DE102012106649A1

DE102012106649A1 - Handführbare Vorrichtung mit einem Laserkopf

Info

Publication number: DE102012106649A1
Application number: DE201210106649
Authority: DE
Inventors: Christian Schmid
Original assignee: SET SCIENT AND EFFICIENT TECHNOLOGIES Ltd; SET Scientific and Efficient Technologies Ltd
Current assignee: HARBIN LULONG TRADE AG, CH
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine handführbare Vorrichtung (1), die einen Laserkopf (3) mit einer Schutzeinrichtung (4) zum Schutz der Umgebung vor einer möglichen Gefährdung aufweist. Um die Vorrichtung (1) mit einer reproduzierbaren Genauigkeit entlang einer vorspringenden Kontur des Werkstücks (2) manuell führen zu können, ist eine Führungsrolle (5) mit einem Anlaufkranz (6) ausgestattet. Zusätzlich ist eine Achse (7) der Führungsrolle (5) in ihrer Neigung gegenüber dem Laserkopf (3) variabel so einstellbar, dass die auf der zylindrischen Umfangsfläche der Führungsrolle (5) gebildete Lauffläche (8) gegenüber der Horizontalen in Richtung des Anlaufkranzes (6) mit einem Neigungswinkel (α) von ca. 45° ansteigend geneigt verläuft. Hierdurch wird in einfacher Weise eine unerwünschte seitliche Verlagerung vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft eine handführbare Vorrichtung mit einem insbesondere zum Laserlöten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls bestimmten Laserkopf, einer Schutzeinrichtung zum Schutz der Umgebung vor einer möglichen Gefährdung, einer Steuereinheit und zumindest einer um eine Achse rotationsbeweglichen Führungsrolle mit einer eine Lauffläche bildenden Umfangsfläche zur Anlage gegen das Werkstück.
Eine solche Laserbearbeitungsvorrichtung ist beispielsweise durch die DE 198 17 629 A1 bekannt, die zum Fügen oder Beschichten von Werkstücken vorgesehen ist. Die Vorrichtung hat dabei entweder eine eigene Laserquelle oder ist mittels eines flexiblen Lichtwellenleiters mit einer stationären Laserstrahlquelle koppelbar. Die Vorrichtung hat weiterhin eine auf einem Schlitten angeordnete Zufuhreinrichtung für einen Zusatzwerkstoff, der beispielsweise nach einer beschriebenen Ausführungsform stangenförmig, drahtförmig, pastenförmig oder auch pulverförmig ausgeführt ist.
Weiterhin sind durch die DE 39 06 336 A1 , die DE 195 19 150 A1 und die DE 196 15 633 C1 weitere handführbare Vorrichtungen zur Laserbearbeitung bekannt.
Als nachteilig hat sich bei den bekannten Vorrichtungen in der Praxis erwiesen, dass die mit der manuellen Führung erzielbare Genauigkeit des Verlaufs der Laserlötnaht oftmals unbefriedigend ist. Dabei wirkt sich insbesondere nachteilig aus, dass die Lauffläche auf einem gratförmigen Vorsprung des Werkstücks leicht zu einem seitlichen Verrutschen bzw. Versatz neigt.
Es ist bereits daran gedacht worden, die Führungsrolle mit einer in der Lauffläche eingelassenen umlaufenden Profilierung zu versehen, die an die vorspringende Werkstückkontur angepasst und formschlüssig auf diese aufsetzbar ist.
