DE3543897A1 - Roboter-laser-system - Google Patents

Roboter-laser-system

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DE3543897A1
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description

Dlpl.-lng. W. DahlkP 10. Dezember 1985
Dipl.-lng. H.-J. Lippert D-S/sti .
Patentanwälte
Frankenforster Straße 137
50fiO Bergisch Gladbach 1
GMF Robotics Corporation Troy, Michigan, USA
Roboter-Laser-System
Die Erfindung betrifft ein Roboter-Laser-System, insbesondere ein Roboter-Laser-System mit Spiegeln, die in den beweglichen Teilen des Roboters angebracht sind, um bei der Bewegung des Roboters den Laserstrahl automatisch zu steuern.
Roboterfähigkeiten reichen von sehr einfachen sich C wiederholenden Punkt-zu-Punkt-Bewegungen bis zu äußerst vielseitigen Bewegungen, die in ihrer Folge durch einen Computer als Teil eines vollständig integrierten Herstellungssystems gesteuert werden können. Roboter werden bei vielen materialbearbeitenden Prozessen, einschließlich Schneiden, Graten und Schweißen verwendet.
Die Anwendung von Lasern kann in verschiedene allgemeine Kategorien eingeteilt werden, einschließlieh Messung räumlicher Parameter, Material erwärmung und/oder -Entfernung, nicht zerstörende Untersuchung von Resonanzphänomenen, Kommunikation, optische Prozesse, laserinduzierte chemische Reaktionen und Waffen .
Die Kombination eines Lasers mit einem Roboter gestattet dem Laser eine Arbeitsweise mit bisher nicht erreichtem Freiheitsgrad. Die Kombination der
beiden Technologien ist, wenn erfolgreich durchgeführt, für die meisten Laser-Anwendungsgebiete, einschließlich Materialbearbeitung, zweckmäßig. Derselbe Laser kann bei der Bearbeitung vieler Materialarten durch Steuerung seiner Leistung und seiner Energie verwendet werden. Dieser Laser kann Metall oder Glas schneiden, Kunststoff abgraten oder Aluminium verschweißen. Da Roboter in typischer Weise durch einen programmierten Computer gesteuert werden, kann derselbe Computer auch zur Einstellung der Laserenergie verwendet werden. Folglich können in einer flexiblen Fertigungsstraße Teile der Reihenfolge nach einfach durch Einstellen der Laserenergie geschnitten oder geschweißt werden.
Laser werden gegenwärtig im wirtschaftlichen und industriellen Bereich eingesetzt. Zum Beispiel werden viele Fahrzeugteile durch Laser bearbeitet. Weiterhin beruht ein Großteil von Bildsystemen zur Messung von Tiefen auf Lasern.
Eine weitere industrielle Verwertung von Lasern besteht in der laserunterstützten maschinellen Bearbeitung, wobei ein Laserstrahl vor einem Schneidwerkzeug zur Verminderung der Werkzeugabnutzung und der Schneidkraft verwendet wird. Eine solche Anwendung bringt einen weniger häufigen Werkzeugwechsel, eine verminderte Gesamtabnutzung des Werkzeugs, geringere Kosten, eine erhöhte Schneidgeschwindigkeit und damit eine größere Materialmenge, die bearbeitet werden kann, mit sich.
In der Materialbearbeitung werden im allgemeinen zwei Arten von Lasern benutzt, Festkörper- und Kohlendioxid!aser. Die Kohlendioxidlaser haben eine relativ unbegrenzte Leistung. Hingegen sind die Festkörperlaser in ihrer Leistung begrenzt und er-
fordern eine kompliziertere Abschirmung als die Kohlend ioxidlaser.
Bekannte Anwendungen von metallbearbeitenden Lasern schließen Naht-, Punkt- und Schmelzschweißen, Schneiden, Drehen, Oberflächenhärten, Metallgravieren, Abschrägen, Entgraten, Beschneiden und Wärmebehandeln ein. Die Vorteile der Laserbearbeitung sind insbesondere beim Schweißen offensichtlich. Das mit Hilfe von Lasern durchgeführte Schweißen erfordert häufig keine zusätzliche Arbeit wie Schleifen. Bei traditionellen Schweißverfahren müssen die Schweißstellen sehr häufig nachgearbeitet werden. Daher spielen Kosteneinsparungen beim Laserschweißen eine wichtige Rolle.
Zwei Methoden sind entwickelt worden, um Laser mit Robotern in Verbindung zu bringen. Eine Methode besteht darin, daß ein Bearbeitungsteil mit Hilfe eines Roboters in einen Laserstrahl gebracht wird. Beim anderen Verfahren wird ein Laserstrahl durch einen Roboter zum Bearbeitungsteil geführt. Das letztere Verfahren wird dann zur Anwendung gebracht, wenn das Bearbeitungsteil zur einfachen Bewegung zu groß ist oder wenn ein Umlaufen des Bearbeitungsgegenstandes notwendig ist.
