DE102010049454A1

DE102010049454A1 - Device for highly dynamic movement of the point of action of a jet

Info

Publication number: DE102010049454A1
Application number: DE102010049454A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ehlerding
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2010-10-23
Filing date: 2010-10-23
Publication date: 2012-04-26
Also published as: WO2012052525A1

Abstract

Einrichtung zur hochdynamischen Bewegung des Wirkpunktes (40) eines Strahls (30), als Teil einer Bewegungsvorrichtung zur aufeinander abgestimmten Bewegung des Wirkpunktes (40) und einer Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums an besagtem Wirkpunkt (40), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens für ein strahllenkendes Element (28, 29, 35) auf dem Weg des Strahls von der Strahlquelle zum Wirkpunkt (40), eine kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit (37) vorgesehen ist, die eine zusätzliche Bewegung des Strahls im Wirkpunkt (40), transversal zur Strahlrichtung ermöglicht und besagte Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums derart gestaltet ist, dass der Strahl am Wirkpunkt (40) einen passenden Bewegungsspielraum als Wirkraum (48), zur Bewegung durch besagte kurzwegige und hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit (37), aufweist.Device for highly dynamic movement of the point of action (40) of a jet (30), as part of a movement device for coordinated movement of the point of action (40) and a device (41) for supplying an auxiliary medium at said point of action (40), characterized in that at least for a beam-directing element (28, 29, 35) on the path of the beam from the beam source to the point of action (40), a short-path, highly acceleratable drive option (37) is provided which transverses an additional movement of the beam at the point of action (40) to the beam direction and said means (41) for supplying an auxiliary medium is designed such that the beam at the point of action (40) has a suitable range of motion as active space (48), for movement through said short-range and highly acceleratable drive option (37).

Description

Technisches Gebiet und Stand der TechnikTechnical field and state of the art

Die Fortentwicklung neuer Materialbearbeitungs-, -verbindungs- oder -aufbauverfahren wie Laserschneiden und -schweißen, Hochgeschwindigkeitsfräsen, Rapid Prototyping oder von Nachbearbeitungsverfahren beispielsweise Härten, Beschichten oder Polieren haben zu einer wachsenden Anzahl von Maschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten ihrer Werkzeug- oder Werkstück tragenden Elemente geführt.The advancement of new material processing, bonding or assembly methods such as laser cutting and welding, high speed milling, rapid prototyping or post-processing such as hardening, coating or polishing have resulted in a growing number of high speed machine tool or workpiece carrying machines.

Werkzeuge aller Art werden im weiteren als Endeffektoren bezeichnet. Bewegungsvorrichtungen, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, die jeweils eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Endeffektors relativ zu einem Werkstück in einer Achse eines Referenzkoordinatensystems des Arbeitsraumes der Maschine erlauben, werden im weiteren als Achsen bezeichnet.Tools of all kinds are referred to hereinafter as end effectors. Moving devices, such as a machine tool, which each allow a translational or rotational movement of an end effector relative to a workpiece in an axis of a reference coordinate system of the working space of the machine are referred to as axes.

Als Maschinenachsen werden solche Teilbewegungsvorrichtungen bezeichnet, die eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Maschinenelementes gegenüber einem in der Hierarchie der Gesamtstruktur der Maschine höher stehenden Maschinenelement erlauben, wobei die Hierarchie beim Maschinengestell als höchste Stufe beginnt und bei den Maschinenachsen zur direkten Bewegung eines Endeffektors als niedrigste Stufe endet. Achsen und Maschinenachsen können identisch sein, aber es können auch Achsbewegungen, in Bezug zum besagten Referenzkoordinatensystem, aus den Bewegungen mehrerer Maschinenachsen zusammengesetzt sein.Machine axes are those partial movement devices which permit a translatory or rotational movement of a machine element relative to a machine element higher in the hierarchy of the overall structure of the machine, with the hierarchy starting at the machine frame as the highest level and at the machine axes for the direct movement of an end effector as the lowest level ends. Axes and machine axes may be identical, but axis movements may also be composed of the movements of several machine axes with respect to said reference coordinate system.

Damit die hohen angestrebten Geschwindigkeiten auch bei kompliziert gestalteten Werkstücken genutzt werden können, sind hohe Beschleunigungen der bewegten Elemente notwendig.High acceleration of the moving elements is necessary in order to be able to use the high desired speeds even for workpieces with complex designs.

