DE10209479B4 - Device for copying control of the feed path of a laser welding beam - Google Patents

Device for copying control of the feed path of a laser welding beam Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Kopiersteuern der Vorschubbahn eines Laserschweißstrahles beim Schweißen einer verdeckten Stumpfschweißnaht zwischen einer Stirnseite eines dünnwandigen Profilträgers (1) und einer seitlich darüber hinaus überstehenden Deckplatte (2), dadurch gekennzeichnet,
dass eine Laserschweißoptik (14) auf einem räumlich beweglichen Schlitten (6) befestigt ist, dessen Unterteil (5) an der Hand (4) eines Industrieroboters (3) angeordnet ist, der eine Soll-Vorschubbahn ausführt, die dem Soll-Querschnitt eines Profilträgers (1) entspricht und
dass mit dem räumlich beweglichen Schlitten (6) zwei mechanische Kopiertaster (19; 21) direkt verbunden sind, von denen einer den äußeren Umfang des Profilträgers (1) abtastet und Korrekturwerte der x- und y-Achsen der Ist-Vorschubbahn auf den Schlitten (6) überträgt und
von denen der andere die Ebene der Deckplatte (2) abtastet und Korrekturwerte der z-Achse für die rechtwinklige Lage des Schweißstrahles zur Deckplatte auf den Schlitten (6) überträgt.Device for copying control of the feed path of a laser welding beam during welding of a concealed butt weld between an end face of a thin-walled profile carrier (1) and a laterally protruding cover plate (2), characterized
in that a laser welding optics (14) is fastened on a spatially movable carriage (6), the lower part (5) of which is arranged on the hand (4) of an industrial robot (3) which executes a desired feed path corresponding to the nominal cross section of a profile carrier (1) corresponds to and
in that two mechanical copy buttons (19; 21) are directly connected to the spatially movable carriage (6), one of which scans the outer circumference of the profile carrier (1) and correction values of the x and y axes of the actual feed path to the carriage (FIG. 6) transfers and
of which the other scans the plane of the cover plate (2) and transmits correction values of the z-axis for the rectangular position of the welding beam to the cover plate on the carriage (6).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kopiersteuern der Vorschubbahn eines Laserschweißstrahles beim Schweißen einer verdeckten Stumpfschweißnaht zwischen einer Stirnseite eines dünnwandigen Profilträgers und einer seitlich darüber hinaus überstehenden Deckplatte, insbesondere an Karosserien für Kraftfahrzeuge.The The invention relates to a device for copying control of the feed path a laser welding beam when welding a hidden butt weld between a front side of a thin-walled profile carrier and one laterally above beyond protruding Cover plate, in particular to bodies for motor vehicles.

Bei der Herstellung von Karosserien für Kraftfahrzeuge ist es üblich, die Frontenden der Karosserien zu vermessen und entsprechend der gemessenen Werte die Schottbleche an die Längsträger anzuschweißen. Da durch die weitgehende Fertigstellung der Karosserie Schweißvorgänge an diesen Stellen nur sehr aufwändig möglich sind, werden die Schottbleche durch das Anschweißen von Hülsen vorbereitet, die auf die Längsträger aufgesteckt und an ihren Enden mit Längsträgern verschweißt werden. Diese Art der maßgerechten Anbringung der Schottbleche ist material- und zeitaufwändig.at It is customary in the manufacture of bodywork for motor vehicles that Front ends of the bodies to measure and according to the measured To weld the bulkhead plates to the side members. There by the extensive completion of the body welding operations on these Make only very expensive possible are, the bulkheads are prepared by welding on sleeves, which on the Side member attached and welded at their ends with side rails. This kind of tailor-made Mounting the bulkhead plates is time-consuming and material-consuming.

