritte Verfahrensführungsoption ergibt sich aus der Online-Positionserkennung durch externe Sensorik, die auch einen nicht-optischen Sensor umfassen kann. Allerdings wird auch in diesem Fall der Spiegelscanner zur Lagekorrektur des Laserfokus genutzt. Die Lageerkennung kann mit Hilfe externer Sensoren oder durch Streifenprojektion (Triangulation) erfolgen, indem entsprechende Sensoren, etwa ein Taster, der außen am Scanner angeordnet ist, unmittelbar vor der im Schweißen befindlichen Position hergeführt wird. Auch in diesem Fall werden die Korrekturwerte in Echtzeit ermittelt und an den Scanner weitergegeben. Hierzu können bekannte Nahtführungssensoren verwendet werden, es ist auch möglich, eine taktile Tastspitze zur Nahtführung einzusetzen. Eine Online-Korrektur des Laserstrahlfokus kann ferner ausgeführt werden, wenn ein Zusatzdraht zur Ausführung der Naht verwendet wird. Dann kann die Lage des Laserstrahls beziehungsweise des Laserstrahlbrennpunkts relativ zu der Zusatzdraht-Spitze ermittelt wer den. Hierzu ist es möglich, eine intern oder extern angeordnete Kamera zu nutzen, die so eingestellt ist, dass sie die Position der Drahtspitze im Scanfeld erfasst. Durch die vorbeschriebene Bildverarbeitung wird ebenfalls ein Korrekturwert für die Lage des Laserstrahls erzeugt, wobei die Spiegel des Spiegelscanners genutzt werden, um Position und Fokus des Laserstrahls in Bezug zu der Drahtspitze, die der zu fügenden Flanschkante folgt, zu korrigieren.
Durch den Einsatz eines Zusatzdrahtes besteht die Möglichkeit, unmittelbar die oben beschriebene taktile Nahtführung zu realisieren; s. 3a, die zeigt schematisch den Laserkopf 10 zeigt, der den positioniert den Laserstrahl 16 auf das Bauteil 62 relativ zu dem als Tastspitze dienenden Zusatzdrahts 50 der Zusatzdrahtzuführung 30 zeigt. Die Tastspitze beziehungsweise der Zusatzdraht 50 liegt dabei an der zwischen den Bauteilen 60 und 62 gebildeten Kehle 70 an. So ist es hier möglich, die Drahtspitze 50 des Zusatzdrahtes oder auch lediglich dessen Zuführvorgang mechanisch oder optisch zu erfassen und die über die Sensoren erfassten physikalischen Parameter in elektronische Signale umzuwandeln, um die benötigten Korrekturwerte zu erzeugen, die nach Übermittlung an die Steuerung des Laserkopfes 10 durch Ansteuerung der Kippspiegel des Spiegelscanners etwa der Korrektur von Position und Fokus des Lagestrahls 16 in Bezug auf die Zusatzdrahtspitze 50 dienen, die exakt entlang der Kehle 70 geführt wird.
Eine die taktile Tastspitze 50 führende Haltevorrichtung 30 kann, wie in 3b gezeigt, direkt am Laserkopf 10 der Laserschweißroboter angeordnet sein. Diese Fixierung hat den Vorteil, dass die taktile Tastspitze 50 über die Haltevorrichtung 30 gleichzeitig zusammen mit dem Laserkopf 10 bewegt wird. Gerade bei dem Schweißen von Kehlnähten auf den bereits beschriebenen sehr schmalen Flanschen ist dies ein großer Vorteil. Diese Anordnung ermöglicht auch bei nicht Bauteiltoleranzen eine enge Schweißnahtführung direkt an der Kehle. Von der Tastspitze 50 erfasste Abweichungen können so auch direkt an die Fokussieroptik und Ablenkvorrichtung des Laserkopfes 10 übermittelt werden, so dass durch diese unmittelbar die Richtung und der Fokus des Laserstrahls 16 dem Lauf der Tastspitze 50 nachfolgen gelassen werden kann. Die Tastspitze 50 des Zusatzdrahtes der aus der Zusatzdrahtzuführvorrichtung 50 gespeist wird, wird so während des Schweißens in Pfeilrichtung (siehe 3a) entlang der Kehle 70 geführt. Durch die Positionierung des Laserstrahls 16 relativ zur Tastspitze 50, wird eine exakte Positionierung des Laserstrahls 16 in Bezug auf die Kehle 70 bzw. die Schweißstelle gewährleistet. So können Bauteiltoleranzen, die sich durch Schnitttoleranzen oder Materialunregelmäßig keiten ergeben, ausgeglichen werden. Damit ist es auch bei extrem schmalen Flanschen möglich, exakte Schweißnähte zu schaffen.
