[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung
zwischen zumindest einer Leitung und zumindest einem Anschlussstück eines Werkstücks.
Das Anschlussstück ist an einer Werkstückoberfläche angeordnet und ein Ende der zumindest
einen Leitung ist mit einem an das Anschlussstück angepassten Kontaktstück vorkonfektioniert.
Das Verfahren umfasst die Schritte: Positionieren des Kontaktstücks am Anschlussstück
und Verschweißen des Kontaktstücks mit dem Anschlussstück mittels Laserstrahlung.
Die Erfindung betrifft außerdem ein System aus einem Werkstückträger und einem Schweißträger
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0002] Ein solches Verfahren wird eingesetzt, um Leitungen an Schaltern, wie etwa einem
Miniaturschnappschalter, anzuschließen. Das Verfahren soll automatisierungsfähig,
überwachungsfähig, kostengünstig und prozesssicher sein. Die Verbindung der Leiter
mit dem Schalter muss qualitativ hochwertig sein, um einen sicheren elektrischen Kontakt
zwischen Leitung und Schalter zu gewährleisten. Herkömmliche Verfahren zur Herstellung
elektrischer Verbindungen zwischen Leitungen und Anschlussstücken von Werkstücken
basieren auf Löten oder Widerstandsschweißen.
[0003] Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung
zwischen einer elektrischen Leitung und einem Anschlussstück eines Werkstücks mittels
Laserstrahlung bekannt, bei denen der Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet wird.
Das Laserverschweißen erfolgt berührungslos und ohne die Hilfe von Zusatzstoffen.
Die Laserstrahlung wird dabei mittels einer Optik nahe der Werkstückoberfläche fokussiert.
Die Lage des Fokus relativ zur Werkstückoberfläche (oberhalb oder unterhalb) ist ein
wichtiger Schweißparameter und legt auch die Einschweißtiefe fest. Die absorbierte
Laserstrahlung erwärmt die Stoßflächen der zu verschweißenden Teile (Anschlussstück
und Kontaktstück) und es erfolgt ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über
die Schmelztemperatur von Metall hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet. Bei einer
Relativbewegung zwischen fokussiertem Laserstrahl und Werkstück schmilzt dieses durch
dessen Energie auf. Ein Problem des Laserverschweißen ist die begrenzte Möglichkeit
die umliegende Werkstückoberfläche, beispielsweise benachbarte Anschlussstücke auf
der Werkstückoberfläche, oder das Werkstück als elektronisches Bauteil selbst, vor
einer Beschädigung durch den direkten Laserstrahl oder diffuser Streustrahlung (beispielsweise
zu hohe Erwärmung) zu schützen.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie System
zur Herstellung einer elektrischen Verbindung und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens vorzustellen. Ausgehend vom genannten Stand der Technik wird die Aufgabe
gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 14 und 15. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0005] Erfindungsgemäß schneidet eine entlang der Laserstrahlung verlaufende Gerade eine
durch die Werkstückoberfläche vorgegebene Ebene außerhalb des Werkstücks. In anderen
Worten gibt es keinen Schnittpunkt zwischen der Laserstrahlung und der Werkstückoberfläche.
Diese Schweißgeometrie kann erreicht werden indem die Werkstückoberfläche in Richtung
einer Horizontalen und damit in eine von der Laserquelle abgewandte Richtung geneigt
wird.
[0006] Durch die Verwendung eines Lasers ist ein kontaktfreies Verschweißen zwischen dem
Kontaktstück der zumindest einen Leitung und dem zumindest einen Anschlussstück des
Werkstücks möglich, die ohne Zuhilfenahme von Zusatzstoffen auskommt. Die Wärmebelastung
des Werkstücks, das beispielsweise in Form eines elektronischen Bauteils ausgebildet
ist, wird durch eine kurze Bestrahlung von Kontaktstück und Anschlussstück und ohne
direkte Einwirkung der Laserstrahlung auf die Werkstoffoberfläche gering gehalten.
[0007] Die von einer Laserquelle erzeugte Laserstrahlung kann mit Spiegelsystemen oder Lichtleitfasern
zum Werkstück geleitet und dann auf das Werkstück fokussiert werden. In einer Schweißzelle
ist das Werkstück in der Regel auf dem Boden oder auf einem Schweißträger angeordnet,
wobei die Laserstrahlung von oben auf die Werkstückoberfläche einstrahlt (Grundsystem).
