DE4139510A1 - Vielgelenkiger laserbearbeitungsroboter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen vielgelenkigen Laserbearbeitungsroboter, der verwendet wird, um einen spanabhebend zu bearbeitenden drei­ dimensionalen Gegenstand zu schweißen und zu schneiden, oder um die Oberfläche des Gegenstandes unter Anwendung eines Laserstrahls zu verbessern, genauer, einen solchen Roboter, der die Zahl der Spiegel reduzieren kann, die benutzt werden, um den Laserstrahl zu reflektieren und zu einer vorgegebenen Position zu leiten.

In den letzten Jahren wurde zum Schweißen und Schneiden eines dreidimensionalen Gegenstandes, der spanabhebend bearbeitet werden soll oder zum Verbessern der Oberfläche dieses Gegenstandes eine Arbeitsmethode mittels eines Laserstrahls angewendet. Dies deshalb, weil ein solches Verfahren die Arbeitseffizienz und die Arbeitsgenauigkeit verbessern kann.

Um die Betätigung des äußeren Endes eines spanabhebenden Bearbeitungskopfes bei einem vielgelenkigen Laserbearbeitungsroboter unter einem willkürlichen Winkel an eine willkürlich in einem dreidimensionalen Raum gewählte Position zu setzen, sind mindestens fünf bewegbare Schafte (J1, J2, J3, J4, J5) erforderlich, wie dies z. B. in der japanischen Offenlegungsschrift No. Sho 62-1 30 788 offenbart ist und wie typisch in Fig. 10 gezeigt. In Fig. 10 bezeichnen die Bezugszeichen J1, J2, J3, J4, und J5 alle Drehschäfte.

Die obengenannte notwendige Bedingung gilt gleichermaßen für einen vielgelenkigen Laserbearbeitungsroboter für dreidimensionale Bearbeitung. Besonders bei einem Roboter von der Art, die den Pfad eines Laserstrahles in den Teilen, die den Roboter bilden, beinhaltet, sind üblicherweise um es dem Laserstrahl zu ermöglichen, von einer Seitenfläche Bi1 (oder Grundabschnitt Bi2) einer Roboterbasis einzutreten und den Laserstrahl zu einem Bearbeitungskopf am äußeren Ende Bo zu leiten, Winkel in denen sich entsprechende Schafte miteinander überschneiden, feste Verbindungsstellen, Spiegel (m0-m5, Pm) sind entsprechend an überschneidenden Punkten (a0-a6, oder a1-a6) derart angebracht, daß reflektierende Spiegelflächen der entsprechenden Spiegel in eine Richtung weisen, in der eine Winkelhalbierende eines zwischen einem Schaft auf der Strahleintrittsseite und einem Schaft auf deren entgegengesetzten Seiten gebildeten Winkels senkrecht zu der reflektierenden Spiegelfläche ist, und dadurch verhindern, daß deren Einbauwinkel verstellt werden. Aus diesem Grund sind mindestens fünf Spiegel erforderlich, die benutzt werden können, um die Richtung des Laserstrahl zu ändern.

Generell erfordern Maschinen, die einen Laserstrahl benützen, eine große Zahl von Spiegeln, wenn die Anordnung der Spiegel nicht in Betracht gezogen wird. Jedoch hat eine solch große Zahl von Spiegeln die Schwächung der Übertragungsenergie zu Folge und erhöht nicht nur den Arbeitsaufwand zum Einstellen der Spiegeleinbaupositionen und der Winkel zum Einstellen von Lichtachsen, sondern auch die Austauschhäufigkeit der Spiegel. Der vielgliedrige Laserbearbeitungsroboter soll auch diesen Gesichtspunkt verbessern.

Andererseits, wurde mit der Absicht, die Zahl der Spiegel zu reduzieren, üblicherweise, anstatt des vielgelenkigen Laserbearbeitungsroboter auch ein Laserbearbeitungsroboter des Polarkoordinatentyps vorgeschlagen, der die Zahl der Spiegel auf ein Minimum reduziert (Japanische Offenlegungsschrift Nr. Hei 1-2 33 688). Dieser Laserbearbeitungsroboter ist wie in Fig. 11-13 dargestellt aufgebaut.

In Fig. 11 ist ein Laserbearbeitungsroboter des Polarkoordinatentypes dargestellt, bei dem Spiegel bewegbar eingebaut sind. Eine Schwenksäule 2 kann gegenüber einem ersten Schaft J1, der rechtwinklig an einer Basis 1 angeordnet ist, gedreht werden. Ein zweiter Arm 4 bildet einen Expansionsschaft 4, der frei entlang eines dritten Schaftes J3 mit Bezug zu einem ersten Arm 3 ausgedehnt und zusammengezogen werden kann.