4 zeigt die in eine Kehle 70 an den zu verbindenden Bauteilen 60, 62 eingeführte Tastspitze 50, die sich von der Haltevorrichtung 30 erstreckt, die auch entsprechende Leitungen zu der elektronischen Steuerung und/oder eine Elektronik zur Verarbeitung der erfassten Tastsignale umfassen kann. Diese kann, um an der Kehle 70 entlang gleiten zu können, als eine stab-, draht- oder nadelförmige Tastspitze 50 ausgebildet sein.
Damit die Drahtzuführeinrichtung 30 (siehe 3a, 3b) beim Abtastvorgang dem Verlauf der Kehle 70 folgen und Materialunebenheiten ausgleichen kann, ist sie beweglich an der Laserschweißroboter (nicht dargestellt) angeordnet. Beweglich bedeutet hier, dass sie mindestens in zwei Freiheitsgrade auslenkbar ist. Dies wird vorteilhaft durch eine federnde Anordnung bereitgestellt. Um eine gute Kopplung der Bewegung des Laserstrahls mit dieser Detektionsvorrichtung während des Schweißens zu gewährleisten, ist die Drahtzuführeinrichtung 30 am Laserkopf 10 des Laserschweißroboters angeordnet.
Damit auch während des Abtastprozesses die Drahtspitze 50 immer in der Kehle verbleibt, kann vorgesehen sein, dass mittels der Drahtzuführeinrichtung 30 eine Vorspannung des Zusatzdrahtes gegenüber dem Bauteil 62 eingestellt wird. Diese Vorspannung kann z. B. durch eine Feder bei einer federnden Anordnung der Drahtzuführeinrichtung 30 an dem Laserschweißroboter bereitgestellt werden. Die durch die zu verbindenden Bauteile 60, 62 gebildete Kehle 70 wird durch Bewegung der Tastspitze 50 entlang der Kehle 70 abgetastet, hierbei kann die Position des Laserstrahls 16 direkt nachgeführt werden oder relativ zur Tastspitze 50 detektiert und in Abhängigkeit davon nachgesteuert werden so dass der Laserstrahl 16 direkt auf die als Drahtspitze ausgebildete Tastspitze 50 gerichtet werden kann, wobei diese während des Schweißprozesses abgeschmolzen und somit kontinuierlich erneuert wird. Der Zusatzdraht bildet somit eine verschleißfreie, sich selbst erneuernde Tastspitze 50 unmittelbar am Fokus 16' des Lasers.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004043076 [0004]
- DE 202006005916 [0005]
- DE 102004045408 [0006]

Claims

Laserschweißroboter zum Verbinden von Bauteilen (60, 62) mittels einer Schweißnaht, wobei der Laserschweißroboter eine an einem Arm des Laserschweißroboters angeordnete Laserschweißvorrichtung (1) umfasst, die – eine Einkopplungsvorrichtung für Laserstrahlung, – einen Laserkopf (10), der durch einen Spiegelscanner (10) mit zumindest einem Kippspiegel (15) bereitgestellt wird, und der zumindest eine Fokussieroptik (15', 15'') mit Positioniervorrichtung umfasst, und der ein Fokussieren und Positionieren des Laserstrahls (16) auf das Bauteil (62) bereitstellt, – zumindest eine elektronische Steuerung für die den Laserkopf (10) bildenden Komponenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf (10) geeignet ist, in einem Arbeitsabstand von über 250 mm zu einer Fügestelle der zu bildenden Schweißnaht angeordnet zu sein, und dass eine Detektionsvorrichtung in oder an dem Laserkopf (10) angeordnet ist, zur Bestimmung einer Position der Fügestelle an dem Bauteil (60, 62) relativ zu einer Position eines Laserstrahlfokus (16'), wobei die Detektionsvorrichtung mit der elektronischen Steuerung des Laserkopfs (10) operativ gekoppelt ist.
Laserschweißroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektronischen Steuerung mit zumindest einem Steuerrechner gekoppelt ist und/oder – der Laserkopf (10') einen Kollimator (15, 15''), insbesondere einen durch einen Motor angetriebenen Kollimator enthält, und/oder – der Spiegelscanner (10) ein 3 D-Spiegelscanner (10) ist.
Laserschweißroboter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung – eine Kamera (20), insbesondere eine CMOS-, CCD- oder eine Videokamera ist, die eine Schnittstelle zu einem Bildauswertungssystem aufweist oder das Bildauswertesystem beinhaltet, wobei das Bildauswertungssystem mit der elektronischen Steuerungen des Laserkopfs (10) operativ gekoppelt ist, wobei vorzugsweise ein Strahlengang der Kamera (20) durch einen in einem Strahlengang des Laserstrahls (16) angeordneten teildurchlässigen Spiegel (25) des Spiegelscanners (10) bereitgestellt wird, so dass der Strahlengang der Kamera (20) teilweise dem Strahlengang des Laserstrahls (16) entspricht und entsprechend der Position des Laserstrahlfokus (16') auf das Bauteil (60, 62) gerichtet ist, und/oder – ein mit der elektronischen Steuerung des Laserschweißroboters operativ über einen Signalwandler gekoppelter Sensor, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die einen optoelektronischen Sensor, einen nicht-optischer Sensor basierend auf Radiowellen, Mikrowellen, Terahertzstrahlung oder Ultraschall oder insbesondere eine taktile Tastspitze (50) umfasst, wobei die operative Kopplung der taktilen Tastspitze (50) mit der elektronischen Steuerung über einen Signalwandler zur Umwandlung einer aufgenommenen Position oder Kraft oder durch Aufnehmen der Tastspitze (50) mit einer Kamera und Auswerten des Bildes der Tastspitze (50) durch das Bildauswertungssystem bereitgestellt wird.
Laserschweißroboter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzdrahtzuführeinrichtung (30), insbesondere eine Zusatzdrahtzuführeinrichtung (30), die eine Vorspannung eines Zusatzdrahtes gegenüber dem Bauteil (62) bereitstellt, an dem Laserschweißroboter, insbesondere an dem Laserkopf (10), angeordnet ist, wobei der Zusatzdraht die taktile Tastspitze (50) bereitstellt und eine schwenkbare Anordnung der Zusatzdrahtzuführeinrichtung (30) an dem Laserkopf (10) beweglich und taktil oder fest und starr ausgeführt ist.
Laserschweißverfahren zum Verbinden von Bauteilen (60, 62) das mittels zumindest einer Schweißnaht unter Verwendung eines Laserschweißroboters eingesetzt wird, umfassend die Schritte A) vor dem Schweißen einer Fügestelle Erfassen einer Ist-Position der Fügestelle durch eine Detektionsvorrichtung, die mit einer an dem Laserschweißroboter vorliegenden elektronischen Steuerung operativ gekoppelt ist, B) Auswerten der erfassten Ist-Position der Fügestelle in Bezug zu einer in der elektronischen Steuerung gespeicherten Sollposition der Fügestelle durch die elektronische Steuerung, C) Korrigieren von Steuerungsparametern eines Laserkopfes (10) des Laserschweißroboters bei einer Abweichung der erfassten Ist-Position von der gespeicherten Sollposition, D) Ansteuern des Laserkopfes (10) mit den korrigierten Steuerungsparametern und Positionieren des fokussierten Laserstrahls (16) entsprechend der Ist-Position der Fügestelle zumindest durch zumindest einen Kippspiegel (15), der in dem Laserkopf (10) des Laserschweißroboters vorliegt, und E) Schweißen der Fügestelle durch den in der Ist-Position der Fügestelle positionierten Laserstrahl (16).