Bei senkrechter Einstrahlung auf die Werkstückoberfläche ist eine Flächennormale der
Werkstückoberfläche beim Verschweißen parallel zur Laserstrahlung ausgerichtet. In
dieser Geometrie schneidet die Laserstrahlung eine durch die Werkstückoberfläche vorgegebene
Ebene im Werkstück, nämlich auf der Werkstückoberfläche an der Position des Anschlussstücks.
Das Werkstück absorbiert in diesem Fall einen Großteil der Laserstrahlung und erhitzt.
In dieser Geometrie ist es ebenfalls schwierig die Werkstückoberfläche vor diffuser
Laserstreustrahlung zu schützen.
[0008] Schneidet die Laserstrahlung eine durch die Werkstückoberfläche vorgegebene Ebene
außerhalb des Werkstücks, zeigt eine Flächennormale der Werkstückoberfläche in eine
von der Laserquelle abgewandte Richtung, das heißt keine direkte Laserstrahlung trifft
auf die Werkstückoberfläche. Die Werkstückoberfläche ist somit in eine von der Laserquelle
abgewandte Richtung gekippt. Durch diese schräge Ausrichtung der Werkstückoberfläche
bezüglich der Laserstrahlung, wird das Werkstück beim Verschweißen bestmöglich vor
einer Beschädigung durch den Laserstrahl geschützt. Darüber hinaus wird durch diese
Maßnahme die entstehende Streustrahlung minimiert. Die Minimierung der Streustrahlung
ist insbesondere wünschenswert, um auch umliegende Werkstücke beim Verschweißen zu
schützen.
[0009] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Schnittwinkel zwischen
der Laserstrahlung und der durch die Werkstückoberfläche vorgegebenen Ebene zwischen
1° und 20°, weiter vorzugsweise zwischen 5° und 15°, weiter vorzugsweise 10°. Diese
Anordnung stellt einen Kompromiss zwischen einerseits der Erreichbarkeit des Schweißpunktes
zwischen Kontaktstück und Anschlussstück bei gleichzeitig möglichst abgewandter Ausrichtung
der Werkstückoberfläche dar.
[0010] Bei dem Werkstück kann es sich um einen Miniatur-(Schnapp)Schalter handeln. Miniatur-Schalter
(oder Mikroschalter) sind kleine Schaltelemente, die in zahlreichen elektrischen Geräten
und Anbauteilen Platz finden. Sie werden verwendet, um durch eine mechanische Belastung
Strom zwischen zwei Flusszweigen zu schalten oder elektrische Verbraucher hinter dem
Schalter an- oder auszuschalten. Solche Schalter stellen eine kostengünstige Lösung
zur Schaltung elektrischer Bauteile dar.
[0011] Ein Schweißpunkt zwischen dem Anschlussstück und dem Kontaktstück kann anhand eines
Bildverarbeitungssystems bestimmt werden. Das Bildverarbeitende System ermöglicht
eine vollautomatische Kontrolle der Position von Kontaktstück und Anschlussstück.
Über ein Bildverarbeitendes System in der Schweißzelle kann das Kontaktstück und das
Anschlussstück gesucht und mit Vorgabebildern verglichen werden. Ist das Kontaktstück
in richtiger Weise am Anschlussstück positioniert, kann der Schweißvorgang automatisch
gestartet werden. Ist das Kontaktstück nicht richtig positioniert, wird der Schweißvorgang
abgebrochen. Die Kontrolle kann für jede Schweißverbindung gesondert erfolgen. Über
das Bildverarbeitende System wird zudem der Schweißpunkt ermittelt an dem der Laser
den Schweißvorgang startet. Dieser kann von der genauen Kontaktgeometrie abhängen.
[0012] Eine Schweißbewegung kann durch den Laser gesteuert werden, wobei vorzugsweise die
Schweißbewegung eine gerade Bewegung oder eine Kreisbewegung ist. Die Steuerung der
Laserbewegung kann alternativ durch eine Steuerung der Werkstückbewegung ersetzt werden.
Bei einer Relativbewegung zwischen fokussiertem Laserstrahl und Werkstück schmilzt
dieses durch dessen Energie auf. Die Bewegungsart ist je nach Schalter bzw. Kontaktgeometrie
verschieden und kann durch das Bildverarbeitende System automatisch angepasst werden.