Nach einer relativ neuen Konzeption zur Verbindung von Robotern mit Lasern werden mehrere Roboter verwendet, die sich einen Laserstrahl teilen. Solche Systeme sind nur durch die Wechselzeiten der verschiedenen durchgeführten Operationen beschränkt.
Nach einer weiteren, relativ neuen Konzeption ist ein Laser auf der Spitze eines Gelenkauslegers eines Roboters angebracht.
Eine weitere Methode zur Verbindung eines Roboters mit einem Laser besteht darin, daß zwei Spiegel in jedem Gelenk eines Laserarms, der von dem Roboter gesteuert wird, vorhanden sind. Die zugehörige Vorrichtung weist einen rohrförmigen Gelenkmechanismus auf. Dieser Mechanismus wird dann durch den Roboter betätigt, um den Laserstrahl längs des gewünschten Weges auszurichten. Die Spiegel müssen fest und sicher justiert sein, damit der Laserstrahl nicht auch nur um ein Bruchteil eines Grades von seiner vorbestimmten Richtung abgelenkt werden kann. Vibrationen des Roboters, die die Spiegelstellung beeinflussen könnten, müssen bei einem solchen Aufbau in Erwägung gezogen werden. Eine fokussierende Linse konzentriert die Laserenergie und lenkt sie mit hoher Energiedichte auf einen einzelnen Punkt. Der Roboter muß sehr präzise arbeiten, um den Laserstrahl auf einen genauen Bereich des Werkstücks zu richten. Eine Linse mit längerer Brennweite kann zur
2C Kompensation der Roboterungenauigkeiten verwendet werden. Jedoch wird der erzeugte Laserstrahl über einen längeren Bereich fokussiert, so daß sowohl die Energiedichte als auch die Leistung geringer werden.
Trotz der oben erwähnten Probleme bei der Kopplung zwischen Laser und Roboter ist eine Förderung dieser Verbindung sehr wünschenswert, insbesondere da der Laser ein immer scharfes Werkzeug mit einer berührungslosen Einwirkung auf den Bearbeitungsgegenstand darstellt. Die Verwendung des Lasers vermeidet auch die Notwendigkeit einer Tastrückkopplung, eines adaptiven Schaltkreises, sinnlicher Wahrnehmung und Werkzeugabnutzung, da der Laser und das Bearbeitungsteil sich nicht gegenseitig berühren.
Wie schon vorstehend erwähnt wird bei der Verwendung von Hochleistungslasern in Schweißrobotern der
Laserstrahl gewöhnlich durch mehrere Spiegel reflektiert, die an den Verbindungsstücken eines rohrförmigen Ge I enkmechanismus mit mehreren Gelenken angebracht sind. Der Mechanismus wird dann durch einen Roboter betätigt, um den Brennpunkt des Laserstrahls längs eines gewünschten Weges auszurichten. Für jedes Verbindungsstück sind gewöhnlich zwei Spiegel erforderlich, um den Laserstrahl von einer Richtung in eine andere zu lenken. Da eine Betätigungsvorrichtung im allgemeinen zwischen fünf
* und sieben Gelenken verwendet, um die zur Einwirkung auf das Werkstück aus einer bestimmten Richtung erforderliche Bewegung durchführen zu können, beträgt die Anzahl der zur Ablenkung des Laserstrahls zum Werkstück hin benötigten Spiegel etwa
1^ vierzehn. Der Genauigkeitsgrad der Bahn des Laserstrahls hängt von der Präzision des Roboters und des Laserarms und der Spiegelanordnung ab, die nicht durch Programmierung verbessert werden können. Darüber hinaus machen E η ergiever lust, Überhitzen und
2C Bruch, falsche Ausrichtung, höhere Kosten für bessere Präzision und räumliche und Gewichtsbeschränkungen diesen Zugang für Vi elzweck-Betätigungsvorrichtungen unpraktikabel. Ein solcher Zugang ist in der US-Patentschrift 3 913 582 offenbart.
Zugänge, die durch Drehung einstellbare Spiegel verwenden, sind in den US-Patentschriften 3 528 424, 4 059 876 und 4 144 888 beschrieben. 30
In der US-Patentschrift 4 429 211 ist ein Rohrschweißsystem offenbart, das ein Nahtverfolgungsgerät einschließt, um den Brennpunkt zur Kompensation axialer und radialer Rohrabweichungen auf der Naht zu halten. Ein aktives Strahl-Ausriehtungssystem arbeitet damit schritthaltend, um falsche Winkelausrichtungen zu kompensieren. Zum Rohrschweißen werden einzeln gesteuerte Spiegel, die den Laserstrahl
reflektieren, verwendet.