Weiterhin ist bekannt, derartige Anschraubflächen an anderen Karosseriestellen bereits bei der Einzelteilherstellung an den entsprechenden Stellen anzuschweißen. Die angeschweißten Platten werden in der Stärke wesentlich überdimensioniert und nach der Rohbaufertigstellung der Karosserie vermessen und auf einem Bearbeitungszentrum auf das Sollmaß abgefräst. Auch dieses Verfahren ist material- und zeitaufwändig.Farther is known, such mounting surfaces on other body shops to weld at the corresponding points already during the production of individual parts. The welded Plates are in strength considerably oversized and measured after the completion of the bodyshop and the bodywork A milling center is milled to the specified size. This procedure is also material and time consuming.

Aus der DE 37 33 568 A1 ist eine Vorrichtung zum Kopiersteuern der Vorschubbahn eines Laserstrahles unter Verwendung mechanischer Kopiertaster bekannt. Diese Vorrichtung umfasst ein Robotersystem, bei dem ein mindestens fünfachsig beweglicher Roboter einen mit einer fokussierenden Optik und einer Gaskühlung ausgerüsteten Laserkopf trägt, in den ein Laserstrahl eingekoppelt ist, der über ein mindestens fünfachsiges, aus Rohren und Kugelgelenken mit gekühlten Umlenkspiegeln bestehendes Laserstrahl-Führungssystem aus einem ortsfesten Laserstrahlerzeuger ausgekoppelt ist.From the DE 37 33 568 A1 For example, a device for copying control of the feed path of a laser beam using mechanical copying buttons is known. This device comprises a robot system in which an at least five-axis mobile robot carries a equipped with a focusing optics and gas cooling laser head, in which a laser beam is coupled, which consists of at least five-axis, consisting of tubes and ball joints with cooled deflecting laser beam guide system a stationary laser beam generator is coupled out.

Aus der DE 694 02 646 T2 ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Kopiersteuern der Vorschubbahn eines Laserstrahles unter Verwendung mechanischer Kopiertaster bekannt. Eine derartige Vorrichtung dient zum Herstellen und Zusammenfügen von Flaschen, nämlich von Flüssiggasflaschen. Diese Vorrichtung umfasst eine Laserlampe, die, einerseits, mit Mitteln zur Bezugnahme auf die durch Schweißung zusammenzufügende Flasche, um deren Aufrechterhaltung auf Abstand und in einer konstanten Lage bezüglich der Schweißnaht zu sichern, und, andererseits, mit Mitteln, um diese Bezugnahmemittel an die genannte Flasche anliegend zu halten, versehen ist, wobei die Vorrichtung mit Mitteln zum Steuern der Flasche in Drehung, um die Schweißnaht gegenüber der genannten Laserlampe fortbewegen zu lassen, ergänzt ist.From the DE 694 02 646 T2 There is also known a device for copying control of the feed path of a laser beam using mechanical copying buttons. Such a device is used to manufacture and assemble bottles, namely LPG cylinders. This device comprises a laser lamp comprising, on the one hand, means for reference to the bottle to be joined by welding, in order to maintain its maintenance at a distance and in a constant position with respect to the weld, and, on the other hand, means for applying said reference means to the said one Bottle, said device being supplemented with means for controlling the bottle in rotation to allow the weld to advance with respect to said laser lamp.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, mit der Deckplatten mittels einer Stumpfschweißnaht durch einen Laserschweißstrahl stirnseitig an dünnwandige Profilträger geschweißt werden können. Dadurch sollen der Materialaufwand und die erforderliche Arbeitszeit erheblich verringert und der Positionier- und der Schweißvorgang automatisiert werden.It The object of the invention is to provide a generic device, with the cover plates by means of a butt weld by a laser welding beam at the end on thin-walled Welded profile beams can. This should be the cost of materials and the required working time significantly reduced and the positioning and welding process be automated.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die gattungsgemäße Vorrichtung und deren Merkmal nach Patentanspruch 1 gelöst. Die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 7 sind Varianten oder vorteilhafte Ausführungen einzelner Merkmale des Patentanspruches 1.According to the invention Task by the generic device and their feature solved according to claim 1. The features of claims 2 to 7 are variants or advantageous embodiments of individual features of claim 1.