[0013] Bevorzugt ist das Kontaktstück als Kontakthülse ausgebildet und/oder das Anschlussstück
als Kontaktstift ausgebildet. Insbesondere kann der Querschnitt der Hülsenöffnung
an die Gestalt des Anschlussstücks angepasst sein. Dazu ist die Kontakthülse vorzugsweise
groß genug, um das Anschlussstück aufnehmen zu können und so klein, dass ein ungewolltes
Abrutschen der Kontakthülse vermieden wird. Durch die Wahl der axialen Länge der Kontakthülse
kann ein Abstand der Leitung vom Werkstück sowie der Schweißpunkt vorgegeben werden.
Das Positionieren des Kontaktstücks am Anschlussstück kann durch Aufstecken der Kontakthülse
auf den Kontaktstift erfolgen.
[0014] In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Werkstück vor dem Verschweißen in einen
Werkstückträger eingesetzt, wobei in einem eingesetzten Zustand das Anschlussstück
gegenüber einer Oberfläche des Werkstückträgers hervorsteht. Die Werkstückoberfläche
kann im Wesentlichen in einer Ebene mit der Oberfläche des Werkstückträgers liegen.
Ein Werkstückträger ist ein Träger auf dem ein oder mehrere Werkstücke befestigt sind,
um sie von einem Werkstückförderer entlang einer Fertigungslinie durch mehrere Fertigungsstationen
zu transportieren. Der Werkstückträger kann so ausgebildet sein, dass er einen Großteil
des Werkstücks in sich aufnimmt und so vor Streustrahlung schützt, während die Ausrichtung
zwischen Laserstrahlung und Werkstückoberfläche unbeeinflusst bleibt.
[0015] Der Werkstückträger kann zumindest eine Führungsnut zur Führung der zumindest einen
Leitung aufweisen. Die Leitung ist somit während des Verfahrens fixiert und vor der
Laserstrahlung geschützt. Die fixierte Leitung sorgt außerdem dafür, dass ein ungewolltes
Abrutschen des Kontaktstücks vom Anschlussstück vor dem Verschweißen reduziert wird.
Vorzugsweise erstreckt sich die zumindest eine Führungsnut in einer Richtung im Wesentlichen
quer zu der Laserstrahlung. Die Führungsnut kann so tief sein, dass sie die Leitung
vollständig aufnimmt. In dieser Anordnung ist die Leitung vor der Laserstrahlung bestmöglich
geschützt.
[0016] In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Ausrichtung der Werkstückoberfläche
(relativ zum Laserstrahl) beim Verschweißen durch die Anordnung des bestückten Werkstückträgers
auf einem Schweißträger mit schräg ausgebildeter Schweißträgeroberfläche. In dieser
Ausführungsform erfolgt die Orientierung der vorkonfigurierten Werkstückträger durch
die schräg ausgebildeten Oberflächen des Schweißträgers in der Schweißzelle. Bei dem
Schweißträger kann es sich um einen Teil des Transportsystems handeln, der mit den
Werkstückträgern bestückt mittels eines Transfersystems in die Schweißzelle gefahren
wird. Der Schweißträger mit schräg ausgebildeter Schweißträgeroberfläche bietet eine
besonders einfache und zuverlässige Möglichkeit die Ausrichtung der Werkstücke in
der Schweißzelle vorzugeben. Der Schweißträger kann weitere Mittel aufweisen, die
eine Fixierung des Werkstückträgers ermöglichen.
[0017] Vorzugsweise ist ein Schweißträger mit zumindest zwei bestückten Werkstückträgern
bestückt, wobei die Anordnung der Werkstückträger zueinander gespiegelt ist. Diese
Anordnung ermöglicht eine hohe Packungsdichte der Werkstücke. Zudem kann der Schweißträger
in der Mitte eine Vertiefung aufweisen, die für eine zusätzliche Kühlung in diesem
Bereich sorgt und/oder die reflektierte Laserstrahlung in eine vorgegebene Richtung
ablenkt.
[0018] Das Werkstück kann auf der Werkstückoberfläche ein zweites Anschlussstück aufweisen,
wobei ein Ende einer zweiten Leitung mit einem an das zweite Anschlussstück angepassten
zweiten Kontaktstück vorkonfektioniert ist, das zweite Kontaktstück an dem zweiten
Anschlussstück positioniert wird, und wobei die Ausrichtung zwischen der Laserstrahlung
und der Werkstückoberfläche bei beiden Verschweißungen gleich ist. Diese Ausführungsform
ermöglicht eine möglichst schnelle und effiziente Verfahrensdurchführung.
