-
Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Unter den Fügeverfahren zeichnet sich das Laserstrahlschweißen durch einen geringen Wärmeeintrag, hohe Prozessgeschwindigkeiten, eine hohe Präzision und gute Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse aus. Typische Anwendungsgebiete des Laserstrahlschweißens betreffen Baugruppen, wie zum Beispiel Getriebeteile, insbesondere Schaltwellen, Schaltwalzen, Rastierhülsen, Schaltgabeln oder Führungskästen aus dem Lenkungsbereich eines Kraftfahrzeuges. Bei diesen Baugruppen werden oftmals bis zu zehn Einzelteile unter Einhaltung von geringen Toleranzen gefügt.
-
Neben der Fertigungsqualität ist eine hohe Produktivität des Laserstrahlschweißens entscheidend, um sich im Wettbewerb auch wirtschaftlich gegenüber anderen Fügeverfahren durchsetzen zu können.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorzuschlagen, welche eine gute Fertigungsqualität zusammen mit einer hohen Produktivität aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
-
Im Rahmen der Erfindung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgeschlagen, welche zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserstrahl geeignet und/oder ausgebildet ist.
-
Bei der Bearbeitung handelt sich es insbesondere um ein Laserstrahlschweißen, im Speziellen um ein Laserstrahltiefschweißen. In alternativen Ausführungsformen kann die Laserbearbeitungsvorrichtung auch für andere Bearbeitungsverfahren, wie zum Beispiel Härten oder Löten, ausgelegt sein.
-
Der Laserstrahl wird durch eine Laserstrahlquelle erzeugt und besonders bevorzugt über eine Lichtleitfaser bereitgestellt. Die Laserquelle ist besonders bevorzugt als ein Scheibenlaser oder als ein Hochleistungsdiodenlaser ausgelegt. Insbesondere weist die Laserquelle eine cw-Leistung von größer 1 kW, vorzugsweise größer 2 kW und insbesondere größer 3 kW auf. Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung bildet die Laserquelle einen Teil der Laserbearbeitungsvorrichtung.
-
Das Werkstück ist besonders bevorzugt als eine Baugruppe mit mindestens drei Einzelteilen, vorzugsweise mit mindestens fünf Einzelteilen und insbesondere mit mindestens sieben Einzelteilen ausgebildet. Im Verlauf der Bearbeitung ist vorgesehen, dass die Einzelteile des mehrteiligen Werkstücks zu einem einteiligen Werkstück gefügt werden.
-
Besonders bevorzugt ist das Werkstück als ein Getriebeteil, wie zum Beispiel eine Schaltwelle, eine Schaltwalze, eine Rastierhülse, eine Schaltgabel oder zum Beispiel als ein Führungskasten oder ein Lenksäulengehäuse aus dem Lenkungsbereich eines Kraftfahrzeuges ausgebildet. Das Material des Werkstückes ist vorzugsweise metallisch, insbesondere Stahl.
-
Die Laserbearbeitungsvorrichtung weist einen ortsfesten Rahmen auf, welcher insbesondere während der Bearbeitung des Werkstücks ortsfest zum Beispiel in einer Halle oder einem anderen Fertigungsort, insbesondere auf einem Maschinenfundament aufgestellt ist. Der ortsfeste Rahmen kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, insbesondere kann der ortsfeste Rahmen aus mehreren Abschnitten aufgebaut sein, welche auch beabstandet zueinander ortsfest angeordnet sind.
-
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst mindestens eine Laserscanvorrichtung, welche eine Ablenkung des Laserstrahls in mindestens zwei unabhängige Dimensionen, welche nachfolgend als X- und Y-Richtung bezeichnet werden, ermöglicht, so dass durch den Laserstrahl ein Bearbeitungsbereich abgescannt werden kann. Beispielsweise kann die Laserscanvorrichtung ein oder zwei steuerbare Spiegel aufweisen, welche eine Ablenkung des Laserstahls umsetzen. Eine derartige Laserscanvorrichtung hat den Vorteil, dass der Strahl sehr schnell geführt werden kann, da die Spiegel oder andere Ablenkungseinrichtungen aufgrund ihrer geringen Masse hochdynamisch bewegt werden können.
-
Ferner umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung mindestens eine Werkstückhalterung zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks, wobei die Werkstückhalterung das Werkstück bei der Bearbeitung im Bearbeitungsbereich hält, so dass das Werkstück durch den von der Laserscanvorrichtung abgelenkten Laserstrahl bearbeitet werden kann.
-
Besonders bevorzugt ist die Laserbearbeitungsvorrichtung als eine sogenannte Remote-Laservorrichtung ausgebildet, wobei der Laserstrahl nach der Laserscanvorrichtung über einen Weg von mindestens 20 cm, vorzugsweise von mindestens 30 cm und insbesondere von mindestens 40 cm frei geführt wird.