Der erste Arm 3 wird derart gehalten, daß er gegenüber einem zweiten Schaft J2 verschwenkt werden kann, der in der Schwenksäule 2 vorgesehen ist. Die obengenannten drei Schafte (der erste Schaft J1, zweiter Schaft J2, dritter Schaft J3) sind derart konstruiert, daß sie sich mit anderen an einem Schnittpunkt a1 überschneiden. Ein erster hohler Kopf 5 ist in dem vorderen Ende des Expansionsschaftes 4 eingebaut. Der erste hohle Kopf 5 kann gegenüber einem vierten Schaft J4 gedreht werden, der koaxial zu dem dritten Schaft J3 konstruiert ist. Ein zweiter hohler Kopf 6 ist in dem Ende des Expansionsschaftes 4 derart eingebaut, daß er senkrecht zu dem vierten Schaft J4 ist. Der zweite hohle Kopf 6 kann gegenüber einem fünften Schaft J5 verschwenkt werden, der derart konstruiert ist, daß er sich mit dem vierten Schaft 34 in einem rechten Winkel überkreuzt, und der zweite hohle Kopf 6 besteht aus einer Düse 7, die auf dem äußeren Umfang eines Schaftes 30 ausgebildet, den fünften Schaft J5 in einem rechten Winkel kreuzt, um eine Öffnung zu bilden, von der aus ein Laserstrahl auf einen zu bearbeitenden Gegenstand abgegeben wird.

Gemäß dem obenerwähnten herkömmlichen Roboter tritt ein Laserstrahl Bi1 in einen Schnittpunkt a0 auf dem ersten Schaft J1 von der Seitenfläche der Basis 1 ein (während ein koaxial zu dem ersten Schaft J1, der in dem unteren Abschnitt der Basis vorgesehen ist, eintretender Laserstrahl als Bi2 dargestellt ist), wird koaxial zu dem ersten Schaft J1 mittels eines Spiegels m0 reflektiert und wird dann zu einem Schnittpunkt a1 geleitet, an dem sich der erste Schaft J1, zweite Schaft J2 und dritte Schaft J3 miteinander schneiden. Der zu dem Schnittpunkt a1 geleitete Laserstrahl wird dann koaxial zu dem dritten Schaft J3 und vierten Schaft J4 mittels eines Spiegels m1 reflektiert und auch koaxial zu einem fünften Schaft J5 mittels eines Spiegels m2 reflektiert, der in das Innere des ersten hohlen Kopfes 5 eingebaut ist, und dann zu einem Schnittpunkt a3 geleitet, an dem sich der fünfte Schaft J5 und ein Schaft J0, der den fünften Schaft J5 in einem rechten Winkel überkreuzt, überschneiden. Dann wird der zu dem Schnittpunkt a3 geleitete Laserstrahl reflektiert und mittels einer im Inneren des zweiten hohlen Kopfes 6 eingebauten Parabolspiegels Pm gebündelt und dann als ein Laserstrahl Bo nach außen durch eine Düse 7 abgegeben, die in dem äußeren Umfang des Schaftes 30 eingebaut ist und die koaxial zu dem Schaft J0 ist. Das Innere des ersten hohlen Kopfes 5 und des zweiten hohlen Kopfes 6 ist derart aufgebaut, daß diese dem Laserstrahl ein Durchqueren ermöglichen.

Wenn der obenerwähnte Aufbau mechanisch vereinfacht wird, dann erhält man einen Aufbau, wie in Fig. 12 dargestellt. Insbesonders enthält der Spiegel m0 in dessen reflektierender Fläche hinsichtlich des ersten Schaftes den Schnittpunkt a0 und wird derart an der Basis befestigt, daß deren reflektierende Fläche gegenüber dem Schnittpunkt a1 liegt, an dem der erste Schaft J1, der zweite Schaft J2 und der dritte Schaft J3 einander schneiden, und der Spiegel m1 umfaßt in dessen reflektierender Fläche den Schnittpunkt a1 des ersten Schaftes 31, zweiten Schaftes 32 und dritten Schaftes 33 und ist drehbar derart in den Arm 3 eingebaut, daß dessen reflektierende Fläche dem Schnittpunkt a2 zugewandt ist, in dem sich der vierte Schaft J4 koaxial mit dem dritten Schaft J3 und dem fünften Schaft J5 überkreuzen. Der Spiegel m2 umfaßt in dessen reflektierender Fläche den Schnittpunkt a2 von dem vierten Schaft J4 und fünften Schaft J5 und wird in dem ersten hohlen Kopf 5 derart eingebaut, daß dessen reflektierende Fläche dem Schnittpunkt a3 zugewandt ist, in dem sich der fünfte Schaft J5 und der Schaft J0 rechtwinklig zu dem fünften Schaft miteinander schneiden, während der Parabolspiegel Pm auf dessen reflektierender Fläche den Schnittpunkt a3 enthält, in dem der fünfte Schaft J5 und Schaft J0 einander schneiden, und ist derart montiert, daß dessen reflektierende Fläche dem Schaft J0 zugewandt ist und der Brennpunkt des Parabolspiegels Pm auf dem Schaft J0 liegt.