Zum entfernteren Stand der Technik seien noch die δ US-Patentschriften 3 736 402, 3 888 362 und 4 443 684 genannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Roboter-Laser-System zu schaffen, das genauer arbeitet, geringere Kosten und höhere Zuverlässigkeit aufweist als die bekannten Roboter-Laser-Systeme.
Mit der Erfindung soll auch ein verbessertes Roboter-Laser-System erreicht werden, das die Verwendung von Betätigungsvorrichtungen mit leichtem Gewicht, geringem Kraftaufwand und geringen Kosten für Hochleistungsanwendungen wie Schweißen industriell geferti gter Bauteile und Automobi1karosserien gestattet. Bei einer solchen Anwendung wird der Roboter nur mindestens einen Spiegel leichten Gewichts tragen und betätigen anstelle einer schwergewichtigen Schweißausrüstung oder relativ klobigen und schweren Verbindungsstücken zur Laserstrahlführung.
Außerdem soll durch die Erfindung ein RoboterLaser-Sy stern geschaffen werden, das sich durch einen einfachen Aufbau, eine einfache Handhabe, einen hohen Genauigkeitsgrad und niedrige Kosten der Betätigungsvorrichtung aufgrund des relativ geringen Gewichts der Laserstrahl-Betätigungstei1e des Systems auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Roboter-Laser-Sy st em einen Laser, einen Roboter mit einer Vielzahl von automatisch bewegbaren Teilen und wenigstens einem Spiegel zur Ablenkung des
ι?
Laserstrahls von der Quelle aufweist, wobei der Spiegel auf einem beweglichen Teil des Roboters angebracht ist, um sich mit diesem Teil zu bewegen und den zwischen benachbarten beweglichen Teilen angeordneten Laserstrahl abzulenken.
Damit wird erreicht, daß der Roboter automatisch den Spiegel relativ und synchron zu der Bewegung der anderen beweglichen Teile und anderer Spiegel 1^ bewegt .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Roboter-Laser-Systern vorzugsweise eine Vielzahl von Antriebselementen auf. Jedes dieser Antriebselemente bewegt unabhängig und steuerbar die betreffenden beweglichen Teile.
Weiterhin weist der Roboter vorzugsweise eine Vielzahl von Freiheitsgraden auf, die durch zwei orthogonal zueinander verlaufende Bewegungen längs sich schneidender Achsen und zwei orthogonal zueinander gerichtete Rotationsbewegungen mit sich schneidenden Rotationsachsen bestimmt sind.
Vorzugsweise ist der Laser ortsfest angeordnet, sie kann aber auch auf dem Roboter selbst angebracht sein.
Die erfindungsgemäße Konstruktion hat zahlreiche Vorteile, darunter:
Verringerung der Anzahl der erforderlichen Spiegel,
geringerer Energieverlust,
35
vollständige Steuerung der Laserstrah 1ausrichtung durch die normale Robot erρrogrammierbarkeit,
leichtes Programmieren mit Hilfe der Durchführungs-Methode,
Unempfindlichkeit gegenüber leichten Ausrichtungsfehlern der Spiegelanordnung, da alle Spiegel einer aktiven Rückkopplungs-Steuerung durch die Roboterteile, an denen sie befestigt sind, unterworfen s i η d , u η d
^O geringere Kosten und höhere Präzision durch Verwendung von Betätigungsvorrichtungen geringen Gewichts.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, die auf die Zeichnung Bezug neh-IS men, näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansieht eines ersten Ausführungsbei
spiels,
Figur 2 eine teilweise aufgeschnittene und als Querschnitt dargestellte Vorderansicht des in Figur 1 dargestellten Ausfüh-
rungsbei spiels,
Figur 3 eine vergrößerte, teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispi els eines Gelenkmechanismus
des Roboter-Laser-Systems,
Figur 4 eine teilweise aufgeschnittene Vorderansicht des in Figur 3 dargestellten Gelen kmechanismus',
Figur 5 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines dritten Ausführungsbei-
spiels eines Gelenkmechanismus1 des Ro
boter-Laser-Systems und
Figur 6 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbei
spiels des gesamten Roboter-Laser-Systems .
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Roboter-Laser-Sy stems. Das Ausführungsbeispiel wird insgesamt durch 10 bezeichnet. Das System 10 ist zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf eine gewünschte Stelle, die auf einem Werkstück angeordnet sein kann, verwendbar.