-
Der Bearbeitungsbereich am Werkstück, der durch die Laserscanvorrichtung erreicht werden kann, ist beispielsweise größer als 10 cm × 10 cm ausgebildet. Durch die Laserscanvorrichtung kann der Laserstrahl bei der Bearbeitung sehr schnell über das Werkstück geführt werden und bei einem Positionswechsel auf dem Werkstück, zum Beispiel, um das Werkstück an einer anderen Position zu bearbeiten, mit Geschwindigkeiten von größer 50 m pro Minute verfahren oder versetzt werden.
-
Die Laserbearbeitungsvorrichtung weist eine erste Manipulationseinrichtung auf, welche die Werkstückhalterung während der Bearbeitung relativ zu dem ortsfesten Rahmen manipulieren, insbesondere bewegen kann. Mit dieser ersten Manipulationseinrichtung ist es insbesondere möglich, das Werkstück in dem Bearbeitungsbereich bearbeitungsgerecht vor oder während der Bearbeitung zu positionieren.
-
Erfindungsgemäß weist die Laserbearbeitungsvorrichtung eine zweite Manipulationseinrichtung auf, welche die Laserscanvorrichtung relativ zu dem ortsfesten Rahmen manipulieren, insbesondere bewegen kann.
-
Insbesondere sind die erste und die zweite Manipulationseinrichtung kinematisch voneinander unabhängig an dem ortsfesten Rahmen angeordnet. Somit bildet die erste Manipulationseinrichtung eine erste kinematische Kette und die zweite Manipulationseinrichtung eine zweite kinematische Kette, wobei die beiden kinematischen Ketten parallel und/oder unabhängig voneinander an dem ortsfesten Rahmen befestigt sind.
-
Die Laserbearbeitungsvorrichtung setzt mit seiner Kinematik ein neuartiges Maschinenkonzept um, das eine hochdynamische Bearbeitung von Werkstücken ermöglicht:
Betrachtet man die Produktivität einer Laserbearbeitungsvorrichtung, kann zwischen der Zykluszeit einerseits und der Fertigungszeit andererseits unterschieden werden. Die Zykluszeit wird als die Zeit definiert, welche von der Fertigstellung einer Baugruppe bis zur Fertigstellung der nächsten Baugruppe im Mittel verstreicht. Die Fertigungszeit setzt sich zusammen aus einer Hauptzeit und einer Nebenzeit, wobei die Hauptzeit als der Zeitanteil mit einem unmittelbaren Arbeitsfortschritt definiert ist, das heißt, es werden zum Beispiel Schweißnähte an dem Werkstück erzeugt. Unter die Nebenzeiten fallen Zeitanteile, welche erforderlich sind, um einen Prozessablauf als Ganzes zu ermöglichen. Dazu gehören das Zuführen der Einzelteile, der Spannvorgang, die Handhabung der Spanntechnik, das wiederholte Positionieren des Laserstrahls, das Entspannen und die Entnahme des Werkstücks.
-
Idealer Weise entspricht die Zykluszeit der Hauptzeit, so dass die Zykluszeit durch Verringerung der Hauptzeit ebenfalls verkürzt wird, was zu einer erhöhten Produktivität führt. Durch das neuartige Maschinenkonzept kann das Werkstück bearbeitet werden, wobei die Positionierung und das Verfahren bzw. Positionieren des Laserstrahls durch ein Zusammenspiel der Laserscanvorrichtung und der ersten bzw. der zweiten Manipulationseinrichtung hochdynamisch und somit sehr schnell erfolgen kann, so dass die Hauptzeit reduziert, die Zykluszeit verkürzt und die Produktivität erhöht werden kann.
-
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ermöglicht die zweite Manipulationseinrichtung ein Verfahren der Laserscanvorrichtung parallel zu einer durch die X- und Y-Richtung aufgespannten Ebene. In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Manipulationseinrichtung als eine Linearachse ausgebildet, welche die Laserscanvorrichtung parallel zur X-Richtung verfährt, so dass der Bearbeitungsbereich in X-Richtung verlängert ist. Diese Ausgestaltung erlaubt die Bearbeitung von insbesondere länglichen Werkstücken, welche in der Werkstückhalterung so eingelegt sind, dass sich diese in X-Richtung erstrecken. Statt der X-Richtung kann die Linearachse auch in Y-Richtung ausgerichtet sein. Es ist auch möglich, dass die zweite Manipulationseinrichtung sowohl eine Linearachse in X-Richtung als auch eine Linearachse in Y-Richtung aufweist.