Der Spiegel m1 enthält einen Spiegelwinkelstellmechanismus 10, der eine durch den Schnittpunkt a1 verlaufende Normale in Übereinstimmung mit einer Winkelhalbierenden eines Winkels bringt, der von dem in den Spiegel einfallenden Laserstrahl und dem dritten Schaft J3 gebildet wird.

Der Spiegelwinkelstellmechanismus 10 ist in Fig. 13 dargestellt und ist wie folgt konstruiert: Ein Spiegeleinbauschaft 10a wird drehbar mittels einer Spiegelaufnahme im Rahmen 9d gehalten. Der Spiegeleinbauschaft 10a kann mittels eines spiegelwinkel­ stellenden und -drehenden Servomotors 10b gedreht werden. Der Drehwinkel des Spiegeleinbauschaftes 10a, d. h. der Schwenkwinkel des Spiegels m1 kann mittels eines Spiegeldrehwinkelgebers 10c ermittelt werden.

Zwar kann im Falle des Laserbearbeitungsroboters des Polarkoordinatentyps mit drehbaren Spiegeln, wie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Hei 1-2 73 688 vorgeschlagen, die Zahl der Spiegel sicherlich verringert werden, jedoch ist es nicht möglich, einen ausreichenden Arbeitsbereich des Roboters zu erhalten. Andererseits, kann in dem Fall des Laserbearbeitungsroboter des vielgliedrigen Typs, wie vorgeschlagen in der japanischen Offenlegungsschrift No. Sho-62-1 30 788, ein ausreichender Arbeitsbereich erhalten werden, jedoch ist eine große Zahl an Spiegeln notwendig.

Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die Nachteile in den obengenannten herkömmlichen Laserbearbeitungsrobotern zu eliminieren.

Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, einen vielgliedrigen Laserarbeitsroboter zu schaffen, der einen ausreichenden Arbeitsbereich des Roboters schafft, bei dem auch die Zahl der Spiegel reduziert werden kann und der gedreht werden kann.

In der Absicht, die obige Aufgabe zu erreichen, ist erfindungsgemäß ein vielgliedriger Laserbearbeitungsroboter vorgesehen mit einer Basis, einer Schwenksäule, die drehbar um eine erste Achse rechtwinklig zu der Basis auf der Basis montiert ist, einem ersten Arm, der schwenkbar um eine zweite Achse mit der Schwenksäule verbunden ist, einem zweiten Arm, der drehbar um eine dritte Achse mit dem ersten Arm verbunden ist, wobei der zweite Arm einen Laserstrahlübertragungspfad entlang einer Länge des zweiten Armes innerhalb des zweiten Armes vorschreibt, und der Laserstrahlübertragungspfad eine vierte Achse definiert, die die erste und dritte Achse kreuzt; und mit einem Spiegel der an einem Schnittpunkt der ersten und vierten Achse angeordnet ist, um einen Laserstrahl, der koaxial zu der Schwenksäule eintritt, zu reflektieren und zu dem Laserstrahlübertragungspfad zu leiten. Der vielgelenkige Laserbearbeitungsroboter kann ferner einen Spiegelwinkelstellmechanismus umfassen, um den Spiegel derart zu drehen, daß eine Winkelhalbierende des Winkels, der von der ersten und vierten Achse auf dem Spiegel gebildet wird, mit einer Senkrechten auf einer reflektierenden Fläche des Spiegels übereinstimmt. Der vielgliedrige Laserbearbeitungsroboter kann ferner einen Spiegelbewegungsmechanismus enthalten, um den Spiegel entlang der ersten Achse zu bewegen, um den Schnittpunkt von der ersten und vierten Achse auf einer reflektierenden Fläche des Spiegels zu positionieren. Der vielgliedrige Laserbearbeitungsroboter kann ferner einen ersten hohlen Kopf enthalten, der drehbar um die vierte Achse auf dem zweiten Arm angebracht ist, sowie einen zweiten Spiegel, der in dem ersten hohlen Kopf auf der fünften Achse zum Reflektieren und Leiten des Laserstrahles von dem Laserstrahlübertragungspfad auf einen Pfad mit einer fünften Achse angeordnet ist. Der vielgliedrige Laserbearbeitungsroboter kann ferner einen zweiten hohlen Kopf umfassen, der um die fünfte Achse drehbar auf dem ersten hohlen Kopf angebaut ist, und einen Parabolspiegel, der in dem zweiten hohlen Kopf auf der fünften Achse angeordnet ist, um den Laserstrahl zu reflektieren und zu einer Ausgangsöffnung zu leiten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der am Schnittpunkt der ersten Achse und der vierten Achse angeordnete Spiegel bewegt werden, um den Winkelveränderungen der ersten und zweiten Arme zu folgen, die auftreten, wenn die Arme aufwärts und abwärts geschwenkt werden, um dabei dem Laserstrahl ein Eintreten koaxial zu der ersten Achse zu ermöglichen, um zu dem Laserübertragungspfad geleitet zu werden, der innerhalb des zweiten Armes vorgesehen ist.