In vielen Anwendungen ist es notwendig einen Endeffektor, entweder kontinuierlich und mit möglichst hoher konstanter Relativgeschwindigkeit, an einer mindestens teilweise kompliziert geformten Kontur entlang zu führen, oder mit einer möglichst hohen Taktrate durch eine Vielzahl diskreter Positionen, auf einem Werkstück, das relativ zum besagten Endeffektor wesentlich größere Abmessungen aufweist und gewöhnlich auch eine weitaus höhere Masse besitzt.In many applications, it is necessary to guide an end effector, either continuously and with the highest possible constant relative velocity, along an at least partially complex shaped contour or at the highest possible cycle rate through a plurality of discrete positions on a workpiece relative to said end effector has much larger dimensions and usually also has a much higher mass.

Dies setzt eine relativ langwegige und massive Führungsstruktur voraus.This requires a relatively long-range and massive leadership structure.

Je massiver die bewegten Elemente sind, umso höher sind die Kräfte die einerseits notwendig sind um die erwünschten hohen Beschleunigungen zu erzielen und die anderseits entsprechende Rückwirkungen auf tragende oder führende Strukturen verursachen.The more massive the moving elements are, the higher are the forces which are necessary on the one hand to achieve the desired high accelerations and on the other hand cause corresponding effects on supporting or guiding structures.

Besagte Rückwirkungen führen zu unerwünschten, meist elastischen, Verformungen dieser Strukturen, was wiederum häufig zu Schwingungen auf den Resonanzfrequenzen aller beteiligten Maschinenelemente führt.Said reactions lead to undesirable, usually elastic, deformations of these structures, which in turn often leads to oscillations on the resonance frequencies of all machine elements involved.

All diese Verformungen und Schwingungen führen zur Abweichung zwischen Soll- und Ist-Positionen eines Endeffektors relativ zum Werkstück.All these deformations and oscillations lead to a deviation between desired and actual positions of an end effector relative to the workpiece.

Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um dieses Problem zu mindern. Grundsätzlich unterscheidbar sind zwei Hauptzweige, die jedoch in der konkreten Anwendung durchaus gemeinsam zum Einsatz kommen können.Various approaches are known to mitigate this problem. Basically distinguishable are two main branches, which, however, can certainly be used together in the concrete application.

Ein Zweig befasst sich mit der möglichst vorwegnehmenden oder schnell reagierenden Korrektur einer vorausberechenbaren oder festgestellten Bewegungsabweichung, also Fehlerkompensation.A branch deals with the most anticipated or fast-reacting correction of a predictable or detected motion deviation, ie error compensation.

Ein anderer Zweig, mit dem sich die hier vorliegende Patentanmeldung in der Hauptsache befasst, versucht die Bewegungsabweichungen von vornherein klein zu halten, also Fehlervermeidung.Another branch, which deals with the present patent application in the main thing, tries to keep the motion deviations from the outset small, so error prevention.

Die Fehlervermeidung kennt wiederum grundsätzlich drei Unterzweige von Lösungen. 1. Stabilität, 2. Reduktion der bewegten Massen und 3. Impulsausgleich.In turn, error prevention knows three sub-branches of solutions. 1. stability, 2. reduction of the moving masses and 3. impulse compensation.

Fehlervermeidung durch Rigidität der Strukturen und Dämpfung von Schwingungen führt zu massiven Maschinen, die hohe Antriebskräfte benötigen, was somit hohe Anschaffungs- und Aufstellungskosten, hohen Energieverbrauch und in vielen Fällen auch hohen Verschleiß bedeutet, also zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten führt.Error avoidance by rigidity of the structures and damping of vibrations leads to massive machines that require high driving forces, which thus means high acquisition and installation costs, high energy consumption and in many cases also high wear, thus leading to high acquisition and operating costs.

Diese Kosten übersteigen bei den angestrebten Beschleunigungen häufig den erzielbaren Produktivitätsvorteil.These costs often exceed the achievable productivity advantage for the desired accelerations.

Zur Fehlervermeidung durch Reduktion der bewegten Massen sind ebenfalls eine ganze Reihe von Lösungsansätzen bekannt.To avoid errors by reducing the moving masses, a whole series of approaches are also known.

Neben der Verwendung neuartiger Werkstoffe, beispielsweise Kohlefaserverbundstoffe, kommt es auch zum Einsatz alternativer Achskonfigurationen, wie beispielsweise Parallelkinematiken, und dort als Beispiel den sogenannten Hexapoden.In addition to the use of novel materials, such as carbon fiber composites, it comes also to use alternative Achskonfigurationen, such as parallel kinematics, and there as an example the so-called hexapods.