Aufgrund der in der Praxis oftmals im Verlauf der Werkstückbearbeitung veränderlichen Geometrie des Vorsprungs sowie der in mehreren Ebenen gewölbten Kontur lässt sich auf diese Weise jedoch nur in bestimmten Fällen die gewünschte Führung zuverlässig realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine manuell zu führende Vorrichtung derart auszugestalten, dass eine definierte Kontaktfläche der Lauffläche der Führungsrolle mit einer vorspringenden Werkstückkontur zuverlässig und mit geringem technischen Aufwand erreicht wird. Insbesondere soll dabei eine sensorische Erfassung von Positionsdaten in Verbindung mit einer automatischen Korrektur verzichtbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei der zumindest eine Führungsrolle mit einem Anlaufkranz ausgestattet ist und bei der die Achse der Führungsrolle mit einer Neigung gegenüber dem Laserkopf variabel derart einstellbar ist, dass die Lauffläche gegenüber der Horizontalen in Richtung des Anlaufkranzes ansteigend geneigt angeordnet ist. Die Erfindung geht dabei von der überraschend einfachen Erkenntnis aus, dass eine definierte Kontaktfläche der Werkstückkontur auf der Lauffläche der Führungsrolle dadurch erreicht werden kann, dass diese gegenüber der Horizontalen geneigt ausgerichtet wird. Hierdurch wird ein unerwünschtes seitliches Auswandern der Kontaktfläche auf der Lauffläche vermieden. Vielmehr ergeben sich während des Betriebs schwerkraftbedingt bzw. aufgrund der manuellen Anpresskraft eine konstante, linien- bzw. punktförmige Kontaktfläche auf der Lauffläche und eine zweite Kontaktfläche an dem Anlaufkranz. Indem die Führungsrolle mit einer variablen Neigung einstellbar ist, kann diese an nahezu beliebige Konturen problemlos angepasst werden, wobei die jeweilige Einstellung des Neigungswinkels manuell oder automatisiert, gegebenenfalls auch während des Betriebs erfolgen kann. Unabhängig von der Neigung der Führungsrolle wird für den Laserkopf eine davon unabhängige, beispielsweise vertikale bzw. zu dem zu bearbeitenden Oberflächenabschnitt des Werkstücks normale Orientierung eingestellt.
Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe noch dadurch gelöst, dass zumindest eine Führungsrolle mit einem Anlaufkranz ausgestattet ist und dass die Vorrichtung eine in Richtung der Achse der Führungsrolle beabstandet angeordnete, gegen das Werkstück anlegbare Stützrolle aufweist, die derart in einer gegenüber der Vorschubrichtung geneigten Ebene drehbeweglich ist, dass diese eine in Richtung der Achse der Führungsrolle wirkende Seitenkraft erzeugt, durch die der Anlaufkranz gegen einen Vorsprung des Werkstücks anlegbar ist. Hierbei werden vorzugsweise zwei Varianten realisiert, bei der einerseits eine Andrückkraft auf die Führungsrolle, die gegen einen Vorsprung des Werkstücks läuft, über eine Stützrolle, die eine seitliche Druckkraft in Richtung des Vorsprungs aufbringt, übertragen wird, andererseits läuft die Führungsrolle auf dem Werkstück und mit dem Anlaufkranz stirnseitig gegen den Vorsprung. Hierdurch ist die Lage eindeutig bestimmt im Hinblick auf den Fokusabstand und die laterale Position des Strahls.
Dabei können mehrere Führungsrollen vorgesehen sein, die gegebenenfalls auch in entgegengesetzte Richtungen geneigte Laufflächen aufweisen können.
Weiterhin kann der definierte Abstand des Laserkopfs von dem Werkstück durch eine entsprechende Gestaltung alternativ durch den Anlaufkranz oder durch die Lauffläche der Führungsrolle bestimmt sein.
Eine besonders bevorzugte Abwandlung wird dadurch erreicht, dass der Laserkopf mit einer Richtungskomponente parallel zu der Richtung der Achse in verschiedenen Positionen festlegbar ist oder dass der Laserkopf und/oder Teile einer Laseroptik relativ zu der Werkstückoberfläche in unterschiedlichen Abständen festlegbar sind. Auf diese Weise wird eine Einstellmöglichkeit des Laserkopfes geschaffen, die weitgehend unabhängig von der jeweiligen, gegebenenfalls veränderlichen Neigung der Lauffläche in optimaler Weise an die zu erzeugende Lasernaht angepasst werden kann.
Eine besonders zuverlässige seitliche Führung und damit relative Positionierung der Führungsrolle gegenüber dem Werkstück ergibt sich auch dadurch, dass der Anlaufkranz und die Lauffläche an einander gegenüberliegenden Flanken eines Vorsprungs des Werkstücks jeweils eine von einer maximalen distalen Erstreckung beabstandet verlaufende Kontaktfläche bilden. Hierdurch schließen die beiden Kontaktflächen der Lauffläche und des Anlaufkranzes den Vorsprung beiderseits ein, wobei vorzugsweise die Kontaktflächen auf den Flanken auf derselben horizontalen Ebene beiderseits des Vorsprungs positioniert werden. Es ergibt sich somit nahezu ein Formschluss zwischen dem beispielsweise orthogonalen Übergangsbereich der Lauffläche zu dem Anlaufkranz einerseits und dem Vorsprung des Werkstücks andererseits, der zudem jederzeit an wechselnde Konturen angepasst werden kann.