Die genaue Form dieser Erfindung sowie andere Aufgaben und Vorteile davon, werden schnell anhand der folgenden Beschreibung in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden, in denen bei sämtlichen Figuren gleiche Bezugszeichen die gleichen oder ähnliche Teile bezeichnen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines vielgliedrigen Laserbearbeitungsroboters;

Fig. 2 eine typische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Spiegelwinkelstellmechanismus und eines in dem obigen Ausführungsbeispiels angewendeten Spiegelpositionsstellmechanismus;

Fig. 4 eine Frontansicht des in Fig. 3 gezeigten Spiegelwinkel- und Spiegelpositionsstellmechanismus;

Fig. 5 eine typische Ansicht der Koordinaten des in Fig. 1 dargestellten Roboters, wenn es einem Laserstrahl ermöglicht wird, von dessen unterem Abschnitt in den Roboter einzutreten;

Fig. 6 eine typische Ansicht der Koordinaten des in Fig. 1 dargestellten Roboters, wenn es dem Laserstrahl ermöglicht wird, an dessen oberem Abschnitt in der Roboter einzutreten;

Fig. 7 ein Regelblockschaltbild des Roboters;

Fig. 8 eine typische Ansicht des Arbeitsbereiches des obenerwähnten vielgliedrigen Roboters, bei dem die Spiegel bewegbar sind;

Fig. 9 eine typische Ansicht des Betriebsbereiches eines herkömmlichen Roboters des Polarkoordinatentyps mit bewegbaren Spiegeln;

Fig. 10 eine typische Ansicht eines herkömmlichen vielgliedrigen Laserbearbeitungsroboters;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Roboters des Polarkoordinatentyps mit bewegbaren Spiegeln;

Fig. 12 eine typische Ansicht des Aufbaus des in Fig. 11 gezeigten herkömmlichen Roboters; und

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Spiegelwinkelstellmechanismus, der in dem in Fig. 11 gezeigten herkömmlichen Roboter verwendet wird.

In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen vielgliedrigen Laserbearbeitungsroboters dargestellt. Der vielgliedrige Laserbearbeitungsroboter (der hiernach vereinfachend als Roboter bezeichnet wird) umfaßt eine Basis 1, eine Schwenksäule 2, einen ersten Arm 3, einen zweiten Arm 4, einen ersten hohlen Kopf 5 und einen zweiten hohlen Kopf 6.

Die Schwenksäule 2 ist auf der Basis 1 angebaut und um eine erste Achse J1, die sich rechtwinklig zu der Basis 1 erstreckt drehbar. Der erste Arm 3 ist auf der Schwenksäule 2 angebaut und ist um eine zweite Achse J2 aufwärts und abwärts schwenkbar. Der zweite Arm 4 ist an dem vorderen Ende des ersten Armes 3 angebaut und aufwärts und abwärts um eine dritte Achse J3 schwenkbar. Der erste hohle Kopf ist an das vordere Ende des zweiten Armes 4 angebaut und drehbar um eine vierte Achse J4, die mit der Achse eines Laserstrahl-Übertragungspfades 8, der im zweiten Arm 4 vorgesehen ist, zusammenfällt. Der zweite hohle Kopf 6 ist auf dem ersten hohlen Kopf 5 angebaut und um eine fünfte Achse J5 drehbar, die in der selben Ebene wie die vierte Achse J4 gebildet ist und rechtwinklig zu der vierten Achse J4 ist. Der zweite hohle Kopf 6 umfaßt eine Düse 7, die als Strahlaustrittsöffnung dient, von der aus ein Laserstrahl auf einen zu bearbeitenden Gegenstand (Werkstück) aufprallt.

