Vorrichtung zum Schweißen und/oder Schneiden

Die Erfindung betrifft eine Schweiß- oder Schneidvorrichtung, insbesondere zum Laserschweißen, Laserschneiden oder dgl. mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine solche manipulatorgeführte Schweißvorrichtung ist aus der Praxis bekannt. Sie besitzt einen Schweißkopf in Form eines Laserkopfes, der von einem Niederhalter umgeben ist und innerhalb des Niederhalters gelagert und zentriert ist. Der Niederhalter wird auf das Werkstück gepreßt, wobei gegebenenfalls bei einer Verschweißung mehrerer Werkstücke von der anderen Seite ein Gegenhalter gegendrückt. Der Niederhalter und gegebenenfalls der Gegenhalter sind mittels einer Halterung an der Hand eines Manipulators befestigt.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß es Probleme mit der Schweißqualität gibt, wenn Bauteiltoleranzen und Spannungenauigkeiten auftreten.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Schweißvorrichtung aufzuzeigen, mit der eine bessere und konstantere Schweißqualität zu erreichen ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.

Mit der Erfindung wurde erkannt, daß eine Ursache für die frühere verminderte Schweißqualität in einer unzureichenden Anpressung des Niederhalters an das oder die Werkstück(e) zu suchen ist. Mit der Erfindung wird daher eine Ausgleichsvorrichtung vorgeschlagen, mit der eventuelle Winkelfehler zwischen dem oder den

Werkstück(en) und dem Niederhalter ermittelt und korrigiert werden. Damit ist unter Anpassung an die Werkstückoberfläche eine ebene und gleichmäßige Anpressung des Niederhalters und damit eine höhere Schweißqualität gewährleistet.

Falls die Schweißvorrichtung einen Gegenhalter aufweist, kann auch dieser mit der Ausgleichsvorrichtung verbunden sein oder eine eigene Ausgleichsvorrichtung aufweisen.

In der einen Ausführungsform der AusgleichsVorrichtung bewegt sich nur der Niederhalter, wobei der Schweißkopf steht und in seiner Position weitgehend durch die Zustellung bestimmt ist. Die Ausgleichsvorrichtung kann aber auch so ausgestaltet sein, daß sich der Niederhalter zusammen mit dem Schweißkopf bewegt und an die Werkstückoberfläche anpaßt. Die Zuordnung zwischen Niederhalter und Schweißkopf und damit die FokusJustierung bleiben dadurch erhalten. Durch die Anpassung kann sich der Schweißkopf dann möglichst weitgehend parallel zur

Werkstückoberfläche bewegen. Das ist z.B. der Fall, wenn der Schweißkopf innerhalb des Niederhalters nach ein oder mehreren Richtungen mit einer geeigneten Stellvorrichtung verfahren wird. Örtliche Toleranzen in der Werkstückoberfläche lassen sich zumindest teilweise ausgleichen.

Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung ist vorzugsweise als Laserschweiß- oder Laserschneidvorrichtung ausgebildet. Sie kann aber auch als eine andere Schwei߬ oder Schneidvorrichtung ausgebildet sein, die mit einem Niederhalter und gegebenenfalls einem Gegenhalter arbeitet. Besondere Vorteile bestehen allerdings hinsichtlich einer Laserschweißvorrichtung, bei der der Niederhalter und der Laserkopf in besonderer Weise zusammenwirken.

Mit der Erfindung werden verschiedene Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Ausgleichsvorrichtung vorgeschlagen. In der bevorzugten Ausführungsform besitzt die Ausgleichsvorrichtung eine Schwenklagerung mit mindestens einer Schwenkachse. Dadurch kann der Niederhalter und/oder der Gegenhalter bei der Zustellung selbsttätig durch eine ausgleichende Drehbewegung an die Werkstückoberfläche angepaßt werden.

In den Unteransprüchen ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Schwenklagerung und der Halterung der Schweißvorrichtung aufgezeigt.