Der Grundgedanke dabei ist, dass die verschiedenen benötigten Freiheitsgrade nicht durch eine Aneinanderreihung entsprechend beweglicher Achsen erzielt werden, was in seiner Konsequenz bedeutet, dass mit der Anzahl der Achsen die benötigte Stabilität nur durch eine jeweils überproportional schnell ansteigende Maschinenmasse erzielbar ist, sondern indem meist Kinematiken, aus in der Länge veränderlichen Stäben, die überwiegend an Kardan- oder Kugelgelenken frei beweglich sind, einen Endeffektor oder ein Werkstück gemeinsam nebeneinander, also parallel, tragen und diese durch entsprechend koordinierte Längen- oder Positionsänderungen der Stäbe, mit relativ großer Freiheit im Arbeitsraum bewegbar sind.The basic idea is that the various degrees of freedom required are not correspondingly more agile by a juxtaposition Axes are achieved, which means in its consequence that with the number of axles the required stability can be achieved only by a disproportionately fast increasing machine mass, but mostly kinematics, from variable in length rods, the majority on cardan or ball joints free are movable, an end effector or a workpiece together side by side, so parallel, wear and these are moved by appropriately coordinated changes in length or position of the rods, with relatively large freedom in the working space.

Der Arbeitsraum einer Maschine, die Parallelkinematik verwendet, ist jedoch verhältnismäßig klein, wenn man ihn mit einer konventionellen Maschine ähnlicher Abmessungen vergleicht, insbesondere im Vergleich zu Maschinen mit bewegten Portalen.The working space of a machine using parallel kinematics, however, is relatively small when compared to a conventional machine of similar dimensions, especially when compared to machines with moving gantries.

Außerdem setzt das sehr komplexe dynamische Verhalten der veränderlichen Stäbe und dies im Zusammenspiel mit den stark belasteten Gelenken einer hoch beschleunigten und zugleich sehr exakten Bewegung Grenzen.In addition, the very complex dynamic behavior of the variable rods and this in conjunction with the heavily loaded joints of a highly accelerated and at the same time very precise movement limits.

Es ist auch schon zur Entwicklung von Hybridformen gekommen, die sowohl traditionelle Achsanordnungen als auch Parallelkinematiken kombinieren, z. B. in der Form, dass eine traditionelle Portalmaschine eine Parallelkinematik anstelle eines mehrachsigen Schwenkkopfes trägt. Ein Beispiel hierfür ist aus US 7 357 049 B2 bekannt.It has also come to the development of hybrid forms that combine both traditional axle arrangements and parallel kinematics, z. B. in the form that a traditional gantry machine carries a parallel kinematic instead of a multi-axis swivel head. An example of this is off US Pat. No. 7,357,049 B2 known.

Solche Kombinationen weisen zugleich in eine gegenüber der Parallelkinematik nahezu genau entgegengesetzte Entwicklungstendenz, also sogar in das aufeinander stapeln von noch mehr Achsen, die schon seit geraumer Zeit, beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 93/01021 A1 , bekannt geworden ist.At the same time, such combinations have a development tendency which is almost exactly opposite that of parallel kinematics, ie even in the successive stacking of even more axes, which have been known for some time, for example from the international patent application WO 93/01021 A1 , has become known.

WO 93/01021 A1 lehrt die parallel überlagerte (redundante) Bewegung von längeren Basisachsen und kürzeren Zusatzachsen, wobei die Zusatzachsen durch ihre kleineren Wege und Spannweiten sehr viel kleiner bauen und damit leichter sind, also mit weniger Kraft zu beschleunigen. WO 93/01021 A1 teaches the parallel superimposed (redundant) movement of longer base axles and shorter auxiliary axles, whereby the additional axles are much smaller due to their smaller ways and spans and thus are lighter, that is to accelerate with less force.

Dies führt je nach Abwägung eher zu höheren Beschleunigungen bei gleichen Kräften, oder geringeren Rückwirkungen bei gleichen Beschleunigungen, so dass sowohl Genauigkeit, als auch Geschwindigkeit hiervon profitieren können.Depending on the consideration, this leads rather to higher accelerations with the same forces, or fewer reactions with the same accelerations, so that both accuracy and speed can benefit from this.

Im Laufe der Zeit sind zahlreiche weitere Zusatzachskonfigurationen entwickelt worden, die auf ähnliche Weise das gleiche Ziel verfolgen.Over time, numerous other auxiliary axle configurations have been developed which similarly pursue the same goal.

Dies gilt auch für EP 927 596 A2 und EP 2 177 299 A1 , nur dass hier nicht zwei oder drei Maschinenachsen mit hohen Massen, als Zusatzachsen in kleinerer und leichterer Form, dupliziert werden, sondern dass eine redundant wirksame Überlagerung der Bewegung der langen Maschinenachsen, durch eine Kombination aus rotatorisch und translatorisch wirksamen Zusatzachsen erreichbar wird.This also applies to EP 927 596 A2 and EP 2 177 299 A1 except that two or three machine axes with high masses, as additional axes in smaller and lighter form, are not duplicated here, but that a redundantly effective superimposition of the movement of the long machine axes can be achieved by a combination of rotationally and translationally effective additional axes.