Der zweite hohle Kopf umschreibt Achse J0, die auf derselben Ebene wie die vierte Achse J4 rechtwinklig zu der vierten Achse J4 gebildet ist. Gemäß dem vorliegenden Roboter wird ein Laserstrahl Bi1, der in einem Schnittpunkt a0 hinsichtlich der ersten Achse J1 von der Seitenfläche der Basis 1 eintritt (während ein Laserstrahl, der koaxial zu der ersten Achse J1 von dem unteren Abschnitt der Basis 1 eintritt als Bi1 bezeichnet wird), koaxial zu der ersten Achse J1 mittels eines Spiegels m0 reflektiert wird, und dann zu einem Schnittpunkt a1 zwischen der ersten Achse J1 und der vierten Achse J4 geleitet wird. Der zu dem Schnittpunkt a1 geleitete Laserstrahl wird koaxial zu der vierten Achse J4 von einem Spiegel m1 reflektiert, wird durch den Laserstrahl-Übertragungspfad 8, der in dem zweiten Arm 4 vorgesehen ist, geleitet und wird dann zu einem Schnittpunkt a2 zwischen der vierten Achse J4 und fünften Achse J5 geleitet. Der zu dem Schnittpunkt a2 geleitete Laserstrahl wird koaxial zu der fünften Achse J5 mittels eines Spiegels m2 reflektiert, der in dem ersten hohlen Kopf 5 eingebaut ist, und wird dann zu einem Schnittpunkt a3 bezüglich einer Achse J0 geleitet, die aus derselben Ebene wie die fünfte Achse J5 gebildet und rechtwinklig zu der fünften Achse J5 ist. Der zu dem Schnittpunkt a3 geleitete Laserstrahl wird mittels eines Parabolspiegels Pm, der in dem zweiten hohlen Kopf 6 eingebaut ist, gebündelt und dann als ein Laserstrahl B0 durch die Düse 7, die koaxial in dem äußeren Umfangsabschnitt der Achse J0 eingebaut ist, nach außen aus dem Roboter abgegeben. Der erste hohle Kopf 5 und der zweite hohle Kopf 6 sind in einer Weise konstruiert, die es einem Laserstrahl gestattet zu passieren.

Wenn der obenerwähnte Aufbau mechanisch vereinfacht wird, dann kann eine typische Ansicht, wie in Fig. 2 gezeigt, erhalten werden. In Fig. 2 ist der Spiegel m0 so aufgebaut, daß die reflektierende Fläche des Spiegels m0 den Schnittpunkt a0 zwischen der ersten Achse J1 und dem Spiegel m0 enthält, der Spiegel m0 auf der Basis 1 derart angebaut ist, daß dessen reflektierende Fläche dem Schnittpunkt a1 zwischen der ersten Achse J1 und vierten Achse J4 zugewandt ist. Der Spiegel m1 ist so aufgebaut, daß dessen reflektierende Fläche den Schnittpunkt a1 zwischen der ersten Achse J1 und vierten Achse J4 beinhaltet, und der Spiegel m1 auf einem Spiegelwinkelstellmechanismus 10 montiert ist, durch einen Spiegelpositionsstellmechanismus 9, der auf der Schwenksäule 2 derart vorgesehen ist, daß dessen reflektierende Fläche dem Schnittpunkt a2 von der vierten Achse J4 und fünften Achse J5 zugewandt ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist in dem Spiegelpositionsstellmechanismus 9 der Spiegelwinkelstellmechanismus eingebaut, und der Spiegel m1 ist derart montiert, daß dessen reflektierende Fläche um eine sechste Achse J6 gedreht werden kann, die in dem Spiegelwinkelstellmechanismus definiert ist. Der Spiegelpositionsstellmechanismus 9 ist auf einer stehenden Platte 11 montiert, die auf der Schwenksäule 2 hinter dem ersten Arm 3 errichtet ist und kann entlang einer siebten Achse J7 aufwärts und abwärts bewegt werden. Der Spiegel m2 ist derart konstruiert, daß dessen reflektierende Fläche den Schnittpunkt a2 von der vierten Achse J4 und fünften Achse J5 enthält, und der Spiegel m2 derart in dem ersten hohlen Kopf 5 eingebaut ist, daß dessen reflektierende Fläche einem Schnittpunkt a3, der fünften Achse J5 und einer in derselben Ebene wie die fünfte Achse J5, senkrecht zu der fünften Achse J5 gebildeten Achse J0 zugewandt ist. Der Parabolspiegel Pm ist derart konstruiert, daß dessen reflektierende Fläche den Schnittpunkt a3 der fünften Achse 35 und der Achse J0 enthält, und der Parabolspiegel Pm derart angebracht ist, daß dessen reflektierende Fläche dem Schaft J0 in einer solchen Weise zugewandt ist, daß der Brennpunkt des Parabolspiegels Pm auf dem Schaft J0 liegt.