Durch die Anordnung der Laserschweißoptik auf einem räumlich beweglichen Schlitten, der an der Hand eines Industrieroboters angeordnet ist, kann die Laserschweißoptik durch Kopiertaster sowohl auf einer Bahn bewegt werden, die dem Ist-Querschnitt des Profilträgers entspricht als auch rechtwinklig zur Deckplatte. So kann die Deckplatte vom freien Raum vor der Karosserie aus mittels einer Stumpfschweißnaht an die Stirnseite des Profilträgers angeschweißt werden. Für diese Art der Befestigung der Deckplatte ist nur der von der Funktion bedingte Materialaufwand notwendig, und es wird eine hohe Festigkeit der Verbindung mit geringem Zeitaufwand erzielt.By the arrangement of the laser welding optics one spatially movable carriage, which is arranged on the hand of an industrial robot is, can the laser welding optics be moved by copying button both on a path that the Actual cross-section of the profile carrier corresponds as well as at right angles to the cover plate. So can the cover plate from the free space in front of the body by means of a butt weld the front of the profile carrier be welded. For this Type of attachment of the cover plate is only that of the function conditional material costs necessary, and it is a high strength of Achieved connection in a short time.

Das Kopieren des äußeren Umfanges des Profilträgers und der Ebene der Deckplatte ist sowohl mit mechanischen oder elektrischen als auch gemischten Verfahren möglich. Der räumlich bewegliche Schlitten besteht vorteilhaft aus einem an der Roboterhand angeordneten Unterteil, dessen Schlittenoberteil an einer Achse durch die Kopiersteuerung verschiebbar ist und einem auf dem Schlittenoberteil befestigten Kugelgelenk, das durch die Kopiersteuerung schwenkbar und an dem die Laserschweißoptik befestigt ist. Durch das Kopieren des Ist-Querschnittes des Profilträgers ist es möglich, auch bei sehr dünnwandigen Profilträgern und großen Toleranzen einwandfreie Schweißnähte auszuführen.The Copy the outer circumference of the profile carrier and the plane of the cover plate is both mechanical or electrical as well as mixed methods possible. The spatially movable carriage advantageously consists of a robot hand arranged lower part, the carriage upper part on an axis is displaceable by the copy control and one on the carriage upper part attached ball joint, which is pivotable by the copy control and at that the laser welding optics is attached. By copying the actual cross-section of the profile carrier is it possible, too in very thin-walled section beams and big ones Tolerances to perform flawless welds.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung.The Invention is based on an embodiment described. The drawing shows a schematic representation of Contraption.

Im Ausführungsbeispiel ist der dünnwandige Profilträger ein Längsträger 1 einer Kraftfahrzeugkarosserie und die Deckplatte ein Schottblech 2. Dabei ist es für die Erfindung kein Unterschied, ob es sich um das vordere Ende oder das hintere Ende des Längsträgers 1 der Kraftfahrzeugkarosserie handelt.In the exemplary embodiment, the thin-walled profile carrier is a longitudinal member 1 a motor vehicle body and the cover plate a bulkhead 2 , It is for the invention no difference, whether it is the front end or the rear end of the longitudinal member 1 the vehicle body acts.

