Verfahren zum Bearbeiten zumindest eines Werkstücks Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten zumindest eines Werkstücks mittels einer Bearbeitungseinrichtung unter Verwendung eines mehrachsigen Handhabungsgeräts, in dem zumindest Kräfte und/oder Momente aufnehmende Sensoren integriert sind, wobei die Bearbeitungseinrichtung relativ zu einer Kontur des zumindest einen Werkstücks verstellt wird, entlang der der zu bearbeitende Bereich des zumindest einen Werkstücks verläuft.

Zur präzisen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung ist es erforderlich, den Laserstrahl hochgenau in die Bearbeitungszone zu fuhren und zu dem Werkstück bzw. Bauteil zu positionieren. Insbesondere bei Werkstücken mit Form- und/oder Lagetoleranzen ist es notwendig, aufwendige Vorrichtungen bzw. komplexe Sensorsysteme einzusetzen, um die Qualität der Laserbearbeitung zu gewährleisten. Dabei geht die Erfordernis in vielen Fällen über eine Offline-Positionserfassung mit anschließender Bahnkorrektur hinaus, d. h., eine Online-Detektion ist erforderlich, um z. B. Verzüge oder Lageänderungen im Prozess zu erkennen oder Lagetoleranzen von vorgelagerten Fertigungsschritten während des Prozesses kompensieren zu können.

Im Bereich unterschiedlicher Laserbearbeitungsverfahren wie Schneiden, Schweißen, Löten werden Sensoren für die Erfassung von Positionen, Kraft oder Orientierung des Laserbearbeitungskopfes zum Bauteil eingesetzt. Unerheblich hierbei ist es, ob CNC- Werkzeugmaschinen oder Roboterkinematiken als Handhabungssysteme verwendet werden.

Zur Erfassung von Positionen, Kraft oder Orientierung gelangen optische Erfassungssystem wie Kamera, Lichtschnitt, Triangulation oder auch taktile Sensoren zum Einsatz. Dabei wird durch Berühren der Tastspitze des taktilen Sensors die Lage bzw. Position des Bauteils erfasst und zur Bahnkorrektur verwendet. Dem taktilen Sensor ist eine gesonderte Sensorik zugeordnet, die unabhängig von dem Handhabungssystem ausgewertet wird. Hierzu ist es erforderlich, dass die Sensoren relativ nah am Bearbeitungskopf und somit am Bauteil bzw. an zum Einsatz gelangenden Spannvorrichtungen positioniert werden müssen. Somit ist für diesbezügliche Sensorsysteme ein Kompromiss aus Zugänglichkeit und notwendigem Bauraum für die Sensorik selbst zu suchen. Dies wiederum kann zu Einschränkungen bei einer Bahnprogrammierung führen. Zusätzlich oder alternativ sind besondere Anforderungen an die Spanntechnik für das zu bearbeitende Bauteil bzw. Werkstück notwendig. Ungeachtet dessen besteht die Gefahr, dass aufgrund der exponierten Lage der Sensoren eine Kollision auftritt und infolgedessen es zu Beschädigungen bzw. Fehlfünktionen der Sensorik kommt.

Es gibt zwar auch Lösungen, bei denen die Sensorik im Bearbeitungskopf selbst integriert ist. Allerdings bleibt der Nachteil des erforderlichen größeren Bauraums und der damit verbundenen Bauteilzugänglichkeit bestehen. Zusätzlich erfolgt eine Gewichtserhöhung des Laserbearbeitungskopfes und somit eine höhere Anforderung an das Handhabungssystem . Ein weiteres Problem entsteht durch die Anpassung der Handhabungssysteme an die unterschiedlichen Schnittstellen der eingesetzten Sensoriken wie Kamerasysteme, Scanner, Abstandssensorik, Nahtfolgesystem. Durch den hierdurch entstehenden Aufwand werden die Kosten für entsprechende Automatisierungsaufgaben erhöht. Aus der DE 20 2006 002 160 Ul ist eine von dem Arm eines mehrachsigen Manipulators, also Roboters bzw. Handhabungsgeräts ausgehende Laserschweißeinrichtung bekannt. Der Bearbeitungskopf weist einen Stellantrieb mit einem fluidischen Kontraktionselement auf, um unabhängig von der Roboterbewegung eventuelle Toleranzen in den Werkstücken auszugleichen.