Der Spiegel m1 umfaßt den Spiegelwinkelstellmechanismus 10, der ein lotrechtes Passieren durch den Schnittpunkt a1 erlaubt, um mit einer Winkelhalbierenden eines Winkels zusammenzufallen, der von der vierten Achse J4 und einem in den Spiegel m1 einfallenden Laserstrahl gebildet wird, und der Spiegelpositionsstellmechanismus 9, der es dem Schnittpunkt a21 ermöglicht zu folgen und übereinstimmend mit dem Betrag der axialen Winkelveränderung des aus den Spiegel m1 auftreffenden Laserstrahls, um den die Winkel des aufwärts und abwärts schwenkenden ersten Armes 3 und zweiten Armes 4 verändert werden.

Der Spiegelwinkelstellmechanismus 10 bzw. der Spiegelpositionsstellmechanismus 9 haben den folgenden, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigten Aufbau. Fig. 3 ist eine Seitenansicht und Fig. 4 ist eine Vorderansicht.

Der Spiegelpositionsstellmechanismus 9 umfaßt einen Rahmen 9a, einen spiegelpositionsstellenden und -bewegenden Servomotor 9b, der in den Rahmen 9a eingebaut ist, sowie eine Kugelumlaufspindel, die am Wellenende des Servomotors 9b angebracht ist. Durch das Drehen der Kugelumlaufspindel 9c, kann ein Spiegelaufnahmerahmen 9d entlang einer siebten Achse J7 bewegt werden, die parallel zu dem in den Spiegel m1 einfallenden Laserstrahl ist. Der spiegelpositionsstellende und bewegende Servomotor 9b ist mit einem Stellwegmeßgeber 9e ausgestattet, um den Betrag der Bewegung des Spiegelaufnahmerahmens 9d zu ermitteln.

Demzufolge kann der spiegelpositionsstellende und -bewegende Servomotor 9b die Position des Spiegels m1, aus der Grundlage des, aus den Winkeln des entsprechend einer gewöhnlichen Servoregelung, aufwärts und abwärts schwenkenden, ersten Armes 3 und zweiten Armes 4, geeignet einstellen. Der Spiegelwinkelstellmechanismus 10 umfaßt einen Spiegeleinbauschaft 10a, der drehbar um die sechste Achse J6 in dem Spiegelaufnahmerahmen 9d aufgenommen ist, dabei den obenerwähnten Punkt a1 enthaltend. Der Spiegel m1 ist fest auf dem Spiegeleinbauschaft 10a montiert, damit er um die sechste Achse J6 zusammen mit dem Schaft 10a gedreht werden kann, und er enthält den Schnittpunkt a1 auf dessen reflektierender Fläche. Ein spiegelwinkelstellender- und drehender Servomotor 10b ist auf dem Spiegelaufnahmerahmen 9d montiert und mit dem Achsende des Schaftes 10a verbunden, um den Spiegel m1 über den Spiegelaufnahmeschaft 10a drehend anzutreiben. Der spiegelwinkelstellende und drehende Servomotor 10b umfaßt einen Spiegeldrehwinkelgeber 10c, um den Winkel des Spiegels m1 zu ermitteln. Folglich kann der Servomotor 10b den Winkel des Spiegels m1 mit einer gewöhnlichen Servosteuerung so einstellen, daß er die mit einer durch den Schnittpunkt a1 auf der reflektierenden Fläche des Spiegels m1 verlaufende Normale in Übereinstimmung mit einer Winkelhalbierenden eines Winkels bringt, der von dem auf den Spiegel m1 einfallenden Laserstrahl und der vierten Achse J4 gebildet wird.