Wie Figur 1 zeigt, schließt das Roboter-Laser-System eine minimale Anzahl von Spiegeln ein, die in; Innern der beweglichen Teile eines Roboters 14 mit relativ geringem Gewicht, geringer Kraftausübung
2C und geringen Kosten angebracht sind. Der Roboter 14 weist eine sechsachsige Betätigungsvorrichtung auf mit Rotationsfreiheitsgraden zur Drehung um Achsen 11, 12 und 13 und Freiheitsgraden zur linearen Bewegung längs Achsen 11, 12 und 15. Der Roboter 14 kann für Hochleistungsanwendungen wie Schweißen industrieller Bauteile, z.B. Automobilkarosserien, verwendet werden. Der Roboter 14 muß nur die relativ leichtgewichtigen Spiegel anstelle einer schwergewichtigen Schweißausrüstung oder klobigen und sch wefen Verbindungsstücken zur Laserstrahlführung aufweisen. Diese leichtgewichtige Nutzlast gestattet einen einfachen Aufbau, eine leichte Handhabe, einen hohen Genauigkeitsgrad und geringe Kosten des Roboters 14.
Der Roboter 14 weist eine auf einer hohlen Basis 24 beweglich angebrachte Ausleger anordnung auf. Die
Auslegeranordnu'-g schließt einen äußeren Ausleger 16 und einen inneren Ausleger 17 ein. Die Ausleger 16 und 17 sind hohl und durchgehend miteinander verbunder., um den Durchgang eines von einem Laser 18a erzeugten Laserstrahls 18 durch die Auslegeranordnung nach dem Durchtritt durch die Basis zu gestatten .
IQ Ein erster Spiegel 19 ist an der Oberseite des inneren Auslegers 17 durch ein Tragteil 2 0 befestigt. Ein zweiter Spiegel 2 2 ist auf einem Befestigungsteil 23 fest angebracht, das wiederum an einem unteren Basisteil 25 der hohlen Basis 24 befestigt ist. Das Tragteil 20 ist innerhalb eines in den äußeren Ausleger 16 ausgebildeten Hohlraums 21 angeordnet, so daß der von dem zweiten Spiegel 22 reflektierte Laserstrahl 18 vom ersten Spiegel 19 wiederum mit einem Winkel von 90° reflektiert wird.
Die Basis 24 weist einen oberen Basisteil 26, der sich um die Achse 11 relativ zum unteren Basisteil 25 bei Betätigung eines Servomotors 27 dreht. Der Servomotor 27 ist auf der äußeren Oberfläche des E1 unteren Basisteils 25 angebracht. Das obere Basisteil 2 6 wird durch Lager 30 vom unteren Basisteil 25 getragen. Der Servomotor 27 ist durch ein auf der Antriebswelle 29 des Servomotors 27 angebrachtes Getriebe 28 mit dem oberen Basisteil 26 zur Er-
2Q zeugung einer Drehbewegung mechanisch gekoppelt.
Der innere Ausleger 17 und damit die gesamte Auslegeanordnung sind zur Erzeugung einer Drehbewegung auf dem oberen Basisteil 26 befestigt. Bei dem b e otrachteten Ausführungsbeispiel ist der untere Teil des inneren Auslegers 17 mit einer Triebmutter 31 verbunden, die auf eine Triebschraube 32 aufgeschraubt ist, deren eines Ende durchLager 37 an der
^ Oberseite des oberen Basisteils 2 6 wiederum drehbar getragen wird. Das entgegengesetzte Ende der Triebschraube 32 ist mit der Antriebswelle 33 eines Servomotors 34 durch eine Kupplung 35 verbunden. Der Servomotor 34 ist andererseits auf einem U-förmigen Tragteil 39 des oberen Basisteils 26 fest angebracht. Der innere Ausleger 17 ist innerhalb des Tragteils 39 verschiebbar angeordnet. Da die Triebschraube 32 mit dem unteren Teil des inneren Auslegers 17 fest verbunden ist, wird bei Drehung der Triebschraube 32 der innere Ausleger 17 längs der Achse 11 relativ zum Tragteil 39 gehoben bzw. gesenkt.
Der äußere Ausleger 16 wird durch ein Zahnstangengetriebe, das mit einem auf dem inneren Ausleger 17 befestigten Servomotor 40 verbunden ist, linear längs der Achse 12 bewegt. In dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist ein Antriebszahnrad 36 auf ei-C ner Antriebswelle 38 des Servomotors 40 zur Erzeugung der Drehbewegung befestigt. Eine Zahnstange 42 ist auf dem äußeren Ausleger 16 im Eingriff mit dem Antriebszahnrad 36 fest angebracht. Ein Verschiebeteil 44 des inneren Auslegers 16 wird innerhalb des Auslegers 17 durch lineare Lager 46 gleitend gehalten.