-
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung weist die zweite Manipulationseinrichtung eine Linearachse auf, welche ein Verfahren der Laserscanvorrichtung nach einer zu der X- und Y-Richtung senkrechten Z-Richtung ermöglicht. Alternativ oder ergänzend ist eine Verschiebung des Laserstrahls in dieser Z-Richtung auch durch die Laserscanvorrichtung möglich, welche damit eine 2,5-Dimension-Laserscanvorrichtung darstellt. Gerade bei in Z-Richtung ausgedehnten Werkstücken kann durch die Verschiebung in Z-Richtung der Fokus des Laserstrahls nachgeführt werden.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erste Manipulationseinrichtung eine erste Schwenkachse zur Schwenkung der Werkstückhalterung um die X-Achse bzw. X-Richtung auf. Diese erste Schwenkachse kann optional auch als eine Endlosdrehachse ausgebildet sein. Durch die Schwenkachse ist es z. B. möglich, das Werkstück so zu positionieren, dass es an der Oberseite und an der Unterseite bearbeitet werden kann oder während der Bearbeitung zu schwenken.
-
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Manipulationsvorrichtung eine zweite Schwenkachse, welche zur Schwenkung der Werkstückhalterung und der ersten Schwenkachse um die Y-Achse bzw. Y-Richtung ausgebildet ist. Diese zweite Schwenkachse kann optional auch als eine Endlosdrehachse ausgebildet sein. Durch die zweite Schwenkachse ist es möglich, das Werkstück relativ zu der Y-Richtung aufzustellen.
-
Bei abgewandelten Ausführungsformen ist es auch möglich, dass die erste Schwenkachse um die Y-Richtung und die zweite Schwenkachse um die X-Richtung schwenkt.
-
Durch eine gemeinsame Ansteuerung der Laserscanvorrichtung sowie der ersten Manipulationseinrichtung und/oder der zweiten Manipulationseinrichtung ist es möglich, das Werkstück und den Laserstrahl während der Bearbeitung relativ zueinander hochdynamisch zu positionieren und das Werkstück mit dem Laserstrahl zu bearbeiten. Insbesondere ist die Laserbearbeitungsvorrichtung ausgebildet, die Laserscanvorrichtung, die Laserquelle, die erste Manipulationseinrichtung und/oder die zweite Manipulationseinrichtung zeitgleich und/oder zeitlich synchronisiert zueinander zu aktivieren. Insbesondere wird eine Bearbeitungsbahn des Laserstrahls auf dem Werkstück durch Mitwirkung der Laserscanvorrichtung sowie der ersten Manipulationseinrichtung und/oder der zweiten Manipulationseinrichtung umgesetzt.
-
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Werkstückhalterung als eine Wechselkassette, insbesondere als eine Wechselspannkassette, ausgebildet, wobei das Werkstück in der Wechselkassette angeordnet, insbesondere gespannt ist.
-
Durch den Einsatz der Wechselkassette ist es möglich, die Wechselkassette unabhängig von der Bearbeitung zu bestücken. Damit können Spannaufgaben und Entnahmeaufgaben, welche üblicher Weise in den Nebenzeiten umgesetzt werden, zeitlich parallel zu der Hauptzeit durchgeführt werden, so dass die Fertigungszeit verringert und damit die Produktivität der Laserbearbeitungsvorrichtung erhöht ist. Insbesondere wird das Werkstück aus mehreren Einzelteilen gebildet, wobei die mehreren Einzelteile in der Wechselkassette bearbeitungsfertig eingelegt und gespannt sind.
-
Die Wechselkassette weist Referenzflächen oder -punkte auf, welche eine reproduzierbare Positionierung der Wechselkassette in der Laserbearbeitungsvorrichtung ermöglichen. Optional ergänzend weist die Wechselkassette eine Kodierung auf, so dass die Laserbearbeitungsvorrichtung auslesen kann, welches Werkstück in der Wechselkassette zur Bearbeitung angeordnet ist und gegebenenfalls ein passendes Bearbeitungsprogramm wählen kann.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die erste Manipulationseinrichtung einen Kassettenwechsler auf, welcher die Wechselkassette zwischen einer Bearbeitungsposition und einer Wechselposition transportieren kann. Mit dem Ziel, das Wechseln der Wechselkassetten zu beschleunigen, wird ein Transport der Wechselkassetten von der Bearbeitungsposition zu der Wechselposition oder in Gegenrichtung automatisiert durch den Kassettenwechsler durchgeführt. Auch diese Maßnahme führt zu einer Verringerung der Nebenzeit und damit zur Verringerung der Fertigungszeit.
-
Prinzipiell kann vorgesehen sein, dass eine Wechselkassette mit dem unbearbeiteten Werkstück in die Bearbeitungsposition eingelegt und eine Wechselkassette mit einem bearbeiteten Werkstück aus der Wechselposition entnommen wird oder dass eine Wechselkassette mit einem unbearbeiteten Werkstück an die Wechselposition gebracht wird und eine Wechselkassette mit dem bearbeiteten Werkstück von der Bearbeitungsposition entnommen wird.