Wenn die obenerwähnten Konstruktionen durch Koordinatenersatzbilder vereinfacht werden, dann erhält man Fig. 5 und 6. In Fig. 5 ist ein Fall dargestellt, bei dem es dem Laserstrahl ermöglicht ist, von der Seitenfläche der Basis 1 oder von deren unterem Abschnitt einzutreten. In Fig. 6 ist ein Fall dargestellt, bei dem es dem Laserstrahl ermöglicht ist, koaxial zu der ersten Achse J1 von dem oberen Abschnitt der Schwenksäule 2 aus einzutreten. Wie in diesen Figuren gezeigt, ist die zweite Achse J2 an einer exzentrisch um eine Strecke M von der ersten Achse J1 versetzten Lage vorgesehen. Und, um eine Strecke zwischen der zweiten Achse J2 und dritten Achse J3, nämlich der Länge des ersten Armes 3 durch L auszudrücken, wenn der erste Arm 3 um einen Winkel relativ zu der ersten Achse J1 gegenüber der zweiten Achse J2 geneigt ist, und der zweite Arm 4 um einen Winkel R relativ zu einer Linie senkrecht zu der ersten Achse J1 um die dritte Achse J3 geneigt ist, muß der Spiegel m1 an eine Position von m1 bewegt werden. Der Betrag der Bewegung S kann nach folgender Gleichung ermittelt werden:
S = (M + L sin α) tan R + L (1 - cos α).

Der vorliegende Roboter umfaßt entsprechende Servomotoren, um die Schwenksäule 2 um die erste Achse J1, den ersten Arm 3 um die zweite Achse J2, den zweiten Arm 4 um die dritte Achse J3, den ersten hohlen Kopf 5 um die vierte Achse J4, den zweiten hohlen Kopf 6 um die fünfte Achse J5 und den Spiegel m1 um die sechste Achse J6 zu drehen, und umfaßt ferner den Servomotor, um den Spiegel m1 entlang der siebten Achse J7 zu bewegen. Die Regelung solcher Servomotoren wird mittels einer CNC- Regeleinrichtung derart geleistet, daß die Düse 7 an eine willkürliche Position im dreidimensionalen Raum gesetzt werden kann, in einem willkürlichen Winkel bezüglich des Werkstückes, und an dieser Position der Laserstrahl von der Düse aus an das Werkstück abgegeben werden kann, um das Werkstück mit dem Laserstrahl zu bearbeiten. Das heißt, wie in Fig. 7 gezeigt, daß Winkelgebersignale, die den Winkel des ersten Armes 3 darstellen, der um die zweite Achse J2 dreht, Winkelanzeigesignale sind, die den Winkel des ersten Armes 3, der sich um die zweite Achse J2 dreht und den Winkel des zweiten Armes 4, der sich um die dritte Achse J3 dreht, ausdrücken, Eingangsgröße für eine Roboterregelungseinrichtung 21 sind. In der Roboterregeleinrichtung 21 wird der Betrag der Bewegung des Spiegels m1 entlang der siebten Achse J7 nach der obenerwähnten Gleichung S = (M + L sin α) tan R + L (1- cos α) berechnet, und der Betrag der Drehung des Spiegels m1 wird auf der Grundlage des Winkelgebersignals berechnet. Die Roboterregeleinrichtung 21 regelt den Spiegel m1 derart mit einer Spiegelantriebsregeleinrichtung, daß der Schnittpunkt a1 zwischen der ersten Achse J1 und der vierten Achse J4 auf der reflektierenden Fläche des Spiegels m1 positioniert ist, und die Winkelhalbierende des von der ersten Achse J1 und vierten Achse J4 gebildeten Winkels deckungsgleich ist mit einer Normalen, die durch den Schnittpunkt a1 des Spiegels m1 verläuft.

Vergleicht man die Betriebsbereiche des vorliegenden Roboters und herkömmlichen Robotern miteinander, dann kann man die Fig. 8 und 9 erhalten. In Fig. 8 ist ein mechanisch vereinfachter Aufbau eines vielgliedrigen Laserbearbeitungsroboters mit bewegbaren Spiegeln gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wohingegen in Fig. 9 ein mechanisch vereinfachter Aufbau eines Polarkoordinaten-Laserarbeitsroboters mit bewegbaren Spiegeln der herkömmlichen Art gezeigt ist. Angenommen, daß die maximale Strecke X von der ersten Achse J1 bei beiden Robotern die gleiche Größe hat, dann sind die Y und Z Dimensionen, die den Betriebsbereich 25 von dem vielgliedrigen Laserarbeitsroboter mit bewegbaren Spiegeln zeigen, größer als jene des Polarkoordinaten- Laserarbeitsroboters mit bewegbaren Spiegeln. Die Zahl der Spiegel, die in dem vorliegenden Roboter benutzt werden, ist gleich der Spiegelanzahl in dem herkömmlichen Roboter.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein vielgliedriger Laserarbeitsroboter geschaffen werden, der einen erweiterten Roboterbetriebsbereich schaffen kann und der ebenfalls die Zahl der Spiegel beträchtlich verringern kann. Dadurch bedingt ist es möglich, die Schwächung der Übertragungsenergie des Laserstrahls durch Spiegel zu minimieren und es ist möglich, Einstell-, Wartungs- und Inspektionstätigkeiten zum Korrigieren der Spiegel, Austauschen der Spiegel und desgleichen zu reduzieren.