Der Roboter 14 weist außerdem einen zweiachsigen Gelenkmechanismus 48 auf, der zur Rotation um die Achse 12 durch Lager 49 vom äußeren Ausleger 16 getragen wird. Der Gelenkmechanismus 48 schließt ein hohles inneres Knie 50 und ein hohles äußeres Knie 52 ein, das von dem inneren Knie 50 zur Rotation um die Achse 13 durch Lager 54 gehalten wird. Das innere Knie 50 wird durch einen auf der Oberseite des äußeren Auslegers 16 befestigten Servomotor 56 um die Achse 12 in Drehung versetzt. Das Getriebe 58 stellt eine Zwischenverbindung zwischen dem inneren
Knie 50 und der Antriebswelle 60 des Servomotors 56 her, um die Drehbewegung der Antriebswelle 60 auf das innere Knie 50 zu übertragen.
Auf dieselbe Weise wird das äußere Knie 52 durch einen auf dem inneren Knie 50 befestigten Servomotor 62 zu einer Drehbewegung um die Achse 13 angetrieben. Das Getriebe 34 verbindet das äußere Knie 52 mit der Antriebswelle 66 des Servomotors 62, um ^ die Rotationsbewegung der Antriebswelle 66 auf das äußere Knie 52 zu übertragen.
Ein dritter Spiegel 66 ist auf der inneren Oberfläche des inneren Knies 50 fest angebracht, um den
1d Laserstrahl 18 zwischen dem zweiten Spiegel 19 und einem vierten Spiegel 68, der auf der inneren Oberfläche des äußeren Knies 52 fest angebracht ist, zu reflektieren. Eine fokussierende Linse 70 ist innerhalb des äußeren Knies 52 zwischen dem Spiegel
^0 f8 und dem freien Ende des Gelenkmechanismus1 48 befestigt, um den Laserstrahl 18 auf eine Stelle an einem Werkstück zur Werkstück- oder Material bearbeitung zu fokussieren.
2^ Das untere Basisteil 25 der Basis 24 ist zur gleitenden Bewegung längs der Achse 15 auf einer Führungsvorrichtung 72 angebracht. D.ie. Führungsvorrichtung 72 weist eine Triebschraube 74 auf, die sich zwischen einem Paar von auseinanderliegenden Flanschteilen 76 eines langgestreckten Tragteils 78 erstreckt. Ein Ende der Triebschraube wird durch Lager 80 von dem Tragteil 78 drehbar getragen. Das andere Ende der Triebsch raube 74 steht durch eine Kupplung 86 im Eingriff mit der Antriebswelle 82 eines Servomotors 84. Der Servomotor 84 ist auf dem Tragteil 78 befestigt.
IS
Die Basis 24 des Roboters 14 ist auf ei η οm Gleitteil 88 befestigt, das wiederum zur Durchführung der Gleitbewegung durch eine Triebmutter 90 auf der Triebschraube 74 befestigt ist. Ein ausziehbarer
° Lichtschutz oder Faltenbalg 92 erstreckt sich zwischen dem Laser 18a und dem unteren Basisteil 25 der Basis 24, um den Laserstrahl während der Bewegung des Roboters 14 auf der Führungsvorrichtung 72
gegenüber der Umgebung abzuschirmen.
IO
Der Laser 18a ist vorzugsweise ortsfest angeordnet. Jedoch kann der Laser auch auf dem Gelenkteil, der Basis oder dem inneren oder äußeren Ausleger des Roboters 14 befestigt sein, was von dem Gewicht des Lasers und der Nutzlastkapazität des betreffenden Roboterteils abhängt.
Der Laserstrahl 18 wird in eine parallel zur Achse 15 verlaufende Richtung gelenkt, so daß er durch den Spiegel 22 in eine Richtung längs der Achse 11 reflektiert wird, bis er auf den Spiegel 19 trifft. Der Laserstrahl 18 wird vom Spiegel 19 so abgelenkt, daß er längs der Achse 12 verläuft, bis er auf den Spiegel 66 trifft. Vom Spiegel 66 wird der 5 Laserstrahl 18 reflektiert, so daß er längs der Achse 13 bis zum Spiegel 68 verläuft. Vom Spiegel 68 wird der Laserstrahl 18 reflektiert und verläuft längs einer Achse, die mit Abstand parallel zur Achse 12 verläuft. Durch die Linse 70 wird der Laserstrahl 18 fokussiert, ehe er aus dem Gelenkmechanismus 48 heraustritt. Andererseits kann der Spiegel 68 auch als fokussierender Spiegel ausgebildet sein, wobei auf die Linse 70 verzichtet werden kann.