Der DE 10 2007 063 099 AI ist ein Roboter zum Überwachen der Momente an einem solchen zu entnehmen, um eine gefahrbringende Bewegung auszuschließen. Es gelangen Momente erfassende Sensoren zum Einsatz, wobei Sensorkomponenten Momente redundant erfassen. Weitere Handhabungsgeräte bzw. Roboter mit Sensoren zur Erfassung der Position und damit der Bewegung sind der DE 10 2007 050 232 AI oder der EP 1 503 196 AI zu entnehmen.

Die DE 10 2007 006 1 15 AI bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstückteilen mittels Lichtbogen mit einem Brenner und einer Nahtführungseinrichtung. Dabei ist in dem Brenner eine bewegliche Verbindung integriert, die durch die Nahtführungseinrichtung in Abhängigkeit der Kontur eines von den zu verbindenden Werkstückteilen definierten Fügestoßes betätigt wird. Die Position des beweglichen Teils des Brenners wird mit einem gesonderten Positions- bzw. Kraftsensor ermittelt.

Um einen Energiestrahl entlang eines Stoßes zwischen zu verbindenden Werkstücken zu führen, ist nach der DE 10 2006 056 252 ein dem Wirkpunkt des Energiestrahls vorlaufender Führungsfinger vorgesehen. Die Lage des Stoßes wird mittels eines Sensors ermittelt.

Zur Überwachung einer Laserstrahloptik zur Materialbearbeitung ist ein Kamerasystem vorgesehen, mit dem von der Optik bzw. von einem zu bearbeitendem Werkzeugteil ein Bild aufgenommen wird, dass sodann durch Bildverarbeitung ausgewertet wird (DE 10 2013 226 961 AI).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine hochpräzise Führung der Bearbeitungseinrichtung beim Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke möglich ist, ohne dass die dem Stand der Technik zu entnehmenden Nachteile gegeben sind, insbesondere in Bezug auf die Bearbeitungseinrichtung eine nachteilige Bauteilvergrößerung vermieden wird. Auch soll ausgeschlossen werden, dass beim Bearbeiten eine Kollision mit der Sensorik erfolgt, die zum Führen des zu der Bearbeitungseinrichtung zu verstellenden zumindest einen Werkstücks erforderlich sind.

Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass zur relativen Verstellung der Bearbeitungseinrichtung zu der Kontur zumindest einige der in dem Handhabungsgerät integrierten Sensoren verwendet werden, in dem von diesen Kräfte und/oder Momente ermittelt werden, die auf zumindest ein ortsfest der Bearbeitungseinrichtung zugeordnetes Element durch dessen Berühren des zumindest einen Werkstücks einwirken. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass als Bearbeitungseinrichtung ein Laserbearbeitungskopf mit von diesem emittierter Laserstrahlung verwendet wird.

Druck und/oder Zug, der bzw. die von den die Sensoren während der relativen Verstellung der Bearbeitungseinrichtung zu dem Werkstück erfasst werden, können zur Führung der Bearbeitungseinrichtung benutzt werden.

Erfindungsgemäß wird zur genauen Positionierung der Bearbeitungseinrichtung, insbesondere des Laserbearbeitungskopfs, anstelle der Verwendung externer Sensoren, also ausschließlich der Bearbeitungseinrichtung zugeordneter Sensoren, die in dem Handhabungsgerät integrierte Sensorik benutzt. Dabei erfolgt eine taktile Positionsdetektion, wobei Konturen„ertastet" werden, die entlang des zu bearbeitenden Bereichs des zumindest einen Werkstücks verlaufen. Hierdurch ist es nicht erforderlich, dass zuvor eine aufwendige Programmierung erfolgt, damit die Bearbeitungseinrichtung entlang der erforderlichen Bahn bewegt wird. Komplexe Bahngeometrien können abgefahren werden und ein automatischer Ausgleich von Bautoleranzen ist gegeben. Ferner ist das Risiko ausgeschlossen, dass externe Sensoriken, wie diese nach dem Stand der Technik zum Einsatz gelangen, während des Bearbeitens durch Kollisionen beschädigt werden.

Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass die Bearbeitungseinrichtung wie der Laserbearbeitungskopf ortsfest mit dem Handhabungsgerät verbunden wird. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass das zumindest ein Werkstück mittels des Handhabungsgerätes oder einem weiteren unabhängigen Handhabungsgerät zu der Bearbeitungseinrichtung wie dem Laserbearbeitungskopf verstellt wird. Um problemlos die Kontur zu erfassen und somit die Bearbeitungseinrichtung präzise entlang des Bereichs verstellen zu können, der zu bearbeiten ist, sieht die Erfindung vor, dass von der Bearbeitungseinrichtung wie dem Laserkopf ein Halteelement ausgeht, von dem das zumindest eine Element ausgeht, das im vorgegebenen Abstand zu der Bearbeitungseinrichtung, insbesondere zur Laserstrahlung, das zumindest eine Werkstück berührt.

Als Element kann z. B. ein Aufsatz eines Laserbearbeitungskopfs benutzt werden, der von der Laserstrahlung durchsetzt wird, wobei der Aufsatz an die die Kontur begrenzenden Bereiche wie Wandungen einer Nut des Werkstücks abgestützt wird.

Aber auch die bei entlang der Kontur bewegbarer Bearbeitungseinrichtung auftretenden Zugkräfte können erfasst und zur Bewegungssteuerung benutzt werden.

Insbesondere ist vorgesehen, dass zumindest zwei Elemente zur Erfassung der auf diese einwirkenden Kräfte bzw. Momente ortsfest der Bearbeitungseinrichtung, wie dem Laserbearbeitungskopf, zugeordnet werden, wobei die bei Berühren des zumindest einen Werkstücks auftretenden Kräfte bzw. Momente einen Winkel α 0°, insbesondere α = 90°, einschließen.

Als Element wird insbesondere ein an dem Werkstück bzw. der Kontur gleitend oder rollend berührendes Element verwendet, das als Stift oder Andruckrolle ausgebildet sein kann.

Ein Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Lehre ist z.B. das Bearbeiten des Randes einer Turbinenschaufel, die mittels des Handhabungsgerätes zu dem Laserbearbeitungskopf verstellt wird. Dabei stützten sich an der Turbinenschaufel zumindest zwei ortsfest dem Laserbearbeitungskopf zugeordnete Elemente ab. Als Bearbeiten kommt das Auftragsschweißen in Frage.

Auch ist das Schweißen von Schalen zur Bildung eines Kunststofftanks als Anwendungsbeispiel zu nennen, wobei ein Element sich insbesondere rollend in Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfs vor diesem auf dem Randbereich einer der Schalen abstützt, in dem die Schalen verschweißt werden sollen. Ein zweites Element stützt sich an einem quer, insbesondere senkrecht zu dem Bereich verlaufenden Abschnitt einer der Schalen ab. Erfindungsgemäß wird die Bewegung einer Bearbeitungseinrichtung wie eines Laserbearbeitungskopfs bzw. die Bewegung eines zu der Bearbeitungseinrichtung bzw. dem Laserbearbeitungskopf zu verstellenden Werkstücks durch die in dem Bearbeitungseinrichtung integrierte Sensorik vorgegeben, indem die während der Bewegung durch das Berühren des zumindest einen Elements erfassten Kräfte bzw. Momente ermittelt und in Abhängigkeit von den so bestimmten Werten eine Positionierung der Bearbeitungseinrichtung wie des Laserbearbeitungskopfs erfolgt. Dabei wird die Bearbeitungseinrichtung bzw. der Laserbearbeitungskopf entlang der Kontur verstellt und/oder das Werkstück zu der Bearbeitungseinrichtung bzw. dem Laserbearbeitungskopf. Es erfolgt eine Relativbewegung zueinander. Im Falle der Bewegung des Werkstücks zu der Bearbeitungsrichtung werden nicht die auf das Element einwirkenden Kräfte bzw. Momente, sondern die durch das Element auf das Werkstück einwirkenden Kräfte und Elemente erfasst. Diese Alternative ist von der erfindungsgemäßen Lehre erfasst und wird allgemein dadurch zum Ausdruck gebracht, dass auf das Element durch Berühren des Werkstücks Kräfte bzw. Momente einwirken.