Claims (8)

1. Vielgliedriger Laserbearbeitungsroboter, umfassend:
eine Basis (1);
eine Schwenksäule (2), die drehbar um eine erste Achse (31) senkrecht zu der Basis (1) an der Basis (1) angebracht ist;
einen ersten Arm (3), der schwenkbar mit der Schwenksäule (2) um eine zweite Achse (32) verbunden ist;
einen zweiten Arm (4), der schwenkbar mit dem ersten Arm (3) um eine dritte Achse (33) verbunden ist, wobei der zweite Arm (4) durch einen Laserstrahlübertragungspfad entlang einer Länge des zweiten Armes (4) innerhalb des zweiten Armes (4) definiert ist, wobei der Laserstrahlübertragungspfad eine vierte Achse (34) definiert, die die erste (31) und dritte Achse (33) kreuzt; und
einen Spiegel (m1), der an einem Schnittpunkt (a1) der ersten (31) und vierten Achse (34) angeordnet ist, um einen Laserstrahl (Bi1, Bi2) zu reflektieren, der koaxial in die Schwenksäule (2) eintritt, und um den Laserstrahl zu dem Laserübertragungspfad zu leiten.

2. Vielgliedriger Laserbearbeitungsroboter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
eine Spiegelwinkelstelleinrichtung (10), um den Spiegel (m1) derart zu drehen, daß eine Winkelhalbierende eines Winkels, der von der ersten (31) und vierten Achse (34) auf dem Spiegel (m1) gebildet wird, deckungsgleich mit einer Senkrechten (n) auf einer reflektierenden Fläche des Spiegels (m1) ist.

3. Vielgelenkiger Laserbearbeitungsroboter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
eine Spiegelbewegungseinrichtung (9), um den Spiegel (m1) entlang der ersten Achse (31) derart zu bewegen, daß der Schnittpunkt (a1) der ersten (31) und vierten Achse (34) auf einer reflektierenden Fläche des Spiegels (m1) positioniert ist.

4. Vielgelenkiger Laserbearbeitungsroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite (32) und dritte Achse (33) senkrecht zu einer Ebene sind, die durch die erste (J1) und vierte Achse (34) definiert ist.

5. Vielgelenkiger Laserbearbeitungsroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Achse (31) senkrecht zu der zweiten Achse (32) ist und davon eine vorbestimmte Strecke abweicht.

6. Vielgelenkiger Laserbearbeitungsroboter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelbewegeinrichung (9) die Bewegung des Spiegels anhand folgender Formel regelt:
S = (M + L sin α) tan R + L (1 - cos α) worin
S einen Betrag der Bewegung des Spiegels (m1) von einer Position darstellt, wo die kürzeste direkte Linie, die die zweite (J2) und dritte Achse (33) in einer von der ersten (31) und vierten Achse (34) definierte Ebene verbindet, die parallel zu der ersten Achse (31) ist, und die kürzeste direkte Linie senkrecht zu der vierten Achse (34) ist;
M eine Abweichung der kürzesten direkten Linie von der ersten Achse (31) an dieser Position darstellt;
L eine Länge der kürzesten Strecke zwischen der zweiten (32) und dritten Achse (33) auf der Ebene darstellt;
α einen Winkel der kürzesten direkten Linie relativ zu der ersten Achse (31) darstellt; und
R einen Winkel der vierten Achse (34) relativ zu einer direkten Linie senkrecht zu der ersten Achse (31) auf der Ebene darstellt.

7. Vielgliedriger Laserbearbeitungsroboter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
einen ersten hohlen Kopf (5), der drehbar um die vierte Achse (34) auf dem zweiten Arm (4) angebracht, und
einen zweiten Spiegel (m2), der in dem ersten hohlen Kopf (5) auf der vierten Achse (34) angeordnet ist, um den Laserstrahl von dem Laserübertragungspfad zu einem Pfad mit einer fünften Achse (35) zu reflektieren und zu leiten.

8. Vielgliedriger Laserbearbeitungsroboter nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen zweiten hohlen Kopf (6), der um die fünfte Achse (35) drehbar auf dem ersten hohlen Kopf (5) angebracht ist, und einen Parabolspiegel (Pm), der in dem zweiten hohlen Kopf (6) auf der fünften Achse (35) angeordnet ist, um den Laserstrahl zu einer Ausgangsöffnung zu reflektieren und zu leiten.