Selbstverständlich kann der Roboter 14 auch mit anderer Ausrüstung, wie Greifern oder Einspannvorrich-
tungen versehen sein, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Darüber hinaus kann das Roboter-Laser-System 10 auch zusätzliche Spiegel aufweisen,
um den Laserstrahl 18 möglichst günstig zu einem 5
Werkstück zu lenken.
In den Figuren 3 und 4 wird ein zweites Ausführungsbeispiel des Gelenkmechanismus1 48' dargestellt, das
Servomotoren 56' und 62' aufweist und das am freien IO
Ende eines veränderten äußeren Auslegers 16' zur Drehung seines inneren und äußeren Knies 50' bzw. 52' befestigt ist.
Der Servomotor 56' treibt das innere Knie 50' durch
eine Welle 92 drehbar an, die an ihrem einen Ende mit der Antriebswelle 60' des Servomotors 56' durch eine Kupplung 93 verbunden ist. Die Welle 92 erstreckt sich in paralleler Richtung zur Achse 12 und wird darin von einem Lagerblock 94 drehbar getragen. Ein Gewinde 96 verbindet das innere Knie 50' mit dem entgegengesetzten Ende der Welle 92. Das innere Knie 50' wird durch Lager 49' von dem äußeren Ausleger 16' drehbar getragen.
Auf eine ähnliche Weise treibt der Servomotor 62' das äußere Knie 52' durch eine Welle 98 an, die an ihrem einen Ende mit der Antriebswelle 66' des Servomotors 62' durch eine Kupplung 100 verbunden ist. Die Welle 98 erstreckt sich in paralleler
Richtung zu der Achse 12 und wird darin von einem
Lagerblock 102 drehbar getragen. Das äußere Knie 52' wird durch ein Getriebe, das das mittlere Zahnrad 104 einschließt, mit dem gegenüberliegenden Ende der Welle 98 verbunden. Das äußere Knie 52' und co das mittlere Zahnrad 104 auf dem inneren Knie 50' werden von Lagern 54' drehbar getragen.
ro
Eine von außen befestigte Spiegelanordnung 106 und 108 ist auf dem inneren und äußeren Knie 50' und 52' einstellbar angebracht, um die Lage der zugehörigen
Spiegel 66' und 68' verstellen zu können. 5
Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Gelenkmechanismus1 48". Der Gelenkmechanismus 48" entspricht irr wesentlichen dem Gelenkmechanismus 48 bis auf die Maßnahme, daß das äußere Knie 52' direkt mit der Antriebsachse 66" eines Servomotors 62" zur Rotation um die Achse 13 gekoppelt ist. Der Servomotor 62" ist auf einem Flanschteil 109 angebracht, das auf dem inneren Knie 50" befestigt ist. Das äußere Knie 52" wird durch Lager 54" von "V dem inneren Knie 50" getragen.
In Figur 6 wird ein zweites Ausführungsbeispiel des Roboter-Laser-Systems dargestellt, das insgesamt durch 10' in der Zeichnung gekennzeichnet ist. Das System 10' weist einen Roboter 14' auf, der auf einem Boden 110, z.B. einem Fabrikboden, in dem eine Vertiefung zur Anordnung eines Lasers 18a' ausgebildet ist, angeordnet ist. Der Einfachheit halber wird in der Zeichnung nur der zum Boden hin weisende Teil des Roboters 14' gezeigt, da der obere Teil im wesentlichen dem des Roboters 14 entspricht. Der Roboter 14' weist eine fünfachsige Betätigungsvorrichtung auf, mit drei Rotationsfrei heitsgraden (wobei nur eine Rotationsachse 11' in Figur 6 gezeigt ist) und zwei Freiheitsgraden zur linearen Bewegung längs zweier Achsen (wobei nur eine Achse 11' in Figur 6 gezeigt ist). Mit der in Figur 6 dargestellten Konstruktion kann auf den Spiegel 22 verzichtet werden.
Bei der Programmierung jedes der Roboter 14 und 14' kann die Lage der Spiegel außer acht gelassen wer-
den, da sie relativ zu den Roboterteilen, in denen sie angebracht sind, feststehen. Die Programmierung kann in der Herstellung eines Strahlenganges durch einen niederenergetischen Laser oder eine gewöhnliche Lichtquelle (i η der Zeichnung nicht dargestellt ) bestehen, die zeitweise am Roboter angebracht ist. Ein solcher Lichtstrahl simuliert den Strahlengang eines Hochenergielasers im normalen Betrieb. Nachdem eine solche Strahlenquelle am Roboter angebracht worden ist, kann der Roboter durch jede der gewöhnlich benutzten Methoden zur gewünschten Ausführung einer Bewegung gebracht werden. Eine Methode, die sie bei Betätigungsvorrichtungen geringen Gewichts verwendet wird, besteht einfach darin, daß die nicht kraftbeaufschlagte Betätigungsvorrichtung per Hand geführt wird. Eine andere Methode besteht in einer befeh 1 smäßigen Bewegung einzelner Achsen wie gewünscht durch ein Druckknopf-Terminal oder einen Daumenschalter (was beides in der Zeichnung
2G nicht dargestellt ist). Eine dritte Methode benutzt eine Kraftfühler-Einrichtung (ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellt), die am Roboter angebracht ist und die die Kräfte abfühlt, die entstehen, wenn der Roboter längs seiner Bahn geführt wird. Die programmierbare Steuerung wird zum Ablesen der Ausgangssignale des Fühlerumwandlers verwendet, um den Antriebskreisen der Antriebsvorrichtungen oder Servomotoren des Roboters entsprechende Befehle zu geben und die gewünschte Bewegung ausführen zu lassen.