In Variation hierzu kann die Ausgleichsvorrichtung auch mehrere Sensoren zur Ermittlung von Winkelfehlern aufweisen. Die Sensoren können unterschiedlich gestaltet sein, wobei sich Kraft- bzw. Drucksensoren oder Abstandssensoren anbieten. Die Korrektur der Winkelstellung kann über einen eigenständigen Antrieb der Schweißvorrichtung erfolgen, der z. B. in die Halterung integriert ist. Alternativ können die Sensorsignale auch der Manipulatorsteuerung zugeführt werden, so daß die Korrekturbewegung über die Hand des Manipulators erfolgt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Figur 1: die manipulatorgeführte Schweißvorrichtung mit einer als Schwenklager ausgestalteten Ausgleichsvorrichtung in Seitenansicht,

Figur 2: eine Variante der Ausgleichsvorrichtung von Figur 1 mit einem anderen Schwenklager,

Figur 3: einen Schnitt durch die Schweißvorrichtung von Figur 1 entlang Schnittlinie III-III und

Figur 4: einen Schnitt durch die Schweißvorrichtung von

Figur 2 entlang Schnittlinie IV-IV.

In den Zeichnungen ist eine SchweißVorrichtung (1) dargestellt, die vorzugsweise als Laserschweißvorrichtung ausgebildet ist. Sie wird von einem Manipulator (2) geführt, der vorzugsweise als mehrachsiger Industrieroboter ausgebildet ist und eine mehrachsig bewegliche Hand (3) besitzt. Der Schweißkopf (7) ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Laserkopf ausgebildet, der mittels einer mehrteiligen Halterung (9) an der Hand (3) befestigt ist. Der Laserkopf (7) ist von einem im wesentlichen gabelförmigen oder ringförmigen Niederhalter (6) umgeben und darin vorzugsweise zentriert angeordnet. An der Unterseite der Halterung (9) kann auch ein Gegenhalter (nicht dargestellt) angeordnet sein.

Zum Schweißen wird der Niederhalter (6) gegen das Werkstück (4) gedrückt. Bei dem Werkstück (4) handelt es sich beispielsweise um ein Blech. Sollen mehrere

Werkstücke (4,5) bzw. Bleche miteinander verschweißt werden, kann von der Gegenseite ein fester Gegenanschlag

oder ein Gegenhalter in Aktion treten. Die Bleche (4,5) werden zwischen Niederhalter (6) und Gegenhalter während des Schweißvorganges zusammengepreßt.

Die Zustellung der Schweißvorrichtung (1) erfolgt über den Manipulator (2), der vorzugsweise über eine Bahnsteuerung verfügt. Die Schweißvorrichtung (1) kann eine eigenständige Steuerung haben, die alternativ aber auch in die Manipulatorsteuerung integriert sein kann. Der Schweißprozeß läuft dadurch automatisch ab. Mit dem

Laserkopf (7) werden an den Werkstücken (4,5) mehrere Schweißpunkte oder -nähte gesetzt, wobei die Schweißvorrichtung (1) von Punkt zu Punkt verfahren wird.

Bei der manipulatorgeführten Zustellung kann es zu Winkelfehlern zwischen dem Niederhalter (6) und der Oberfläche des Werkstücks (4) kommen. Dies ist z. B. der Fall, wenn das Werkstück (4) Verwerfungen aufweist oder auch eine von vornherein gekrümmte Form besitzt. Zu Winkelfehlern kann es auch zwischen dem Gegenhalter und dem Werkstück (4,5) kommen. Für den Niederhalter (6) sind Winkelfehler aufgrund seiner im wesentlichen ringförmigen AufStandsfläche in der Regel von größerem Nachteil. Der Niederhalter (6) muß an der Berührungs- oder AufStandsfläche am Werkstück (4) keine geschlossene Gabelform oder Ringform aufweisen, sondern kann aus mehreren entsprechend angeordneten Füßen oder Stegen mit Zwischenräumen bestehen.

Zur Ermittlung und Korrektur von Winkelfehlern ist eine Ausgleichsvorrichtung (13) vorgesehen. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 bzw. 3 und 4 sind hierfür verschiedene Ausführungsformen angegeben.

Bei Einsatz einer anderen Schweiß- oder Schneidtechnik, z.B. WIG-Schweißen, ist der Schweißkopf entsprechend anders ausgebildet. Die nachstehenden Erläuterungen zur

Schweißvorrichtung (1) und zur Ausgleichsvorrichtung (13) gelten dann analog.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen besteht die Ausgleichsvorrichtung (13) aus einer Schwenklagerung (14) . Diese erlaubt es dem Niederhalter (6), sich beim Andrücken selbsttätig in die richtige Anpreßstellung gegenüber dem Werkstück (4) zu drehen. In der gezeigten Ausführungsform ist die Schwenklagerung (14) einachsig, sie kann aber auch als mehrachsige Lagerung, insbesondere als kardanische Schwenklagerung ausgebildet sein. Der Niederhalter (6) dreht sich dabei vorzugsweise um den Fokus (8) des Laserkopfes (7) .