-
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Kassettenwechsler auf der zweiten Schwenkachse angeordnet ist. Damit wird der Kassettenwechsler stets mitgeführt, so dass etwaige Verfahrwege zu dem Kassettenwechsler und von dem Kassettenwechsler nicht gegeben sind. Auch diese Maßnahme dient der Verkleinerung der Nebenzeit.
-
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst der Kassettenwechsler zwei Kassettenaufnahmen, welche z. B. auf einer Linearachse angeordnet sind und gemeinsam auf der Linearachse verfahren werden können. Die Kassettenaufnahmen sind vorzugsweise in Z-Richtung übereinander angeordnet. Diese Weiterbildung des Kassettenwechslers erlaubt es, dass zugleich zwei Kassetten, insbesondere eine Wechselkassette mit einem bearbeiteten und eine Wechselkassette mit einem unbearbeiteten Werkstück.
-
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Laserbearbeitungsvorrichtung einen Übergaberoboter auf, welcher programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist und zudem derart angeordnet ist, den Wechsel der Wechselkassetten zu übernehmen. Bei einer ersten Alternative bringt der Übergaberoboter eine erste Wechselkassette mit einem unbearbeiteten Bauteil in die die erste Kassettenaufnahme und entnimmt eine zweite Wechselkassette mit einem bearbeiteten Bauteil aus der zweiten Kassettenaufnahme. Bei einer anderen Besonders bevorzugt weist der Übergaberoboter als Greifwerkzeug einen Doppelbock oder einen Doppelmanipulator auf, welcher sowohl die Funktion des Einlegens der Wechselkassette als auch die Funktion des Abholens der Wechselkassette übernimmt. Besonders bevorzugt ist das Greifwerkzeug ausgebildet, die beiden Funktionen zeitgleich oder zumindest zeitlich überlappend durchzuführen, um wiederum die Nebenzeit möglichst gering zu halten.
-
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Transferstation zur Bestückung der bzw. einer Mehrzahl derartiger Wechselkassetten mit Einzelteilen des Werkstücks. Die Laserbearbeitungsvorrichtung ist so ausgebildet, dass die Wechselkassetten durch einen oder den zuvor beschriebenen Übergaberoboter von der Transferstation im Materialfluss in Richtung der ersten Manipulationseinrichtung weiter gegeben werden. Durch die Transferstation wird die Automatisierung der Laserbearbeitungsvorrichtung weiter erhöht, wobei die Bestückung der Wechselkassette mit Einzelteilen des Werkstücks parallel zur Hauptzeit durchgeführt werden kann bzw. durchgeführt wird, so dass die Nebenzeit weiter verkürzt wird, was sich auf die Fertigungszeit bzw. auf die Zykluszeit positiv auswirkt.
-
Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist die Transferstation eine Mehrzahl von Bestückungspositionen auf, wobei die Wechselkassetten in der Bestückungsposition durch eine entsprechende Anzahl von Bestückungsrobotern zeitgleich oder parallel mit Einzelteilen des Werkstücks bestückt werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Wechselkassetten die Bestückungspositionen nacheinander durchlaufen und in jeder Bestückungsposition zusätzliche Bestückungsarbeitsgänge durchgeführt werden und insbesondere zusätzliche Einzelteile des Werkstücks in die Wechselkassette eingelegt und gegebenenfalls gespannt werden.
-
Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist die Transferstation eine Hubbalkenaktorik auf, wobei zeitgleich oder parallel eine Mehrzahl von Wechselkassetten weiter gesetzt werden können. Insbesondere werden die Wechselkassetten simultan umgesetzt. Das Ergebnis ist ein zeitoptimiertes Umsetzen der Wechselkassetten in der Transferstation, was wieder zu einer Verkleinerung der Nebenzeiten beiträgt.
-
Nachdem während des Auswechselns von Wechselkassetten der ersten Manipulationseinrichtung eine Bearbeitung des Werkstücks nicht möglich ist, ist es bevorzugt, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung zwei Laserzellen umfasst, wobei jede Laserzelle zumindest eine erste Manipulationseinrichtung und optional ergänzend eine zweite Manipulationseinrichtung mit der Laserscanvorrichtung aufweist. Alternativ kann die Laserscanvorrichtung durch die zweite Manipulationseinrichtung auch zwischen der ersten Laserzelle und der zweiten Laserzelle hin und her gefahren werden. Durch den Einsatz von zwei Laserzellen kann die Nebenzeit weiter verringert werden, indem die Laserzellen im Gegentakt betrieben werden, wobei während der Bearbeitung des Werkstücks in einer Laserzelle die andere Laserzelle bestückt werden kann. Die Weiterbildung des Konzepts ermöglicht es, die Zykluszeit weiter an die Hauptzeit der Bearbeitung anzugleichen und so höchste Produktivität zu erreichen.