Zum Bearbeiten ist anzumerken, dass es sich hierbei um einen beliebigen Prozess handeln kann, insbesondere um einen Laserschweißprozess. Auch andere Schweißprozesse wie Lichtbogenschweißen, kombiniertes Laser- und Lichtbogenschweißen werden von der Erfindung erfasst. Auch Schneidprozesse, Oberflächenbearbeitung wie Gravieren oder sonstige Bearbeitungsverfahren sind unter Bearbeiten zu subsummieren. Entsprechend kann die Bearbeitungseinrichtung unterschiedlich ausgebildet sein.

Des Weiteren kann bzw. sollte die Position zumindest des die Kräfte und/oder Momente aufnehmenden Handhabungsgeräts mittels zumindest eines in diesem integrierten Positionserfassungsensor wie GPS-Sensor, Inertialplattform bestimmt werden.

Ferner besteht die Möglichkeit, dass das Werkstück mittels eines zweiten Handhabungsgeräts zu dem die Kräfte und/oder Momente erfassenden Handhabungsgerät verstellt wird.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen: eine Prinzipdarstellung eines Ausschnitts einer Anordnung zum Schweißen von Kunststofftanks,

Fig. 2 die Darstellung gemäß Fig. 1 in um 90° gedrehter Position,

Fig. 3 eine Draufsicht auf zu verschweißende Wärmetauscherplatten,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Wärmetauscherplatte gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Fig. 4,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung der Bearbeitung einer Schaufel und

Fig. 7 einen Ausschnitt der Fig. 6 in vergrößerter Darstellung.

Anhand der Figuren sollen rein beispielhaft Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke bzw. Bauteile erläutert werden. Dabei wird die erfindungsgemäße Lehre anhand eines Laserschweißprozesses als Bearbeitungsprozess beschrieben, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der Erfindung erfolgen soll.

In Fig. 1 ist rein prinzipiell ein Abtriebsfiansch 1 eines mehrachsigen Handhabungsgeräts dargestellt, das auch als Manipulator oder Roboter zu bezeichnen ist. Von dem Abtriebsflansch 1 geht ein Laserbearbeitungskopf 2 mit abbildender Optik 5 aus. Aus dem Laserbearbeitungskopf 2 tritt eine Laserstrahlung 3 aus, mittels der im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 Schalen 7, 8 zu einem Tank verschweißt werden sollen. Die Schalen 7, 8 bestehen aus Kunststoff, wobei die Schale 8 für die Laserstrahlung 3 transparent ist und die Schale 7 absorbierend. Ortsfest sind dem Laserbearbeitungskopf 2 als Andruckrollen ausgebildete Elemente 4 und 6 zugeordnet, um beim Berühren der Schale 8 auftretende Kräfte bzw. Momente von den in dem Handhabungsgerät integrierten Sensoren bzw. der integrierten Sensorik zu ermitteln und somit die relative Position des Abtriebsflanschs 1 und somit des Laserbearbeitungskopfes 12 zu der Schale 8 vorzugeben. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Laserbearbeitungskopf 12 im definierten Abstand zu den zu verschweißenden Randabschnitten 17, 18 der Schalen 7, 8 beim Verfahren des Abtriebsflanschs 1 verläuft und somit ein ordnungsgemäßes Schweißen durchgeführt wird.

Die Andruckrollen 4 und 6 berühren während des Verfahrens des den Abtriebsflansch 1 aufweisenden Arms des Roboters die Schale 8 bzw. den Rand 18 in Bezug auf den Laserstrahl in radialer bzw. axialer Richtung, so dass hierdurch eine eindeutige Ausrichtung des Laserbearbeitungskopfes 2 erfolgt. Es erfolgt eine Verstellung des Laserbearbeitungskopfes 2 zu der Schale 8 ohne Verwendung externer Sensoren, vielmehr ausschließlich durch die in dem Handhabungsgerät integrierten Sensorik. Dabei ist eine taktile Positionsselektion gegeben.

Zum Verfahren des Laserbearbeitungskopfes 2 wird die Außenkontur der Schale 8 in den Bereichen zum Berühren der Andruckrollen 4, 6 benutzt, die sich entlang der auszubildenden Schweißnaht erstreckt.