Der Operator wählt die gewünschte Bahn, indem er den Lichtstrahl zur gewünschten Stelle am Werkstück lenkt. An bestimmten Punkten längs der gewünschten Bahn können die Achsenstellungen sowie der gewünschte Zustand des Lasers, d.h., ob er auf "Ein" oder "Aus" gesteuert ist oder bei welcher Energie er im
* ersteren Fall arbeitet, aufgenommen werden. Der Aufnahmebefehl wird gewöhnlich durch einen Knopfdruck, der der Steuerung den Befehl gibt, die Ausgangssignale der Rückkopplungsvorrichtungen zu lesen, einge-
^ geben. Diese Rückkopplungsvorrichtungen können die Stellung der Roboter-Antriebsvorrichtungen und/oder den Zustand der vom Roboter geführten Ausrüstung an jedem Aufnahmepunkt anzeigen.
!O Nach Aufnahme der Bahnpunkte werden sie gewöhnlich in einem Computergedächtnis oder peripheren Plattenspeichern zum Abruf in der Wiedergabephase gespeichert, wobei der Roboter die durch die aufgenommenen Punkte beschriebene Bahn zurückverfolgen kann. In der Wiedergabephase können der Kraft fühler, falls er verwendet worden ist, sowie jede hilfsweise verwendete Lichtquelle wieder entfernt werden .
Das oben beschriebene Roboter-Laser-System weist zahlreiche Vorteile auf. Zum Beispiel wird die Zahl der Spiegel, die zur Betätigung des Laserstrahls verwendet werden, erheblich gegenüber der Anzahl der bisher verwendeten Spiegel reduziert. Der Energieverlust wird verringert und eine vollständige Steuerung der Laserstrahlorientierung durch die Roboterprogrammierbarkeit erreicht. Das Programmieren eines solchen Roboter-Laser-Systems vermöge der Durchführungs-Methode läßt sich relativ einfach b e werkstelligen. Darüber hinaus sind kleine Ausrichtungsfehler in der Spiegelanordnung nicht schädlich, da alle Spiegel einer aktiven Rückkopplungs-Steuerung durch die dazugehörigen Roboterteile, an denen sie angebracht sind, unterworfen sind.
Schließlich verbessern die durch Verwendung von leichtgewichtigen Betätigungsvorrichtungen erreichte Kostenreduzierung und höhere Präzision die wirtschaftlichen Aussichten eines solchen Roboter-Laser-
3 System
SO
- Leerseite -

Claims (18)

3543837 Oipi.-lng. W Dahlke / Dlpl.-Ing.H.-J.Lippert Patentanwälte D-S/Sti . Frankenforster Straße 137 Bergisch Gladbach 1 GMF Robotics Corporation Troy, Michigan, USA ANSPRÜCHE
1. Roboter-Laser-System zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf eine gewünschte Stelle, mit einer Laserstrahl quelle, einem Roboter mit einer Mehrzahl von Freiheitsgraden, wobei der Roboter eine Anzahl von relativ zueinander und unabhängig voneinander automatisch bewegbaren Teilen aufweist, und mit wenigstens einem Spiegel zur Ablenkung des von der Quelle kommenden Laserstrahls auf die gewünschte Stelle hin, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (19, 22, 66, 68; 66', 68') innerhalb des zugehörigen bewegbaren Teils angebracht ist zur gemeinsamen Bewegung mit diesem Teil und zur Ablenkung des zwischen zwei benachbarten bewegbaren Teilen verlaufenden Laserstrahls .