-
In einer möglichen, industrienahen Umsetzung der Erfindung umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Steuereinrichtung, welche programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, die Laserbearbeitungsvorrichtung so anzusteuern, dass die zwei Laserzellen im Gegentakt wie zuvor beschrieben arbeiten und die Transferstation zeitgleich mit der Bearbeitung in den Laserzellen die Wechselkassetten bestückt, so dass die Zykluszeit zur Ausgabe des Werkstücks im Mittel gleich oder maximal zweifach, vorzugsweise maximal 1,6-fach und insbesondere maximal 1,3-fach so groß ist wie die Hauptzeit zur Bearbeitung des Werkstücks. Bei einer Hauptzeit von 6 s, ist die Zykluszeit idealerweise ebenfalls 6 s, maximal 12 s, vorzugsweise maximal 9,6 s, insbesondere maximal 7,8 s.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung und dabei zeigen:
-
1 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Laserzelle in einer Laserbearbeitungsvorrichtung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
2 in Frontansicht zwei Laserzellen der Laserbearbeitungsvorrichtung in 1;
-
3 eine zweite Laserbearbeitungsvorrichtung als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
4 eine Draufsicht auf den Gesamtaufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorhergehenden Figuren;
-
5 eine schematische dreidimensionale Darstellung der Transferstation in der vorhergehenden Funktion der Laserbearbeitungsvorrichtung;
-
6 einen Graph zur Illustration des zeitlichen Ablaufs der Fertigung in der Laserbearbeitungsvorrichtung;
-
7 eine schematische dreidimensionale Darstellung des Kassettenwechslers ohne Kassette;
-
8 den Kassettenwechsler in der 7 mit einer Wechselkassette in der oberen Kassettenaufnahme;
-
8 den Kassettenwechsler in der 7 mit einer Wechselkassette in der unteren Kassettenaufnahme.
-
Einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren mit den gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen versehen.
-
Die 1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung einen Ausschnitt einer Laserbearbeitungsvorrichtung 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem Ausschnitt der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 ist eine Laserzelle 2a dargestellt, wobei ein das die Laserzelle 2a umschließendes Gehäuse graphisch unterdrückt wurde, um Verdeckungen zu vermeiden. In der Laserzelle 2a ist eine erste Manipulationseinrichtung 3 und eine zweite Manipulationseinrichtung 4 angeordnet, welche voneinander unabhängig, getrennt oder separat an einem ortsfesten Rahmen 5 angeordnet sind. Der ortsfeste Rahmen 5 bildet das Maschinengestell und sitzt auf einem Hallenboden oder einem Fundament und kann auch mehrteilig ausgebildet sein.
-
Die erste Manipulationseinrichtung 3 dient zur Manipulation einer Werkstückhalterung 6, die in der 1 nur schraffiert angedeutet ist. Die Werkstückhalterung 6 ist als eine Wechselkassette 6 mit Spannfunktion ausgebildet, welche in ihrer Gesamtheit in die erste Manipulationseinrichtung 3 eingelegt werden kann. In der Wechselkassette 6 sind Einzelteile des zu bearbeitenden Werkstücks eingelegt und bearbeitungsbereit gespannt.
-
Die erste Manipulationseinrichtung 3 umfasst eine erste Schwenkachse 7, welche eine Schwenkung der Werkstückhalterung bzw. Wechselkassette 6 um eine X-Richtung 8 ermöglicht. Die Werkstückhalterung bzw. Wechselkassette 6 ist über die erste Schwenkachse 7 auf einer zweiten Schwenkachse 9 (nicht dargestellt) angeordnet, welche eine Schwenkung der Werkstückhalterung bzw. Wechselkassette 6, der ersten Schwenkachse 7 um eine Y-Richtung 10 ermöglicht.
-
Konstruktiv betrachtet ist auf der zweiten Schwenkachse 9 ein nach vorne geöffneter U-Körper 11 angeordnet, in dessen umschlossenen Raum die Werkstückhalterung bzw. Wechselkassette 6 angeordnet und über die erste Schwenkachse 7 schwenkbar gelagert ist. Die erste Schwenkachse 7 erstreckt sich zwischen den zwei freien Schenkeln des U-Körpers 11.
-
Die zweite Manipulationseinrichtung 4 trägt eine Laserscanvorrichtung 12, welche über eine Lichtkabelschnittstelle 13 und ein Lichtleitkabel (nicht dargestellt) mit einem Bearbeitungslaser (nicht dargestellt), wie zum Beispiel einem Scheibenlaser, gekoppelt ist, so dass ein Laserstrahl in die Laserscanvorrichtung 12 geführt wird. Eine Austrittsoptik 14 ist mindestens 20 cm oder 30 cm von der Werkstückhalterung bzw. Wechselkassette 6 entfernt, so dass bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 ein sogenanntes Remote-Schweißen durchgeführt wird, also ein Schweißverfahren, bei dem der Laserstrahl vor dem Werkstück frei durch den Raum geführt wird.