Obwohl die variable Schrägstellung der Führungsrolle je nach Einsatzzweck unterschiedlich bemessen sein kann, hat es sich bereits als besonders sinnvoll erwiesen, wenn die Neigung der Achse gegenüber der Horizontalen zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 40° und 50° beträgt.
Die Führungsrolle könnte einen kegelstumpfförmigen Abschnitt aufweisen, an dessen Umfang die Lauffläche gebildet ist. Besonders praxisgerecht ist hingegen eine Abwandlung, bei welcher die Lauffläche durch die Umfangsfläche eines zylindrischen Abschnitts der Führungsrolle gebildet ist, sodass die Ebene der Lauffläche parallel zu der Achse verläuft. Die Einstellbarkeit wird dadurch wesentlich vereinfacht.
Die Vorrichtung kann rein manuell führbar ausgeführt sein. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn zumindest eine Führungsrolle mittels eines Antriebs mit einer einstellbaren Antriebsleistung beweglich antreibbar ist und die Führungsrolle daher während der manuellen Führung durch eine Bedienperson der Vorrichtung eine Vorschubgeschwindigkeit reibschlüssig aufprägt. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand eine konstante Vorschubgeschwindigkeit realisiert werden.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Abwandlung der Erfindung weist die Vorrichtung eine in Richtung der Achse der Führungsrolle beabstandet angeordnete, gegen das Werkstück anlegbare Stützrolle auf, sodass eine seitliche Auslenkung des Laserkopfes mit der Folge einer wechselnden Fokuslage vermieden wird. Indem sich die Vorrichtung zweispurig auf dem Werkstück abstützt, wird ein anderenfalls zu Fehlereinflüssen führender Freiheitsgrad ausgeschlossen und die Einstellung der gewünschten Orientierung des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche vereinfacht.
Zu diesem Zweck kann die Stützrolle zur Einstellung der Neigung der Achse der Führungsrolle höhenverstellbar oder um eine quer zur Drehachse der Stützrolle verlaufende Achse schwenkbar ausgeführt sein. Weiterhin kann die Stützrolle in einer Führung relativ zu dem Laserkopf insbesondere translatorisch beweglich angeordnet sein, um so die Fokuslage sowie die Orientierung des Laserstrahls gegenüber dem Werkstück weitgehend unabhängig von der Neigung der Lauffläche bzw. dem seitlichen Abstand des Fokuspunktes von der Kontaktlinie einstellen zu können.
Eine andere, ebenfalls besonders praxisnahe Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Schutzeinrichtung mit zumindest einem von einem Fluid, insbesondere von einer Flüssigkeit beaufschlagbaren Kühlkörper ausgestattet ist, um so die Prozesswärme zuverlässig abführen zu können. Hierzu bilden die Kühlkörper zugleich den für die sichere Bedienung erforderlichen Strahlenschutz.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer auf einem Werkstück aufgesetzten Arbeitsposition;
2a eine vereinfachte Darstellung der in 1 gezeigten Vorrichtung in einer Arbeitsposition mit einer horizontalen Achse einer Laufrolle;
2b eine weitere Arbeitsposition der Vorrichtung mit einer geneigten Achse;
3a eine Variante der Vorrichtung in einer Arbeitsposition mit einer horizontalen Achse einer Laufrolle und mit einer Stützrolle;
3b eine weitere Arbeitsposition der in 3a gezeigten Vorrichtung mit einer geneigten Achse;
4 verschiedene Bauformen von Führungsrollen;
5 eine Draufsicht auf eine Variante der Vorrichtung mit schräggestellter Stützrolle;
6 eine Seitenansicht der in 5 gezeigten Variante mit stirnseitiger Anlagefläche der Führungsrolle;
7 eine Seitenansicht der in 5 gezeigten Variante mit axialer Anlage des Anlaufkranzes.