Laserschweißverfahren nach Anspruch 5, umfassend die Schritte: in Schritt A) Erfassen der Ist-Position der Fügestelle durch Aa) Aufnehmen eines Bildes der Fügestelle durch eine Kamera (20), die in der Detektionsvorrichtung umfasst ist und die ein Bildauswertungssystem umfasst oder eine Schnittstelle zu einem Bildauswertungssystem aufweist, wobei ein Strahlengang der Kamera (20) durch einen in einem Strahlengang eines Laserstrahls (16) angeordneten teildurchlässigen Spiegel (25) des Laserkopfs (10) bereitgestellt wird, so dass der Strahlengang der Kamera (20) teilweise dem Strahlengang des Laserstrahls (16) entspricht und entsprechend dem positionierten fokussierten Laserstrahl (16) auf das Bauteil (60, 62) gerichtet ist, und Ab) Auswerten des durch die Kamera (20) aufgenommenen Bilds der Fügestelle mittels des Bildauswertungssystems und Feststellen der Ist-Position der Fügestelle.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 5 oder 6, umfassend die Schritte: – Ausführen der Schritte Aa) bis B) für eine vorab bestimmte und in der elektronischen Steuerung gespeicherte Reihenfolge von Fügestellen der zumindest einen zu bildenden Schweißnaht, – Speichern der für jede Fügestelle der zumindest einen Schweißnaht erfassten Ist- Positionen und anschließend – Ausführen der Schritte C) bis E) mit den gespeicherten Ist-Positionen an jeder Fügestelle gemäß der Reihenfolge, oder umfassend die Schritte: – Ausführen der Schritte Aa) bis C) für die Reihenfolge von Fügestellen, – Speichern der zu jeder erfassten Ist-Position korrigierten Steuerungsparameter und anschließend – Ausführen der Schritte D) bis E) mit den gespeicherten korrigierten Steuerungsparametern an jeder Fügestelle gemäß der Reihenfolge.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 5 oder 6, umfassend die Schritte: – abwechselnd Ausführen des Schrittes E) an einer ersten Fügestelle, und des Schrittes A) an einer zweiten Fügestelle, die entsprechend der Reihenfolge eine nachfolgend zu schweißende Fügestelle ist, durch – Betätigen des Kippspiegels (15), wobei abwechselnd der Strahlengang zu der Kamera (20) zur Durchführung von Schritt A) an die zweite Fügestelle und der Strahlengang für den Laserstrahl (10) zur Durchführung von Schritt E) an die erste Fügestelle bereitgestellt wird.
Laserschweißverfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Detektionsvorrichtung eine taktile Tastspitze (50) umfasst, umfassend die Schritte in Schritt A) Erfassen der Ist-Position der Fügestelle: Ac) Führen der Tastspitze (50) entlang der Schweißnaht und Abtasten einer entsprechend der vorab bestimmten Reihenfolge der Fügestellen folgenden Fügestelle, und Ad) Feststellen der Ist-Position der abgetasteten Fügestelle durch – Umwandeln der durch die Tastspitze (50) aufgenommenen Signale in elektronische Signale und/oder – Aufnehmen der Tastspitze (50) mit einer Kamera und Auswerten des Bildes der Tastspitze (50) durch das Bildauswertungssystem.
Laserschweiß- oder -lötverfahren umfassend die Schritte des Laserschweißverfahrens nach Anspruch 9, wobei die taktile Tastspitze (50) durch einen Zusatzdraht bereitgestellt wird, der unter Vorspannung über eine Zusatzdrahtzuführeinrichtung (30) zugeführt wird und umfassend den Schritt Löten der Fügestelle durch Positionieren des Laserstrahls an der an der Fügestelle angeordneten Zusatzdrahtspitze.
Geschweißtes Bauteil hergestellt nach einem der o. g. Verfahren.