Die Schwenklagerung (14) ist in Figur 1 und 3 als zweifaches gebogenes Kugellager ausgebildet. Sie besitzt dazu jeweils eine gebogene Anordnung einer Reihe von Rollkörpern (16), vorzugsweise Kugeln, die zwischen einer der Halterung (9) zugeordneten, relativ ortsfesten Schiene (15) und einem übergreifenden Lagerbügel (20) des Niederhalters (6) angeordnet sind.

In Fig. 2 und 4 weist das Schwenklager (14) zwei gebogene Schienen (15) auf, die eine parallel zueinander verlaufende Ober- und Unterseite besitzen. Die Schienen (15) sind diesmal mit dem Niederhalter (6) über einen geeigneten Lagerbügel (20) verbunden. An der Schienenober¬ und Unterseite greifen jeweils an der Halterung (9) gelagerte Rollkörper (16) an, die vorzugsweise als Walzen ausgebildet sind. Die gekrümmten Schienen (15) sind an den ebenfalls im Bogen angeordneten Rollkörpern (16) schwenkbar gelagert. Zusätzlich können ein oder mehrere Walzen als Seitenführung vorgesehen sein.

Die Bogenanordnung der Schienen (15) oder Rollkörper (16) ist vorzugsweise um den Fokus (8) des Laserkopfes (7) als Mittelpunkt gekrümmt. Der Fokus (8) befindet sich in

Schweißposition üblicherweise auf der Oberfläche des Werkstücks (4) und im Mittelpunkt der ring- oder gabelförmigen Aufstandsfläche des umgebenden Niederhalters (6) . Ein Schwenk des Niederhalters (6) um den Fokus (8) ist günstig für die gleichmäßige und im wesentlichen zentrische Anpressung um den Schweißpunkt. Es kann alternativ aber auch ein anderer Krümmungs- oder Schwenkmittelpunkt herangezogen werden, der vorzugsweise ebenfalls auf der Werkstückoberfläche liegt.

Die Rollkörper (16) greifen in beiden Ausführungsformen derart an den Schienen (15) oder am Lagerbügel (20) an, daß nur eine Schwenkbeweglichkeit gegeben ist, wobei der Niederhalter (6) ansonsten formschlüssig geführt ist und mit dem Laserkopf (7) gehoben und gesenkt sowie seitlich verfahren wird. In anale er Weise kann auch eine mehrachsige Schwenklagerung (14) ausgebildet sein.

Im unteren Rand des Niederhalters (6) können ein oder mehrere federbelastete Kugeln (nicht dargestellt) integriert sein. Die Kugeln verringern die Reibung zwischen dem Niederhalter (6) und dem Werkstück (4) und erleichtern den Winkelausgleich. Zugleich wird eine Beschädigung des Werkstücks (4) vermieden. Der Federweg der Kugeln ist so groß, daß die Kugeln im Niederhalter (6) beim Anpressen verschwinden können.

Der Laserkopf (7) ist vorzugsweise unabhängig vom Niederhalter (6) und eigenständig mit der Halterung (9) verbunden. Dies kann eine starre Verbindung sein.

Alternativ kann auch eine Stellvorrichtung (10) zur ein- oder mehrachsigen Veränderung der Laserkopfposition innerhalb des Niederhalters (6) vorhanden sein. Die Stellvorrichtung (10) besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Kreuzschlitten mit horizontaler und vertikaler Achse nebst geeigneten Antrieben. Über die Stellvorrichtung (10) kann der

Laserköpf (7) gegenüber der Roboterhand (3) und dem Niederhalter (6) verstellt werden. Die Stellvorrichtung

(10) kann alternativ auch nur eine Achse aufweisen. Sie kann je nach Ausgestaltung der Schweißvorrichtung (1) auch entfallen.

Die Halterung (9) ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mehrteilig und besitzt eine Andrückvorrichtung (11) und die vorerwähnte Stellvorrichtung (10) . Die Andrückvorrichtung (11) ist nahe der Hand (3) angeordnet und besitzt einen zumindest einachsig beweglichen Schlitten (23), der an einem mit der Hand (3) verbundenen Gestell (24) gelagert ist. Der Schlitten (23) ist gegen die Kraft einer rückstellenden Feder (12) verfahrbar. Die Feder (12) kann als mechanische Schraubendruckfeder, als Gasfeder oder in sonstiger geeigneter Weise ausgebildet sein.