1 zeigt eine erfindungsgemäße manuell führbare Vorrichtung 1 zum Laserlöten eines Werkstücks 2 als Bestandteil eines Dachbereichs eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs. Solche Dachnahtlötungen und -schweißungen zu Reparaturzwecken sowie für Prototypen und Kleinserien sind Problemfälle in der Autofertigung und erzeugen ein erhebliches Reparaturpotenzial. Die Vorrichtung 1 hat einen Laserkopf 3 mit einer Schutzeinrichtung 4 zum Schutz der Umgebung vor einer möglichen Gefährdung. Um die Vorrichtung 1 mit einer reproduzierbaren Genauigkeit entlang einer vorspringenden Kontur des Werkstücks 2 manuell führen zu können, ist eine Führungsrolle 5 aus Metall mit einem Anlaufkranz 6 ausgestattet. Zusätzlich ist eine Achse 7 der Führungsrolle 5 in ihrer Neigung gegenüber dem Laserkopf 3 variabel so einstellbar, dass die auf der zylindrischen Umfangsfläche der Führungsrolle 5 gebildete Lauffläche 8 gegenüber der Horizontalen in Richtung des Anlaufkranzes 6 mit einem Neigungswinkel α um ca. 45° ansteigend geneigt verläuft. Hierdurch wird in einfacher Weise eine unerwünschte seitliche Verlagerung vermieden. Um den Laserkopf 3 unabhängig von der Führungsrolle 5 positionieren zu können, ist dieser mit einer Richtungskomponente 9 parallel zu der Richtung der Achse 7 und relativ zu der Werkstückoberfläche in unterschiedlichen Abständen a in verschiedene Positionen beweglich angeordnet. Außerdem ist die Führungsrolle 5 mittels eines Antriebs 10 antreibbar, um so bedarfsweise die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit aufzuprägen. Zum Schutz der Umgebung ist die Vorrichtung 1 mit der Schutzeinrichtung 4 ausgestattet, die mit zumindest einem von einem Fluid, insbesondere Flüssigkeit beaufschlagbaren Kühlkörper ausgestattet ist.
Um die gewünschte Neigung einzustellen, kann wie in den 2a und 2b zu erkennen, die Achse 7 der Führungsrolle 5 mittels eines Gelenks 11 relativ zu dem Laserkopf 3 schwenkbar ausgeführt sein, sodass der Laserkopf 3 unabhängig von der Orientierung der Achse 7 beispielsweise vertikal ausgerichtet werden kann.
Bei einer in den 3a und 3b erkennbaren Variante hat die Vorrichtung 1 eine in Richtung der Achse 7 der Führungsrolle 5 beabstandet angeordnete, gegen das Werkstück 2 anlegbare Stützrolle 12 aus einem weichen Material, beispielsweise Gummi. Diese ist zur Einstellung der Neigung der Achse 7 der Führungsrolle 5 in Pfeilrichtung 13 höhenverstellbar angeordnet.
In 4 sind weitere Varianten einer Führungsrolle 5 mit zwei sich beiderseits des Anlaufkranzes 6 erstreckenden Laufflächen 8 bzw. mit einem konischen Abschnitt 14 dargestellt.
In 5 ist in einer Draufsicht eine Variante der Vorrichtung 1 mit einer gegenüber der durch die jeweils mit einem Anlaufkranz 6 ausgestatteten Führungsrollen 5 bestimmten Vorschubrichtung mit einem Neigungswinkel β schräggestellten Stützrolle 12 dargestellt. Mittels der gegen das Werkstück 2 abwälzenden Stützrolle 12 wird eine parallel zu der Achse 7 der Führungsrolle 5 wirkende Seitenkraft (F_Andruck) erzeugt, durch die der Anlaufkranz gegenüber einem Vorsprung des Werkstücks 2 anlegbar ist.