[0019] Vorzugsweise sind das erste und das zweite Kontaktstück in einer Richtung im Wesentlichen
quer zur Richtung der Laserstrahlung versetzt voneinander angeordnet. Dies ermöglicht
es, die Fokusebene des Lasers zwischen den Schweißvorgängen beizubehalten. Vorzugsweise
weist der Werkstückträger eine zweite Führungsnut zur Führung der zweiten Leitung
an dem Werkstückträger auf, wobei die zweite Führungsnut eine L-Form aufweist. Die
Leitungen können so parallel zueinander und hauptsächlich quer zur Richtung der Laserstrahlung
geführt werden.
[0020] Die Erfindung betrifft außerdem ein System aus einem Werkstückträger und einem Schweißträger
zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen zumindest einer Leitung und
zumindest einem Anschlussstück eines Werkstücks mittels Laserstrahlung. Dazu ist der
Werkstückträger zur Aufnahme des Werkstücks ausgebildet und der Schweißträger zur
Aufnahme des Werkstückträgers ausgebildet, wobei in einem eingesetzten Zustand eine
entlang der Laserstrahlung verlaufende Gerade eine durch die Werkstückoberfläche vorgegebenen
Ebene außerhalb des Werkstücks schneidet. In einem eingesetzten Zustand ist das Werkstück
in den Werkstückträger eingesetzt und der Werkstückträger auf dem Schweißträger angeordnet.
[0021] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Bestückungsstation zum Positionieren
der zumindest einen mit einem angepassten Kontaktstück vorkonfektionierten Leitung
an dem zumindest einen Anschlussstück des Werkstücks und einer Laserschweißstation
zum Verschweißen des Kontaktstücks mit den Anschlussstück mittels Laserstrahlung.
[0022] Das erfindungsgemäße System und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens können mit weiteren im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren beschriebenen Merkmalen fortgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann mit den im Rahmen des erfindungsgemäßen Systems und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschriebenen Merkmalen weiter fortgebildet werden.
[0023] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand
vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1:
- eine dreidimensionale Ansicht eines Werkstücks mit zwei Anschlussstücken und zwei
vorkonfektionierten Leitungen, die mit ihren Kontaktstücken an den Anschlussstücken
positioniert sind vor dem Verschweißen;
- Fig. 2:
- eine dreidimensionale Ansicht des Werkstücks aus Fig. 1 kurz vor dem Einsetzen in
einen Werkstückträger;
- Fig. 3:
- dreidimensionale Ansicht eines bestückten Werkstückträgers;
- Fig. 4:
- schematische Ansicht eines Systems mit einem Schweißträgers und vier bestückten Werkstückträgern
in einer Schweißzelle in einer dreidimensionalen Ansicht (a) und in seitlicher Draufsicht
(b) ;
- Fig. 5:
- vergrößerte Ansicht des Schweißträgers aus Fig. 4;
- Fig. 6:
- Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0024] Zunächst wird gemäß der Figuren 1 bis 3 eine Ausführungsform eines mit dem erfindungsgemä0en
Verfahren hergestellten Werkstücks 20 und ein Werkstückträger 30 beschrieben. In der
Figur 1 ist ein Werkstück 20 in Form eines Schalters mit zwei Kontakten gezeigt. Das
Werkstück 20 weist zwei Anschlussstücke 25a, 25b auf, welche an einer Werkstückoberfläche
21 angeordnet sind. Die zwei Anschlussstücke 25a, 25b des Werkstücks 20 sind fluchtend
auf einer Linie angeordnet. Die Anzahl und Anordnung der Anschlussstücke 25a, 25b
auf der Werkstückoberfläche 21 ist rein exemplarisch und hängt u.a. vom vorgesehenen
Schaltertyp ab. Die Anschlussstücke 25a, 25b sind als Kontaktstifte mit kreisförmigem
Querschnitt ausgebildet. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Einpressen von
Kontaktstiften in geeignete Aufnahmen (zum Beispiel eine eingeprägte Sicke im Werkstück)
eines Werkstücks 20 bekannt.