-
Die Laserscanvorrichtung 12 ist als ein zweidimensionaler Scanner oder ein 2,5-dimensionaler Scanner ausgeführt, welcher eine Ablenkung des Laserstrahls auf der Werkstückhalterung 6 bzw. auf dem Werkstück in X-Richtung 8 und Y-Richtung 10 ermöglicht. Optional ergänzend erlaubt die Laserscanvorrichtung 12 auch einen Versatz des Laserstrahls in einer dazu senkrechten Z-Richtung 15, um beispielsweise den Fokus des Laserstrahls bei der Bearbeitung nachführen zu können.
-
Die Laserscanvorrichtung 12 sitzt auf einer ersten Linearachse 16, welche eine Verschiebung der Laserscanvorrichtung 12 in Z-Richtung 15 ermöglicht. Die erste Linearachse 16 sitzt auf einer zweiten Linearachse 17, welche eine Verschiebung der ersten Linearachse 16 und damit der Laserscanvorrichtung 12 in X-Richtung 8 ermöglicht.
-
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 dient zum Laserstrahlschweißen von Werkstücken mit dem über die Laserscanvorrichtung 12 geführten Laserstrahl. Bei der Bearbeitung des Werkstücks wirken die erste Manipulationseinrichtung 3 und die zweite Manipulationseinrichtung 4 sowie die Laserscanvorrichtung 12 zusammen, um durch synchronisierte Bewegungen als ein gemeinsames Mehrachssystem den Laserstrahl auf dem Werkstück zu positionieren und entlang der Bearbeitungsbahn zu führen.
-
Besondere Vorteile ergeben sich aus dem Maschinenkonzept, da durch die masselose oder nahezu masselose Führung des Laserstrahls durch die Laserscanvorrichtung 12 der Laserstrahl hochdynamisch positioniert bzw. versetzt und Bewegungsbahnen abgefahren werden können. Insbesondere, wenn an dem Werkstück eine Mehrzahl von Schweißnähten eingebracht werden müssen, zum Beispiel mehr als fünf Schweißnähte, kann über die Laserscanvorrichtung 12 eine neue Positionierung des Laserstrahls mit einer Positioniergeschwindigkeit von größer 50 m/min auf dem Werkstück umgesetzt werden.
-
Die 2 zeigt die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 mit zwei Laserzellen 2a, b, wobei die zweite Laserzelle 2b analog zu der ersten Laserzelle 2a aufgebaut ist, sodass auf die vorhergehende Beschreibung bzw. Figur verwiesen wird. Die zwei Laserzellen 2a, b werden von der gleichen Laserquelle versorgt und arbeiten im Gegentakt, so dass während der Bearbeitung eines Werkstücks in der ersten Laserzelle 2a ein Wechsel der Wechselkassette als Werkstückhalterung 6 in der zweiten Laserzelle 2b erfolgen kann, wobei idealer Weise die Hauptzeit für den Bearbeitungsprozess und die Nebenzeit für den Wechsel der Wechselkassette so abgestimmt ist, dass sich Hauptzeiten der zwei Laserzellen 2a, b lückenlos oder nahezu lückenlos aneinanderreihen.
-
Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsvorrichtung 1, welche sich im Wesentlichen von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die zweite Manipulationseinrichtung 4 beiden Laserzellen 2a, b zugeordnet ist, wobei die Laserscanvorrichtung 12 wechselnd zwischen der ersten Laserzelle 2a und der zweiten Laserzelle 2b verfahren wird. Zudem ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf die zweite Schwenkachse 9 verzichtet worden, so dass der U-Körper 11 starr mit dem ortsfesten Rahmen 5 verbunden ist.
-
Die 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf die gesamte Laserbearbeitungsvorrichtung 1, welche neben den Laserzellen 2a, b eine Transferstation 18, eine Qualitätssicherungsstation 19, einen ersten Übergaberoboter 20 und einen zweiten Übergaberoboter 21 umfasst.