In Längsrichtung vor dem Längsträger 1 steht oder hängt ein Industrieroboter 3, an dessen Hand 4 ein Unterteil 5 eines räumlich beweglichen Schlittens 6 geklemmt ist. Unter Zwischenschaltung einer Kugelführung 7 ist auf dem Unterteil 5 gegen die Wirkung einer Feder 8 in einer Achse verschiebbar ein Schlittenoberteil 9 gelagert. Die Oberseite des Schlittenoberteiles 9 ist als stationäre Lagerhälfte 10 des Kugelgelenkes 11 ausgebildet, in der eine Kugel 12 gelagert ist. Auf der oberen Kugelhälfte liegt die bewegliche Lagerhälfte 13 des Kugelgelenkes 11 auf, an der die Laserschweißoptik 14 befestigt ist. Zwischen überstehenden Flächen der beiden Lagerhälften 10; 13 des Kugelgelenkes 11 sind Druckfedern 15 und eine Feststellvorrichtung 16 für das Kugelgelenk 11 angeordnet. Am vorderen Ende des Laserstrahltubus 17 ist eine ringförmige Scheibe 18 befestigt, auf der in gleichmäßigem Abstand drei Taststifte 19 angeordnet sind, die an der Oberfläche des Schottbleches 2 anliegen. An der Laserschweißoptik 14 ist außerdem der Arm eines mechanischen Tasters 21 befestigt. Dieser Taster 21 liegt an dem äußeren Umfang des Längsträgers 1 an. An Stelle des mechanischen Tasters 21 kann auch ein elektrischer Taster 22 angeordnet sein, dessen Ausgang auf einen Stellmotor 23 geschaltet ist, der das Schlittenoberteil 9 verschiebt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch nur elektrische Taster und Stellmotoren zu verwenden. An Stelle des Kugelgelenkes 12 kann auch ein beidseitig eingespannter Stab aus geeignetem Kunststoff verwendet werden.In the longitudinal direction in front of the longitudinal member 1 stands or hangs an industrial robot 3 in his hand 4 a lower part 5 a spatially movable carriage 6 is clamped. With the interposition of a ball guide 7 is on the lower part 5 against the action of a spring 8th slidable in one axis, a carriage upper part 9 stored. The top of the carriage shell 9 is as a stationary half of the warehouse 10 of the ball joint 11 formed in which a ball 12 is stored. On the upper half of the ball is the movable half bearing 13 of the ball joint 11 on, at the laser welding optics 14 is attached. Between protruding surfaces of the two bearing halves 10 ; 13 of the ball joint 11 are compression springs 15 and a locking device 16 for the ball joint 11 arranged. At the front end of the laser beam tube 17 is an annular disc 18 attached, on the evenly spaced three styli 19 are arranged on the surface of the partition plate 2 issue. At the laser welding optics 14 is also the arm of a mechanical button 21 attached. This button 21 lies on the outer circumference of the longitudinal member 1 at. Instead of the mechanical button 21 can also be an electrical button 22 be arranged, whose output on a servomotor 23 is switched, which is the carriage upper part 9 shifts. It is within the scope of the invention to use only electrical buttons and actuators. In place of the ball joint 12 It is also possible to use a double-sided rod made of suitable plastic.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende:
Durch eine Roboterhand wird das Schottblech 2 maßgerecht an die Stirnseite das Längsträgers 1 gehalten. Dann bewegt der Industrieroboter 3 die Vorrichtung gegen das Schottblech 2 bis zur Anlage der drei Taster 19 des Laserstrahltubus 17. Durch eine rechtwinklige Bewegung des Industrieroboters 3 wird nun der Taster 21 an den äußeren Umfang des Längsträgers 1 angelegt. Die Bewegungsbahn der Hand 4 des Industrieroboters 3 ist so programmiert, dass der Laserschweißstrahl der Soll-Querschnittsform des Längsträgers 1 folgt. Da am Längsträger 1 Toleranzen zur Soll-Querschnittsform auftreten, werden diese durch den mechanischen Taster 21 auf das Schlittenoberteil 9 übertragen und so ausgeglichen. Durch die drei Taster 19 am Laserstrahltubus 17 wird die Laserschweißoptik 14 rechtwinklig auf das Schottblech 2 ausgerichtet. Durch die Feststellvorrichtung 16 am Kugelgelenk 11 wird diese Lage während des Schweißvorganges beibehalten.The operation of the device is as follows:
By a robot hand is the bulkhead 2 true to the front side of the longitudinal member 1 held. Then the industrial robot moves 3 the device against the partition plate 2 until the installation of the three buttons 19 of the laser beam tube 17 , By a right-angled movement of the industrial robot 3 will now be the button 21 on the outer circumference of the longitudinal member 1 created. The trajectory of the hand 4 of the industrial robot 3 is programmed so that the laser welding beam of the desired cross-sectional shape of the longitudinal member 1 follows. As on the side member 1 Tolerances occur to the desired cross-sectional shape, these are determined by the mechanical probe 21 on the sled top 9 transferred and so balanced. Through the three buttons 19 at the laser beam tube 17 becomes the laser welding optics 14 at right angles to the partition plate 2 aligned. By the locking device 16 at the ball joint 11 this position is maintained during the welding process.