Diese von der Stützrolle 12 erzeugte Seitenkraft (F_Andruck) kann, wie in den 6 und 7 zu erkennen, einerseits zur sicheren stirnseitigen Anlage der Führungsrolle 5, andererseits zur axialen Anlage des Anlaufkranzes 6 gegenüber dem Vorsprung des Werkstücks 2 genutzt werden. Insbesondere wird die Seitenkraft (F_Andruck) auf die Führungsrolle 5 übertragen, die stirnseitig oder mit dem Anlaufkranz 6 axial gegen den Vorsprung des Werkstücks 2 vorgespannt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19817629 A1 [0002]
DE 3906336 A1 [0003]
DE 19519150 A1 [0003]
DE 19615633 C1 [0003]

Claims

Handführbare Vorrichtung (1) mit einem insbesondere zum Laserlöten eines Werkstücks (2) mittels eines Laserstrahls bestimmten Laserkopf (3), einer Schutzeinrichtung (4) zum Schutz der Umgebung vor einer möglichen Gefährdung, einer Steuereinheit und zumindest einer um eine Achse (7) rotationsbeweglichen Führungsrolle (5) mit einer eine Lauffläche (8) bildenden Umfangsfläche zur Anlage gegen das Werkstück (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Führungsrolle (5) mit einem Anlaufkranz (6) ausgestattet ist und dass die Achse (7) der Führungsrolle (5) in ihrer Neigung gegenüber dem Laserkopf (3) variabel derart einstellbar ist, dass die Lauffläche (8) gegenüber der Horizontalen in Richtung des Anlaufkranzes (6) ansteigend geneigt (Neigungswinkel α) angeordnet ist.
Handführbare Vorrichtung (1) mit einem insbesondere zum Laserlöten eines Werkstücks (2) mittels eines Laserstrahls bestimmten Laserkopf (3), einer Schutzeinrichtung (4) zum Schutz der Umgebung vor einer möglichen Gefährdung, einer Steuereinheit und zumindest einer um eine Achse (7) rotationsbeweglichen Führungsrolle (5) mit einer eine Lauffläche (8) bildenden Umfangsfläche zur Anlage gegen das Werkstück (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Führungsrolle (5) mit einem Anlaufkranz (6) ausgestattet ist und dass die Vorrichtung (1) eine in Richtung der Achse (7) der Führungsrolle (5) beabstandet angeordnete, gegen das Werkstück (2) anlegbare Stützrolle (12) aufweist, die derart in einer gegenüber der Vorschubbrichtung geneigten Ebene drehbeweglich ist, dass diese eine in Richtung der Achse (7) der Führungsrolle (5) wirkende Seitenkraft (F_Andruck) erzeugt, durch die der Anlaufkranz (6) gegen einen Vorsprung des Werkstücks (2) anlegbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf (3) mit einer Richtungskomponente parallel zu der Richtung der Achse (7) in verschiedenen Positionen festlegbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf (3) und/oder Teile einer Laseroptik relativ zu der Oberfläche des Werkstücks (2) in unterschiedlichen Abständen festlegbar sind.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlaufkranz (6) und die Lauffläche (8) an einander gegenüberliegenden Flanken eines Vorsprung des Werkstücks (2) jeweils eine von einer maximalen distalen Erstreckung beabstandet verlaufende Kontaktfläche bilden.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen auf den Flanken auf derselben horizontalen Ebene beiderseits des Vorsprungs einstellbar sind.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Achse (7) gegenüber der Horizontalen zwischen 30° und 60°, insbesondere ca. 45° beträgt.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (8) durch die Umfangsfläche eines zylindrischen Abschnitts der Führungsrolle (5) gebildet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Führungsrolle (5) mittels eines Antriebs (10) mit einer einstellbaren Antriebsleistung beweglich antreibbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine in Richtung der Achse (7) der Führungsrolle (5) beabstandet angeordnete, gegen das Werkstück (2) anlegbare Stützrolle (12) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrolle (12) zur Einstellung der Neigung der Achse (7) der Führungsrolle (5) höhenverstellbar ausgeführt ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrolle (12) um eine quer zur Drehachse der Stützrolle (12) verlaufende Achse (Gelenk 11) schwenkbar ausgeführt ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrolle (12) in einer Führung relativ zu dem Laserkopf (3) insbesondere translatorisch beweglich angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (4) mit zumindest einem von einem Fluid, insbesondere von einer Flüssigkeit beaufschlagbaren Kühlkörper ausgestattet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrolle (5) stirnseitig oder umfangsseitig gegen den Vorsprung des Werkstücks (2) anlegbar ist.