-
In der Transferstation 18 werden die Wechselkassetten 6 mit den Einzelteilen des Werkstücks bestückt und bearbeitungsbereit vorgespannt. Hierzu weist die Transferstation 18 drei Bestückpositionen 22a, b, c auf, wobei in der ersten Bestückposition 22a eine Wechselkassette mit einem fertig bearbeiteten Werkstück von dem ersten Übergaberoboter 20 eingelegt wird. Der zweite Übergaberoboter 21 entnimmt das Werkstück und transportier dieses zur Qualitätssicherungsstation 19. In der zweiten Bestückposition 22b wird eine erste Teilmenge der Einzelteile des Werkstücks, in der dritten Bestückposition 22c eine zweite Teilmenge der Einzelteile eingelegt. Das Einlegen der Einzelteile erfolgt über Einlegeroboter 23a, b, welche den jeweiligen Bestückpositionen 22b, bzw. 22c exklusiv zugeordnet sind. Der erste Übergaberoboter 20 greift an einer Übergabeposition 24 die fertig bestückte Wechselkassette 6 und befördert diese gemäß der Pfeile 25a, b in die Laserzelle 2a, b. Zugleich holt der erste Übergaberoboter 20 aus den Laserzellen 2a, b eine Wechselkassette 6 mit geschweißtem Werkstück ab und transportiert diese wieder an die erste Bestückposition 22a.
-
In der 5 ist schematisch die Transferstation 18 dargestellt, wobei in der ersten Bestückposition 22a die Wechselkassette 6 mit dem geschweißten Werkstück abgelegt wird und das geschweißte Werkstück von dem zweiten Übergaberoboter 21 entnommen und zur Qualitätssicherungsstation 19 gebracht wird. In der zweiten Bestückposition 22b erfolgt das Einlegen von Teilen, zum Beispiel Teil 1, 2, 3, in der dritten Bestückposition 22c erfolgt dann das Einlegen der Teile 4, 5, 6. In der Übergabeposition 24 wird die Wechselkassette 6 dann durch den ersten Übergaberoboter 20 abgeholt und zu den Laserzellen 2a, b transportiert. Die Übergabe der Wechselkassette von einer Bestückposition 22a, b, c bzw. Übergabeposition 24 zur nächsten erfolgt mit einem simultan arbeitenden Hubbalkenprinzip, wobei zeitgleich die Wechselkassetten 6 in jeder Bearbeitungsposition 22a, b, c in Z-Richtung (der Transferstation 18) angehoben werden und in X-Richtung (der Transferstation 18) entlang des Materialflusses weiter transportiert werden. Die Bearbeitungspositionen 22a, b, c und die Übergabeposition 24 sind linear oder auf einer Geraden angeordnet.
-
In der 6 ist schematisch der zeitlich optimierte Ablauf der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 dargestellt, wobei in einer X-Richtung eine Zeit t aufgetragen ist. Die senkrecht verlaufenden Linien trennen verschiedene Zyklen Z1, Z2..., wobei während jedes Zyklus Z ein bearbeitetes Werkstück von der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 ausgegeben wird.
-
In der obersten Zeile ist die Aktivität der Laserzelle 2a aufgetragen, welche zunächst in dem ersten Zyklus Z1 mit einer Nebenzeit NZ, also mit einer Bestückung, beginnt und in dem Zyklus Z2 das Werkstück in der Wechselkassette 6e während einer Hauptzeit HZ bearbeitet. Darunter ist die Aktivität der Laserzelle 2b dargestellt, welche während des Zyklus Z1 eine Hauptzeit zur Bearbeitung eines Werkstücks in der Wechselkassette 6a hat und während der Zeit Z2 eine Nebenzeit NZ zum Wechsel der Wechselkassette 6a aufweist. Der zeitliche Abstand zwischen der Hauptzeit HZ der Laserzelle 2a und der Laserzelle 2b ist möglichst gering, idealerweise 0 s. Die beiden Laserzellen 2a, b arbeiten in einem Gegentakt.
-
Darunter sind die Bestückzustände der Transferstation 18 zeitlich aufgetragen, wobei sich eine Wechselkassette 6b, c, d, e jeweils zeitgleich an der ersten Bestückposition 22a, der zweiten Bestückposition 22b, der dritten Bestückposition 22c und der Übergabeposition 24 befindet.
-
Während des Zyklus Z1 wird aus der Wechselkassette 6b das bearbeitete Werkstück von dem Übergaberoboter 21 entnommen und somit die Wechselkassette 6b geleert. In der zweiten Bestückposition 22b wird eine erste Teilmenge der Einzelteile des Werkstücks in die zuvor leere Wechselkassette 6c eingelegt. In der dritten Bestückposition 22c wird die teilbestückte Wechselkassette 6d mit einer zweiten Teilmenge der Einzelteile des Werkstücks fertig bestückt. In der Übergabeposition 24 wird die fertigbestückte Wechselkassette 6e für den ersten Übergaberoboter 20 bereitgestellt und von diesem zu der ersten Laserzelle 2a gebracht, so dass diese im Zyklus Z2 bearbeitet werden kann.