Wie die Fig. 1 und 2 verdeutlichen, sind die Andruckrollen 4 und 6 ortsfest zu dem Laserbearbeitungskopf 2 positioniert. So ist die Andruckrolle 4 über eine Halterung 19 mit dem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes 2 verbunden. Entsprechend ist die Andruckrolle 6 ortsfest mit dem Laserbearbeitungskopf 2 verbunden.

Um einen Laserstrahl 30 eines nicht dargestellten Laserbearbeitungskopfes gemäß der Fig. 3 - 5 innerhalb einer Nut 9 zu führen, um Platten 20, 21 wie Wärmetauscherplatten zu verschweißen, geht von dem Laserbearbeitungskopf ein den Laserstrahl 30 insbesondere koaxial umgebender Aufsatz 10 aus, der sich an den Begrenzungswandungen bzw. Randbereichen der Nut 9 abstützt, wie sich aus den Fig. 4 und 5 ergibt. In Abhängigkeit von dem durch das Berühren des Aufsatzes 10 auftretenden Momenten bzw. auftretenden Kräften wird der Laserbearbeitungskopf zu der Nut 9 verstellt, so dass eine eindeutige Ausrichtung des Laserstrahls 30 zu der Nut 9 und damit zu dem Bereich erfolgt, in dem die Platten 20, 21 verschweißt werden sollen. Die Relativbewegung des Aufsatzes 10 und somit des Laserbearbeitungskopfes zu den zu verschweißenden Werkstücken 20, 21 wird erfindungsgemäß durch die in dem Handhabungsgerät integrierte Sensorik vorgegeben. Beim Verfahren des Laserbearbeitungskopfes erfolgt aufgrund der Berührung des Aufsatzes 10 mit der Nutbegrenzung und der hierdurch auftretenden Kräfte und Momente und deren Erfassung durch die Sensorik eine eindeutige Ausrichtung des Laserbearbeitungskopfes und somit des Laserstrahls 30, ohne dass es einer zusätzlichen Sensorik bedarf. Wird bei den Ausfuhrungsbeispielen der Fig. 1 - 5 der Laserbearbeitungskopf zu dem zu bearbeitenden Werkstück verstellt, so besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, dass das Werkstück zu dem Laserbearbeitungskopf verstellt wird, also letzterer stationär angeordnet ist. Dies soll anhand der Fig. 6 und 7 verdeutlicht werden. Im gezeigten Ausfiihrungsbei spiel soll ein Rand einer Schaufel 13 mittels eines Laserstrahls 3 bearbeitet werden. Es soll z.B. eine Auftragsschweißung durchgeführt werden. Die durch Berühren der ortsfest dem Laserbearbeitungskopf 3 zugeordneten Elemente in Form von Andruckrollen, von denen in der Zeichnung eine in Bezug auf den Laserstrahl 3 radial wirkende Andruckrolle 14 dargestellt ist, auftretenden Momente oder Kräfte werden von der in dem die Schaufel 13 entlang des Laserstrahls 30 bewegenden Handhabungsgeräts integrierten Sensorik erfasst, um so die Schaufel 13 relativ zu dem Laserstrahl 3 so zu verstellen, dass die Bearbeitung z. B. eines Randes der Schaufel 13 erfolgt. Eine zur Bewegung des Laserstrahls 3 benötigte weitere Andruckrolle, die axial wirkt, ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, dass mehr als zwei Elemente zum Ausrichten der Bearbeitungseinrichtung benutzt werden, um die durch Berühren des Werkstücks auftretenden Kräfte und Momente zu erfassen und in Abhängigkeit von den ermittelten Werten den Laserbearbeitungskopf 12 zu verstellen. Dabei werden die Elemente entlang Bereichen des zu bearbeitenden Werkstücks geführt, die parallel zu denen verlaufen, in denen die Bearbeitung erfolgen soll. Die von den Elementen berührten Bereiche, die als Kontur bezeichnet werden, verlaufen somit parallel zu dem Bearbeitungsbereich. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 und 7 berührt die Andruckrolle 14 eine Seitenfläche der Schaufel 13, die von dem zu bearbeitenden Rand stirnseitig begrenzt ist. Das weitere Andruckelement würde sich sodann auf dem Rand selbst abstützen.