[0025] An den Anschlussstücken 25a, 25b des in der Figur 1 gezeigten Werkstücks 20 sind
bereits Kontaktstücke 15a, 15b positioniert. Die Leitungen 13a, 13b sind an jeweils
einem Enden mit den Kontaktstücken 15a, 15b konfektioniert. Dies geschieht beispielsweise
durch Verpressen/Verquetschen des Kontaktstücks 15a, 15b mit dem vorab abisolierten
Ende der Leitung 13a, 13b. Es sind unterschiedliche Geometrien für die Kontaktstücke
15a, 15b bekannt, die jeweils von der Anordnung des Anschlussstücks 25a, 25b auf dem
Werkstück 20 und der Leitungsführung abhängen. Die Kontaktstücke 15a, 15b sind in
diesem Ausführungsbeispiel jeweils als Kontakthülse ausgebildet, so dass eine Positionierung
an den Anschlussstücken 25a, 25b derart geschieht, dass sie auf die Anschlussstücke
25a, 25b aufgesetzt werden und anschließend ggf. gekrimpt werden. Die Kontaktstücke
15a, 15b sind dabei an die Form bzw. den Querschnitt der als Kontaktstifte ausgebildeten
Anschlussstücke 25a, 25b angepasst. Oft ist es wünschenswert, die Leitungen 13a, 13b
in Richtung der Fluchtlinie der Anschlussstücke wegzuführen.
[0026] Nach dem Positionieren des zumindest einen Kontaktstücks 15a, 15b an dem zumindest
einen Anschlussstück 25a, 25b am Werkstück 20 werden des Kontaktstück 15a, 15b und
das Anschlussstück 25a, 25b zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen
der Leitung 13a, 13b und dem Anschlussstück 25a, 25b des Werkstücks 20 miteinander
verschweißt mittels Laserschwei-ßen. Dazu bestehen Kontaktstück 15a, 15b und Anschlussstück
25a, 25b vorzugsweise aus dem gleichen Material, vorzugsweise aus Kupfer oder Messing.
Als Schweißmaterial dient dabei im Wesentlichen überschüssiges Material des Anschlussstücks
25a, 25b oder Kontaktstücks 15a, 15b. Das Laserschweißen wird für die Herstellung
einer elektrischen Verbindung bevorzugt, da nur sehr kurze Laserpulse nötig sind und
die Wärmebeanspruchung des Werkstücks 20 damit relativ gering ist.
[0027] Erfindungsgemäß schneidet die Laserstrahlung beim Laserschweißen eine durch die Werkstückoberfläche
21 vorgegebene Ebene außerhalb des Werkstücks 20. In anderen Worten trifft keine direkte
Laserstrahlung unmittelbar auf das Werkstück 20 bzw. die Werkstückoberfläche 21. Dies
hat den Vorteil, dass der Schalter bzw. das Werkstück 20 beim Schweißen vor dem Laserstrahl
geschützt ist und nicht beschädigt wird. Außerdem wird durch diese Maßnahme die entstehende
Streustrahlung des Lasers minimiert. Um dies zu erreichen, wird das Werkstück 20 zum
einen seitlich zur Laserstrahlung ausgerichtet, dass der Laserstrahl das Werkstück
20 bis auf den Schweißpunkt zwischen Anschlussstück 25a, 25b und Kontaktstück 15a,
15b passiert. Zum anderen wird die Werkstückoberfläche 21 leicht gegenüber der Laserstrahlung
gekippt, so dass ein Schnittpunkt zwischen einer entlang der Laserstrahlung verlaufenden
Geraden und der durch die Werkstückoberfläche vorgegebenen Fläche existiert. Ein bevorzugter
Schnittwinkel beträgt vorzugsweise etwa 10°. Eine Flächennormale der Werkstückoberfläche
21 ist dann in eine von der Laserquelle abgewandte Richtung ausgerichtet. In einer
Schweißzelle 50 wird die Laserstrahlung beispielsweise von oben auf das Werkstück
20 gerichtet, die Flächennormale der Werkstückoberfläche 21 zeigt dann in Richtung
eines Bodens der Schweißzelle 50.
[0028] Nach dem Verschweißen bilden das Anschlussstück 25a, 25b und das Kontaktstück 15a,
15b eine qualitativ hochwertige Verbindung, die einen sicheren elektrischen Kontakt
zwischen der Leitung 13a, 13b und dem Werkstück 20 gewährleistet.
[0029] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Werkstück 20 in einen
Werkstückträger 30 eingesetzt sein. Der Werkstückträger 30 weist eine Ausnehmung 31
zur Aufnahme des Werkstücks 20 auf. Figur 2 zeigt das Werkstück 20 und den Werkstückträger
30 kurz vor dem Einsetzen. Der Werkstückträger 30 weist Führungsnuten 31a, 31b, 31c
auf, die zur Aufnahme der Leitungen 13a und 13b ausgebildet sind. Die Anzahl der Führungsnuten
13a, 13b, 13c hängt wiederum von der Anzahl der verwendeten Leitungen 13a, 13b ab.