-
Bei dem Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Zyklus Z1 und Z2 wird die leere Wechselkassette 6b in die zweite Bestückposition 22b, die teilbestückte Wechselkassette 6c wird in die dritte Bestückposition und die fertigbestückte Wechselkassette 6d an die Übergabeposition gebracht. Zudem wird die fertig bearbeitete Wechselkassette 6a mit dem ersten Übergaberoboter 20 von der zweiten Laserzelle 2a zu der ersten Bestückposition 22a transportiert. Nach dem Übergang werden die Wechselkassetten 6a, b, c, d, und e analog wie in dem ersten Zyklus Z1 bearbeitet. In einem dritten und weiteren Zyklen erfolgt der Fluss der Wechselkassetten 6a, b, c, d und e nach dem gleichen Muster. Ggf. können auch Pufferplätze vorgesehen sein, in denen Wechselkassetten geparkt oder gepuffert können.
-
Betrachtet man die Produktivität der Laserbearbeitungsvorrichtung, so ist festzuhalten, dass die Zykluszeit Z1, Z2, Zn, welche sich als das Zeitmittel berechnet, in der ein Werkstück fertig gestellt wird, ausschließlich über die Hauptzeit HZ festgelegt ist, so dass die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 in der vorliegenden Ausrichtung ein Optimum an Produktivität darstellt. Die Steuerung der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 wird in der beschriebenen Weise durch eine nicht dargestellte Steuerungseinrichtung durchgeführt.
-
Die 7 zeigt in einer dreidimensionalen, schematischen Darstellung den U-Körper 11 aus der 1. An dem verbindenden Schenkel bzw. an der Rückwand des U-Körpers ist ein Kassettenwechsler 26 angeordnet, der die Aufgabe übernimmt, Wechselkassetten 6 mit einem ungeschweißten Werkstück von dem Übergaberoboter 20 anzunehmen bzw. Wechselkassetten 6 mit geschweißten Werkstücken abzugeben.
-
Hierzu weist der Kassettenwechsler 26 zwei Kassettenaufnahmen 27a, b auf, welche in Z-Richtung übereinander auf einer gemeinsamen, in Z-Richtung verfahrbaren Linearachse 28 angeordnet sind. Der Kassettenwechsler 26 ist auf der zweiten Schwenkachse 9 angeordnet.
-
Auch der Übergaberoboter 20 verfügt über ein Greifwerkzeug mit zwei Kassettenaufnahmen, welche passend zu den Kassettenaufnahmen 27a, b des Kassettenwechslers 26 angeordnet sind.
-
Bei einem Wechsel der Wechselkassetten 6 ist eine der Kassettenaufnahmen 27a, b mit einer Wechselkassette 6 mit einem geschweißten Werkstück besetzt. Der Übergaberoboter 2 transportiert eine Wechselkassette 6 mit einem ungeschweißten Werkstück. Bei einem Einfahren des Greifwerkzeugs in den U-Körper 11 wird die Wechselkassette 6 mit dem geschweißten Werkstück an den Übergaberoboter 20 und die Wechselkassette 6 mit dem ungeschweißten Werkstück an den Kassettenwechsler 26 übergeben. Der Kassettenwechsler 26 transportiert dann mittels der Linearachse 28 die Wechselkassette 6 mit dem ungeschweißten Werkstück zur Bearbeitung zu der ersten Schwenkachse 7 in eine Bearbeitungsposition. Nach der Bearbeitung holt der Kassettenwechsler 26 die Wechselkassette 6 wieder von der Bearbeitungsposition ab und stellt diese für einen Wechsel bereit.
-
Die 8 und 9 zeigen den Kassettenwechsler 26 mit Wechselkassette 6 in der Kassettenaufnahme 27a bzw. bei der Übergabe oder Übernahme von der Bearbeitungsposition an die Kassettenaufnahme 27b.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Laserbearbeitungsvorrichtung
- 2a, b
- Laserzellen
- 3
- erste Manipulationseinrichtung
- 4
- zweite Manipulationseinrichtung
- 5
- Rahmen
- 6
- Werkstückhalterung, Wechselkassette
- 7
- erste Schwenkachse
- 8
- X-Richtung
- 9
- zweite Schwenkachse
- 10
- Y-Richtung
- 11
- U-Körper
- 12
- Laserscanvorrichtung
- 13
- Lichtkabelschnittstelle
- 14
- Austrittsoptik
- 15
- Z-Richtung
- 16
- erste Linearachse
- 17
- zweite Linearachse
- 18
- Transferstation
- 19
- Qualitätssicherungsstation
- 20
- erster Übergaberoboter
- 21
- zweiter Übergaberoboter
- 22a, b, c
- Bestückpositionen
- 23a, b
- Bestückroboter
- 24
- Übergabeposition
- 25a, b
- Pfeile
- 26
- Kassettenwechsler
- 27a, b
- Kassettenaufnahme
- 28
- Linearachse