Am Schlitten (23) ist die Stellvorrichtung (10) angeordnet, an der wiederum der Laserkopf (7) hängt. In Fig. 1 und 3 sind am Schlitten (23) auch die beiden Schienen (15) befestigt, an denen über die Rollkörper (16) und den umgreifenden Lagerbügel (20) der Niederhalter (6) aufgehängt ist. In Fig. 2 und 4 sind am Schlitten (23) die Rollkörper (16) gelagert, an denen die mit dem

Niederhalter (6) verbundenen Schienen (15) geführt sind.

Die Bewegungsachse des Schlittens und der Feder (12) ist vorzugsweise parallel zur Längsachse des Laserkopfes (7) und des Niederhalters (6) und damit auch parallel zur normalen Zustellrichtung ausgerichtet. Bei der Zustellung der Schweißvorrichtung (1) wird der Niederhalter (6) gegen das Werkstück (4) geführt, wobei nach erfolgter Anlage die Zustellbewegung des Manipulators (2) noch ein Stück weitergeführt wird. Hierbei wird in der Andrückvorrichtung

(11) die in Richtung der Zustellbewegung wirkende Feder

(12) gespannt und der Niederhalter (6) mit einer dem

Zustell- oder Spannweg entsprechenden Federkraft an das Werkstück (4) gepreßt.

Die Ausgleichsvorrichtung (13) besitzt eine Zentriereinrichtung (17) für den Niederhalter (6) . Hierzu ist in beiden gezeigten Ausführungsformen am horizontalen Steg des Lagerbügels (20) ein in der Draufsicht im wesentlichen dreieckiger Zentrierbügel (19) angeordnet, in dessen obere Spitze Arretierstift (18) greift. Flankierend können seitlich noch weitere Stifte angreifen. Der

Zentrierbügel (19) steht im wesentlichen senkrecht und erstreckt sich parallel zur Bewegungsachse des Schlittens (23) .

Der Arretierstift (18) ist mit dem Gestell (24) der

Halterung (9) derart ortsfest verbunden, daß er sich bei der Einfahrbewegung der Andrückvorrichtung (11) nicht mitbewegt. Der mit der Andrückvorrichtung (11) gekoppelte Zentrierbügel (19) gerät dadurch beim Anpressen des Niederhalters (6) an der Bügelspitze außer Kontakt mit dem Arretierstift (18) und kann sich mitsamt dem Niederhalter (6) drehen. Die Drehbeweglichkeit ist allerdings durch seitlichen Anschlag der Zentrierbügelarme am Arretierstift (18) begrenzt.

Beim Lösen des Niederhalters (6) vom Werkstück (4) geraten der Arretierstift (18) und die Bügelspitze wieder in Kontakt, wodurch der Zentrierbügels (19) wieder gefangen und zentriert wird.

Wie Fig. 1 verdeutlicht, kann der Niederhalter (6) aus zwei klappbaren Teilen bestehen, die beim Anpressen des Niederhalters (6) zumindest ein kleines Stück relativ zueinander bewegt werden. Dazwischen kann ein Kraft, Zug oder Druck aufnehmender Sensor (22) angeordnet sein, der die Anpreßkraft des Niederhalters (6) am Werkstück (4) mißt und an die Steuerung des Manipulators (2) meldet.

Durch das Feedback kann die Preßkraft geregelt werden.

In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Gegenhalter an der Unterseite der Halterung befestigt. Er kann ebenfalls eine Ausgleichsvorrichtung in Form einer Schwenklagerung oder in anderer geeigneter Gestalt aufweisen. Der Gegenhalter besitzt beispielsweise eine zylinderbetätigte schwenkbare Zange, die von unten zentrisch zum Niederhalter gegen das untenliegende Werkstück (5) gepreßt werden kann.

In einer Variante der Ausgleichsvorrichtung (13) sind mehrere Sensoren (21) am unteren Rand des Niederhalters (6) angeordnet. Sie können in die Wandung des Niederhalters (6) integriert oder außenseitig befestigt sein. Figur 2 zeigt gestrichelt eine mögliche Anordnung am Niederhalter (6). Die Sensoren (21,22) können alternativ oder kombinativ verwendet werden.