Die Führungsnuten 31a, 31b, 31c verlaufen im Wesentlichen entlang der Fluchtlinie
der Anschlussstücke 25a, 25b. Die Führungsnut 31b weist eine L-Form auf. Beim Einstecken
des Werkstücks 20 in den Werkstückträger 30 werden die Leitungen 13a, 13b in die Führungsnuten
31a, 31b gedrückt und somit fixiert.
[0030] In der Figur 3 ist das Werkstück 20 in einem in den Werkstückträger 3 eingesetzten
Zustand von oben gezeigt. In diesem eingesetzten Zustand steht das Anschlussstück
25a, 25b gegenüber einer Oberfläche des Werkstückträgers 30 hervor (nicht zu erkennen
in Fig. 3). Die Werkstückoberfläche 21 verläuft im Wesentlichen in einer Ebene mit
einer Oberfläche des Werkstückträgers 30. Nach außen hin ist die Oberfläche des Werkstückträgers
30 leicht geneigt. Die Leitungen 13a und 13b sind in den Führungsnuten 31a, 31b des
Werkstückträgers 30 fixiert. Die Positionierung des Werkstücks 20 in der Schweißzelle
50 erfolgt über einen Schweißträger 40 mit schräg ausgebildeter Schweißträgeroberfläche
42. Dies ist für einen Schweißträger mit vier Werkstückträgern 30 in den Figuren 4a
und 4b dargestellt, wobei jeweils zwei Werkstückträger 30 nebeneinander angeordnet
sind und zwei weitere Werkstückträger 30 dazu gespiegelt angeordnet sind. Figuren
4a und 4b zeigen das erfindungsgemäße System aus einem Werkstückträger 30 und einem
Schweißträger 40 in einem eingesetzten Zustand zur Herstellung einer elektrischen
Verbindung. Der Werkstückträger 30 ist zur Aufnahme des Werkstücks 20 ausgebildet
und der Schweißträger 40 zur Aufnahme des Werkstückträgers 30 ausgebildet. Die nicht
dargestellte Laserstrahlung erfolgt in der Regel von oben. Damit die Laserstrahlung
oder eine Verlängerung der Laserstrahlung eine durch die Werkstückoberfläche 21 vorgegebene
Ebene außerhalb des Werkstücks 20 schneidet, muss die Werkstückoberfläche 21 gegenüber
der vertikal eingestrahlten Laserstrahlung gekippt sein. Wie in Figur 4 gezeigt, erfolgt
dies über die schräg ausgebildeten Schweißträgeroberflächen 42 auf denen die Werkstückträger
30 aufliegen. Der Winkel der schräg ausgebildeten Schweißträgeroberfläche 42 zur Horizontalen
beträgt vorzugsweise etwa 10°. Daraus folgt, dass die Werkstückoberfläche 21 in dieser
Position einen Winkel von etwa 80° zur Horizontalen einschließt. Zudem ist in der
Mitte des Schweißträgers 40 eine Vertiefung 41 angeordnet, die für eine Kühlung nach
dem Schweißprozess sorgt. In der Mitte des Schweißträgers 40 sind zudem mehrere Kunststoffblöcke
44 angeordnet, die für die Werkstückträger 30 eine Anlagefläche bilden und die Werkstückträger
30 in der gekippten Position fixieren.
[0031] In Figur 5 ist ein vierfach bestückter Schweißträger 40 in Vergrößerung gezeigt.
Die Werkstückträger 30 liegen auf den schräg ausgebildeten Schweißträgeroberfläche
40 auf und sind daher um etwa 10° zur Horizontalen gekippt. Die Werkstückträger 30
liegen ebenfalls an den mittig angeordneten Kunststoffblöcken 44 des Schweißträgers
40 an. Dies ist möglich, da die Leitungen 13a, 13b in den vorgesehenen Führungsnuten
31a, 31b des Werkstückträgers 30 geführt werden. Das Werkstück 20 ist somit in einer
Position angeordnet, in der die Laserstrahlung das Kontaktstück 15a, 15b und das Anschlussstück
25a, 25b verschweißen kann ohne direkt auf die Werkstückoberfläche 21 einzustrahlen.
Ein Schnittwinkel zwischen einer entlang der Laserstrahlung verlaufenden Geraden und
einer durch die Werkstückoberfläche aufgespannten Ebene liegt zwischen 5° und 15°,
vorzugsweise bei etwa 10°. Wie in der Figur 5 zu erkennen sind die zu verschweißenden
Anschlussstücke 25 in dieser Konfiguration von oben gut zu erreichen.