Auf der programmierten Soll-Bewegungsbahn der Hand 4 des Industrieroboters 3 wird die Vorrichtung um den Querschnitt des Längsträgers 1 geschwenkt und somit die Schottplatte 2 mit einer ununterbrochenen Stumpfschweißnaht an die Stirnseite des Längsträgers 1 geschweißt. Die Schweißnaht kann jedoch auch durch eine Programmierung des Laserschweißgerätes unterbrochen ausgeführt werden, indem beispielsweise nur an den geraden Seiten des Längsträgers 1 geschweißt wird.On the programmed desired trajectory of the hand 4 of the industrial robot 3 the device becomes the cross-section of the longitudinal member 1 pivoted and thus the bulkhead plate 2 with a continuous butt weld on the front side of the longitudinal member 1 welded. However, the weld can also be performed interrupted by programming the laser welding device, for example, only on the straight sides of the longitudinal member 1 is welded.

11
Längsträgerlongitudinal beams
22
SchottblechSchott sheet
33
Industrieroboterindustrial robots
44
Handhand
55
Unterteillower part
66
Schlittencarriage
77
Kugelführungball guide
88th
Federfeather
99
SchlittenoberteilSled shell
1010
stationäre Lagerhälftestationary half of the warehouse
1111
Kugelgelenkball joint
1212
KugelBullet
1313
bewegliche Lagerhälfteportable bearing half
1414
LaserschweißoptikLaser welding optics
1515
Druckfedercompression spring
1616
FeststellvorrichtungLocking device
1717
LaserstrahltubusLaserstrahltubus
1818
Scheibedisc
1919
Taststiftestyli
2020
Armpoor
2121
mechanischer Tastermechanical button
2222
elektrischer Tasterelectrical button
2323
Stellmotorservomotor

Claims (7)