2. Roboter-Laser-System nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die bewegbaren Teile hohl und durchgehend miteinander verbunden sind, daß der Roboter (14; 14') eine der Anzahl der bewegbaren Teile entsprechende Anzahl von Antriebselementen (27, 34, 40, 56, 62, 84; 27', 56', 621), wobei jedes bewegbare Teil durch ein zugehöriges An-
triebseiement unabhängig und steuerbar bewegbar ist, und eine Mehrzahl von Spiegeln zur Ablenkung des von der Quelle kommenden Laserstrahls zu der gewünschten Stelle hin auf- ° weist, wobei für alle mit Spiegeln versehenen beweglichen Teile nur ein einzelner Spiegel in jedem betreffenden Teil zur gemeinsamen Bewegung mit diesem Teil und zur Ablenkung des zwischen benachbarten beweglichen Teilen verlaufenden Laserstrahls angebracht ist.
3. Roboter-Laser-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Roboter (14; T4') wenigstens fünf Freiheitsgrade hat.
4. Roboter-Laser-System nach Anspruch 3, d a durch gekennzeichnet, daß ein erstes Paar von Freiheitsgraden durch zwei orthogonal zueinander gerichtete lineare Bewegungen längs sich schneidender Longitudinaiachsen (12, 11; 11'} und ein zweites Paar von Freiheitsgraden durch zwei orthogonal zueinander gerichtete Drehbewegungen mit sich schneidenden Drehachsen (12, 13) gebildet sind.
5. Roboter-Laser-Systern nach Anspruch 4, d a durch gekennzeichnet, daß eine (12) der Longitudinaiachsen mit einer
(12) der Drehachsen zusammenfällt.
6. Roboter-Laser-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein fünfter Freiheitsgrad durch eine Rotationsbewegung um eine dritte Drehachse (11; 11') gegeben ist, die mit der anderen Longitudinalachse (11; 11') zusammenfällt.
7. Roboter-Laser-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Spiegel (19, 22, 66,
68; 66', 68') geringer ist als die Anzahl der 5
Freiheitsgrade des Roboters (14; 14').
8. Roboter-Laser-System nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Spiegel (66; 66') in dem
ihm zugehörigen bewegbaren Teil so angeordnet ist, daß der Laserstrahl (18) im Schnittpunkt der Drehachsen (12, 13) auf den ersten Spiegel (66; 66') trifft.
9. Roboter-Laser-System nach Anspruch 8, da
durch gekennzeichnet, daß ein zweiter Spiegel (19) in dem ihm zugehörigen bewegbaren Teil so angeordnet ist, daß der Laserstrahl (18) im Schnittpunkt der Longitudi-
nalachsen (12, 11; II1) auf den zweiten Spiegel
(19) trifft.
10. Roboter-Laser-System nach Anspruch 9, da
durch gekennzeichnet, daß
der Roboter (14; 14') eine bewegbare Auslegeranordnung aufweist, wobei das bewegbare Teil, in dem der zweite Spiegel (19) angeordnet ist, einen Teil der Auslegeranordnung bildet.
11. Roboter-Laser-System nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Spiegel (68; 68') in dem ihm zugehörigen bewegbaren Teil so angeordnet ist, daß der Laserstrahl (18) im Schnittpunkt einer (13) der Drehachsen und einer parallel und entfernt zu der anderen Drehachse (12) verlaufenden Achse auf den dritten Spiegel (68; 68') trifft.
12. Roboter-Laser-System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Roboter (14; 14') einen bewegbaren Gelenkmechanismus (48; 48'; 48'') aufweist und daß die bewegbaren Teile, in denen der erste und dritte Spiegel (66, 68; 66', 68') angeordnet sind, Teile dieses Gel enkmechar>i smus ' bilden.
13. Roboter-Laser-System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß ein vierter Spiegel (22) in dem ihm zugehörigen bewegbaren Teil so angeordnet ist, daß der Laserstrahl (18) im Schnittpunkt einer (11; 11') der Longitudinal achsen und einer para 1IeI und entfernt zu der anderen Longitudinalachse (12) verlaufenden! Achse auf den vierten Spiegel (22) trifft.
14. Roboter-Laser-System nach Anspruch 13, d a durch gekennzeichnet, daß
der Roboter (14) eine Basis (24) aufweist und daß das bewegbare Teil, in dem der vierte Spiegel (22) angeordnet ist, ein bewegbares Teil der Basis (24) bildet.
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15. Roboter-Laser-System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet d u r c h eine Fokussiereinrichtung, die zur Fokussierung des abgelenkten Laserstrahls (18) in Richtung auf die gewünschte Stelle hin am Roboter (14; 14') angebracht ist.
16. Roboter-Laser-System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fokussiereinrichtung eine fokussierende Linse (70) aufweist.
17. Roboter-Laser-System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Führungsvorrichtung (72), auf der der Roboter (14) bewegbar angebracht ist.
18. Roboter-Laser-System nach einem der Ansprüche 1 bis 17,da durch gekenn ze i c h n e t, daß die Laserstrahlquelle (18a; 18a') ortsfest zum Roboter (14; 14') angeordnet ist.
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