Bei den Sensoren (21) handelt es sich z.B. um

Abstandsmeß-Sensoren. Sie stellen fest, ob ein Kontakt zwischen dem Niederhalter (6) und dem Werkstück (4) besteht und ob bei Schrägstellungen noch ein Zwischenraum vorhanden ist. Es kann sich alternativ aber auch um Kraft- oder Drucksensoren handeln, die vorzugsweise in die

Aufstandsfläche des Niederhalters (6) integriert sind. Sie messen den beim Anpressen des Niederhalters (6) örtlich auftretenden Druck und stellen in Verbindung mit einer geeigneten Steuerung fest, ob Druckunterschiede und damit Winkelfehler bestehen oder nicht. Die Sensoren (21) sind vorzugsweise gleichmäßig rund um den Niederhalter (6) verteilt. Vorzugsweise kommen vier oder mehr Sensoren (21) zu Einsatz.

Die Auswertung der Sensorsignale erfolgt in einer geeigneten Steuerung. Diese kann in die Schweißvorrichtung (1) integriert sein. In diesem Fall empfiehlt es sich

auch, die Korrektur der Winkelfehler durch geeignete Stellantriebe innerhalb der Schweißvorrichtung (1) vorzunehmen (nicht dargestellt) . Die Stellantriebe drehen den Niederhalter (6) und gegebenenfalls auch den Gegenhalter so lange, bis die Sensoren (21) eine gleichmäßige Anpressung an die Werkstücke (4,5) melden.

Alternativ können die Sensorsignale auch an die Steuerung des Manipulators (2) gemeldet werden. Die Korrektur der Winkelfehler erfolgt dann über eine entsprechende Drehung der Hand (3) .

Bei Verwendung von Kraft- oder Drucksensoren (21,22) ergibt sich über die Winkelfehlerkorrektur hinaus noch die Möglichkeit zur Steuerung und Regelung der Anpreßkraft. Die Sensorsignale werden dazu nicht nur relativ zueinander, sondern auch absolut zur Messung der Anpreßkraft oder des Anpreßdrucks ausgewertet. Die Manipulatorsteuerung kann die Schweißvorrichtung (1) dann zur Erzielung der gewünschten Anpreßkraft nachstellen.

In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann der Laserkopf (7) mit dem Niederhalter (6) gekoppelt sein, so daß er sich bei der Ausgleichsbewegung mitbewegt. Der Fokus (8) bleibt dadurch auf der Werkstückoberfläche. Die Verbindung zum Niederhalter (6) kann starr sein. Es ist alternativ auch möglich, die ein- oder mehrachsige Stellvorrichtung (10) mit dem Niederhalter (6) zu verbinden, indem sie z.B. auf dem Lagerbügel (20) aufsetzt. Der Laserkopf (7) kann dann innerhalb des

Niederhalters (6) verfahren werden, wobei er sich durch den Winkelausgleich weitgehend parallel zur Werkstückoberfläche bewegt.

Zu den gezeigten Ausführungsbeispielen sind weitere

'Varianten möglich. Zum einen kann die Schwenklagerung (14) aus einem Kardangelenk bestehen, das innerhalb oder

außerhalb des Niederhalters (6) angeordnet ist. Es kann sich auch um ein Lenkergetriebe mit ein oder mehreren Lenkern und einer entsprechenden Achsenzahl handeln. Gegenüber den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 kann die kinematische Zuordnung der Schienen (15) und

Rollkörper (16) zum Niederhalter (6) oder zum Schlitten (23) umgedreht sein.

Ferner können anstelle der beschriebenen Sensoren andere geeignete Sensortypen eingesetzt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Schweißvorrichtung

2 Manipulator, Industrieroboter 3 Hand

4 Werkstück, Blech

5 Werkstück, Blech

6 Niederhalter

7 Schweißkopf, Laserkopf 8 Fokus

9 Halterung

10 Stellvorrichtung, Kreuzschlitten

11 Andrückvorrichtung

12 Feder, Zylinder 13 Ausgleichsvorrichtung

14 Schwenklagerung

15 Schiene

16 Rollkörper

17 Zentriereinrichtung 18 Arretierstift

19 Zentrierbügel

20 Lagerbügel

21 Sensor, Abstandsmessung

22 Sensor, Kraft/Druck-Messung 23 Schlitten

24 Gestell