Vorrichtung zum Kopiersteuern der Vorschubbahn eines Laserschweißstrahles beim Schweißen einer verdeckten Stumpfschweißnaht zwischen einer Stirnseite eines dünnwandigen Profilträgers (1) und einer seitlich darüber hinaus überstehenden Deckplatte (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserschweißoptik (14) auf einem räumlich beweglichen Schlitten (6) befestigt ist, dessen Unterteil (5) an der Hand (4) eines Industrieroboters (3) angeordnet ist, der eine Soll-Vorschubbahn ausführt, die dem Soll-Querschnitt eines Profilträgers (1) entspricht und dass mit dem räumlich beweglichen Schlitten (6) zwei mechanische Kopiertaster (19; 21) direkt verbunden sind, von denen einer den äußeren Umfang des Profilträgers (1) abtastet und Korrekturwerte der x- und y-Achsen der Ist-Vorschubbahn auf den Schlitten (6) überträgt und von denen der andere die Ebene der Deckplatte (2) abtastet und Korrekturwerte der z-Achse für die rechtwinklige Lage des Schweißstrahles zur Deckplatte auf den Schlitten (6) überträgt.Device for copying control of the feed path of a laser welding beam when welding a concealed butt weld between a front side of a thin-walled profile carrier ( 1 ) and a laterally beyond the cover plate ( 2 ), characterized in that a laser welding optics ( 14 ) on a spatially movable carriage ( 6 ), whose lower part ( 5 ) on the hand ( 4 ) of an industrial robot ( 3 ) is arranged, which executes a desired feed path, the desired cross-section of a profile carrier ( 1 ) and that with the spatially movable carriage ( 6 ) two mechanical copy buttons ( 19 ; 21 ) are directly connected, one of which the outer circumference of the profile carrier ( 1 ) and corrective values of the x and y axes of the actual feed path on the carriage ( 6 ) transmits and of which the other the plane of the cover plate ( 2 ) and correction values of the z-axis for the rectangular position of the welding beam to the deck plate on the sled ( 6 ) transmits. Vorrichtung zum Kopiersteuern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopiertaster (19) für die Ebene der Deckplatte (2) aus drei Taststiften (19) besteht, die auf einer Platte (17) so befestigt sind, dass sie Aussparungen in der Deckplatte (2) vermeiden und konzentrisch zum Schweißstrahl angeordnet sind.Copy control apparatus according to claim 1, characterized in that the copy button ( 19 ) for the plane of the cover plate ( 2 ) from three styli ( 19 ) on a plate ( 17 ) are fixed so that they have recesses in the cover plate ( 2 ) and are arranged concentrically to the welding beam. Vorrichtung zum Kopiersteuern nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Kopiertaster (22) angeordnet sind, die elektrische Stellmotoren (23) für die x-, y- und z-Achse am räumlich beweglichen Schlitten (6) steuern.Device for copying control according to claims 1 and 2, characterized in that electrical copying buttons ( 22 ) are arranged, the electric servomotors ( 23 ) for the x, y and z axes on the spatially movable slide ( 6 ) Taxes. Vorrichtung zum Kopiersteuern nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abtastung des äußeren Umfanges des Profilträgers (1) ein elektrischer Kopiertaster (22) angeordnet ist, der seine Korrekturwerte für die x- und y-Achsen auf Stellmotore (23) am räumlich beweglichen Schlitten (6) überträgt und dass für die Abtastung der Ebene der Deckplatte (2) ein mechanischer Kopiertaster 19 angeordnet ist, der direkt mit dem räumlich beweglichen Schlitten (6) verbunden ist.Device for copying control according to claims 1 to 3, characterized in that for the scanning of the outer circumference of the profile carrier ( 1 ) an electrical copy button ( 22 ), its correction values for the x and y axes on servo motors ( 23 ) on the spatially movable slide ( 6 ) and that for the scanning of the plane of the cover plate ( 2 ) a mechanical copy button 19 arranged directly with the spatially movable carriage ( 6 ) connected is. Vorrichtung zum Kopiersteuern nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der räumlich bewegliche Schlitten (6) aus einem an der Roboterhand (4) angeordneten Unterteil (5) besteht, auf dem ein Schlittenoberteil (9) in einer Achse verschiebbar gelagert ist und dass auf dem Schlittenoberteil (9) mittels eines Kugelgelenkes (11) eine Laserschweißoptik (14) schwenkbar gelagert ist.Device for copying control according to claims 1 to 4, characterized in that the spatially movable carriage ( 6 ) from one on the robot hand ( 4 ) arranged lower part ( 5 ), on which a carriage upper part ( 9 ) is slidably mounted in an axis and that on the carriage upper part ( 9 ) by means of a ball joint ( 11 ) a laser welding optics ( 14 ) is pivotally mounted. Vorrichtung zum Kopiersteuern nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelgelenk (11) klemmbar ist.Device for copying control according to claims 1 and 5, characterized in that the ball joint ( 11 ) is clamped. Vorrichtung zum Kopiersteuern nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlittenoberteil (9) und das Kugelgelenk (11) gegen Federkraft beweglich sind.Copy control device according to claims 1, 5 and 6, characterized in that the carriage upper part ( 9 ) and the ball joint ( 11 ) are movable against spring force.
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