[0032] In Figur 6 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
gezeigt. Die Vorrichtung besitzt ein Transportsystem 52 mit dem die Werkstücke 20
zu den einzelnen Stationen 54, 52 transportiert werden. Die Stationen umfassen mehrere
Be- und Entladestationen 54 (als Handarbeitsplätze zum Bestücken dargestellt). In
den Be- und Entladestationen 54 werden die mit Kontaktstücken 15a, 15b vorkonfektionierten
Kabel bzw. Leitungen 13a, 13b an den Anschlussstücken 25a, 25b der Werkstücke 20 zunächst
positioniert. Dabei können hülsenförmige Kontaktstücke 15a, 15b auf die Anschluss-Pins
des Werkstücks 20 aufgesteckt werden, sodass das Werkstück die Konfiguration von Figur
3 erreicht. Die Bestückung funktioniert vollautomatisch, kann jedoch bei Bedarf als
Handarbeitsplatz ausgestattet sein. Außerdem ist eine Steuereinheit 56 zur vollautomatischen
Steuerung vorhanden, die auch die Steuerung der Bestückung übernimmt, falls die Bestückung
nicht von Hand durchgeführt werden soll.
[0033] In einer nicht dargestellten Vorbereitungsstation werden die Enden der Kabel mit
Kontaktstücken 15a, 15b vollautomatisch konfektioniert. In den Be- und Entladestationen
54 werden die Leitungen 13a, 13b mit dem Kontaktstück 15a, 15b auf dem Anschlussstück
25a, 25b des Werkstücks 20 angeordnet. Danach wird das Werkstück 20 in den Werkstückträger
30 eingesetzt und vom Transportsystem 52 zur Bestückungskontrolle transportiert. Nach
der Bestückungskontrolle wird der bestückte Werkstückträger zur Laserschweißstation
50 transportiert, wo die Kontaktstücke 15a, 15b und Anschlussstücke 25a, 25b mittels
eines Laserstrahls miteinander verschmolzen werden, so dass die Laserstrahlung eine
durch die Werkstückoberfläche 21 vorgegebene Ebene außerhalb des Werkstücks schneidet.
[0034] Dazu werden die bestückten Werkstückträger 30 auf einem Schweißträger 40 mit schräg
ausgebildeten Schweißträgeroberflächen 42 angeordnet. Vorzugsweise werden vier bestückte
Werkstückträger 30 auf einem Schweißträger 40 angeordnet, wobei die schräge Schweißträgeroberfläche
42 vorzugsweise einen Winkel von etwa 10° zur Horizontalen einschließt. Die bestückten
Werkstückträger 30 werden über zusätzliche Kunststoffblöcke 44 automatisch in Position
gehalten. Durch die schräge Ausrichtung auf dem Grundsystem ist gewährleistet, dass
die Werkstücke beim automatisch durchgeführten Schweißen geschützt sind und durch
den Schweißstrahl nicht beschädigt werden.
[0035] Die Schweißträger 40 werden mittels eines Transfersystems in die Schweißzelle 50
gefahren. Das entsprechende Laserprogram kann beispielsweise durch Auslesen eines
Date-Matrix-Codes auf dem Werkstückträger ausgewählt werden. In der Schweißzelle 50
wird über ein Bildverarbeitendes System das Kontaktstück 15a, 15b und das Anschlussstück
25a, 25b gesucht und mit Vorgabebildern verglichen. Diese Kontrolle erfolgt für jeden
bestückten Werkstückträgern 30 separat. Falls ein Werkstück 20 einen Fehler aufweist,
wird dieses gar nicht geschweißt.
[0036] Es wird anschließend vollautomatisch ein Schweißpunkt ermittelt an dem der Laser
den Schweißvorgang startet. Die Schweißbewegung ist abhängig von dem Werkstück-/Schaltertyp
und kann einmal als gerade Bewegung oder als Kreisbewegung, welche durch den Laser
gesteuert wird, ausgeführt werden. Nach dem Schweißen fahren die Werkstückträger wieder
an die Be-/Entladestation 54 und werden neu bestückt.
1. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen zumindest einer Leitung
(13a, 13b) und zumindest einem Anschlussstück (25a, 25b) eines Werkstücks (20), wobei
das Anschlussstück (25a, 25b) an einer Werkstückoberfläche (21) angeordnet ist und
wobei ein Ende der zumindest einen Leitung (13a, 13b) mit einem an das Anschlussstück
(25a, 25b) angepassten Kontaktstück (15a, 15b) vorkonfektioniert ist, mit den Schritten:
- Positionieren des Kontaktstücks (15a, 15b) am Anschlussstück (25a, 25b);
- Verschweißen des Kontaktstücks (15a, 15b) mit dem Anschlussstück (25a, 25b) mittels
Laserstrahlung, wobei eine entlang der Laserstrahlung verlaufende Gerade eine durch
die Werkstückoberfläche (21) vorgegebenen Ebene außerhalb des Werkstücks (20) schneidet.
2. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Schnittwinkel zwischen der entlang der Laserstrahlung
verlaufenden Geraden und der durch die Werkstückoberfläche (21) vorgegebenen Ebene
zwischen 1° und 20°, vorzugsweise zwischen 5° und 15°, weiter vorzugsweise 10°, beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Werkstück (20) ein Schalter, insbesondere
ein Miniatur-Schalter, ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest ein Schweißpunkt zwischen
dem Anschlussstück und dem Kontaktstück anhand eines Bildverarbeitungssystems bestimmt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Schweißbewegung durch den Laser gesteuert wird,
vorzugsweise ist die Schweißbewegung eine gerade Bewegung oder eine Kreisbewegung.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kontaktstück (15a, 15b)
als Kontakthülse ausgebildet ist und/oder das Anschlussstück (25a, 25b) als Kontaktstift
ausgebildet ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Positionieren des Kontaktstücks
(15a, 15b) am Anschlussstück (25a, 25b) durch Aufstecken erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (20) vor dem
Verschweißen in einen Werkstückträger (30) eingesetzt wird, wobei in einem eingesetzten
Zustand das Anschlussstück (25a, 25b) gegenüber einer Oberfläche des Werkstückträgers
(30) hervorsteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Werkstückträger (30) zumindest eine Führungsnut
(31a, 31b) zur Führung der zumindest einen Leitung (13a, 13b) aufweist, wobei vorzugsweise
die zumindest eine Führungsnut (31a, 31b) in einer Richtung im Wesentlichen quer zu
der Laserstrahlung verläuft.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Ausrichtung der Werkstückoberfläche
(21) beim Verschweißen durch die Anordnung des bestückten Werkstückträgers (30) auf
einem Schweißträger (40) mit schräg ausgebildeter Schweißträgeroberfläche (42a, 42b)
erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei zumindest zwei bestückte Werkstückträger
(30) auf dem Schweißträger (40) angeordnet sind, wobei die Anordnung der bestückten
Werkstückträger (30) zueinander gespiegelt ist, vorzugsweise weist der Schweißträger
(40) in der Mitte eine Vertiefung (41) auf.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (20) auf der
Werkstückoberfläche (21) ein zweites Anschlussstück (25b) aufweist, wobei ein Ende
einer zweiten Leitung (13b) mit einem an das zweite Anschlussstück (25b) angepassten
zweiten Kontaktstück (15b) vorkonfektioniert ist, das zweite Kontaktstück (15b) an
dem zweiten Anschlussstück (25b) positioniert wird, und wobei die Ausrichtung der
Laserstrahlung zur Werkstückoberfläche bei ersten Verschweißen und zweiten Verschweißen
gleich ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das erste und zweite Kontaktstück (15a, 15b) in
einer Richtung im Wesentlichen quer zur Laserstrahlung nebeneinander angeordnet sind
und wobei eine zweite Führungsnut (31b) zur Führung der zweiten Leitung (13b) an dem
Werkstückträger (30) vorgesehen ist, wobei die zweite Führungsnut (31b) eine L-Form
aufweist.
14. System aus einem Werkstückträger (30) und einem Schweißträger (40) zur Herstellung
einer elektrischen Verbindung zwischen zumindest einer Leitung (13a, 13b) und zumindest
einem Anschlussstück (25a, 25b) eines Werkstücks (20) mittels Laserstrahlung, wobei
der Werkstückträger (30) zur Aufnahme des Werkstücks (20) ausgebildet ist und der
Schweißträger (40) zur Aufnahme des Werkstückträgers (30) ausgebildet ist, wobei in
einem eingesetzten Zustand eine entlang der Laserstrahlung verlaufende Gerade eine
durch die Werkstückoberfläche (21) vorgegebenen Ebene außerhalb des Werkstücks (20)
schneidet.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit
einer Bestückungsstation zum Positionieren der zumindest einen mit einem angepassten
Kontaktstück vorkonfektionierten Leitung an dem zumindest einen Anschlussstück des
Werkstücks und einer Laserschweißstation zum Verschweißen der konfektionierten Leitung
mit dem Anschlussstück.