Auch hiermit können relativ hoch beschleunigte Bewegungen eines Endeffektors gegenüber dem Werkstück erzielt werden, ohne dass hierzu große Massen entsprechend beschleunigt werden müssen.Again, relatively high accelerated movements of an end effector relative to the workpiece can be achieved without requiring large masses must be accelerated accordingly.

EP 1 724 054 A1 offenbart den Einsatz von Zusatzachsen mit Impulsausgleich, als der dritten schon genannten Methode zur Fehlervermeidung, in einer besonderen orthogonalen parallelkinematischen Zusatzachsenkonfiguration, bei der jeder Zusatzachsenrichtung (dort U, V) eine den bewegten Massen entgegenwirkende Ausgleichsmasse zugeordnet ist, die mit einem eigenen Antrieb, exakt synchron und entgegen der Nutzmasse (dem Endeffektor) bewegt wird. EP 1 724 054 A1 discloses the use of additional axes with impulse compensation, as the third method already mentioned for error avoidance, in a special orthogonal parallel kinematic additional axis configuration in which each additional axis direction (there U, V) is associated with a masses counteracting the moving masses, which with its own drive, exactly synchronously and against the payload (the end effector) is moved.

Dies vermindert die Rückwirkung von beschleunigten Teilmassen der Zusatzachsen auf die jeweils tragenden Strukturen zusätzlich, was nochmals erhöhte Genauigkeit und/oder Geschwindigkeit ermöglicht.This additionally reduces the repercussion of accelerated sub-masses of the additional axes on the respective supporting structures, which again allows increased accuracy and / or speed.

Der zum Zeitpunkt dieser Anmeldung aktuelle Stand der Technik zum Impulsausgleich bei Zusatzachsen ergibt sich, soweit dem Anmelder bekannt, aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 2010/001037 und in Verbindung mit einer Variante des Impulsausgleichs, der sogenannten Impulsentkopplung, aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 2010/001038 , beide vom Anmelder der vorliegenden Erfindung.The current state of the art for pulse compensation for additional axes at the time of this application, as far as known to the applicant, results from the international patent application PCT / DE 2010/001037 and in connection with a variant of the impulse compensation, the so-called impulse decoupling, from the international patent application PCT / DE 2010/001038 both by the assignee of the present invention.

Allen diesen Beispielen aus dem Stand der Technik ist gemeinsam, dass sich der zu bewegende Endeffektor, bedingt durch die geringeren zu beschleunigenden Massen der Zusatzachsen zwar mit erheblich höheren Beschleunigungen und genauer bewegen lassen als es ohne Zusatzachsen möglich wäre.All these examples from the prior art have in common that the end effector to be moved, due to the lower masses of the additional axes to be accelerated, can indeed be moved with considerably higher accelerations and more accurately than would be possible without additional axes.

Jedoch bedeutet dies in solchen Anwendungen, bei denen die Geschwindigkeit des Endeffektors gegenüber dem Werkstück im Bereich um 60 m/min oder darüber liegt, selbst unter der Voraussetzung einer typischen Beschleunigung durch Zusatzachsen von etwa 100 m/s², dass beispielsweise die Bewegung um eine rechtwinklige Ecke immer noch Brems- und Beschleunigungswege von 5 mm und mehr verursacht, so dass es trotz der Anwendung von Zusatzachsen zu störenden Geschwindigkeitseinbrüchen während der Bearbeitung an komplexen abzufahrenden Konturen kommt, insbesondere wenn diese zahlreiche prismatische Übergänge oder kleine Radien im Bereich von wenigen Millimetern enthalten.However, in those applications where the speed of the end effector relative to the workpiece is in the range of 60 m / min or above, even assuming typical acceleration by additional axes of about 100 m / s ² , this means, for example, the movement about one right-angled corner still causes braking and acceleration paths of 5 mm and more, making it disturbing despite the use of additional axles Speed drops during processing on complex contours to be traced, especially if they contain numerous prismatic transitions or small radii in the range of a few millimeters.

Bei höheren Genauigkeitsanforderungen gilt dies entsprechend auch schon bei geringeren Bearbeitungsgeschwindigkeiten.In the case of higher accuracy requirements, this also applies correspondingly even at lower processing speeds.

WO 2009/079760 A1 offenbart einen Scannerkopf zum Remote-Laserschweissen, der ebenfalls als Zusatzachseneinheit im Sinne des vorherigen Standes der Technik verwendbar ist, ähnlich wie die schon aufgeführten Laserschneidköpfe mit rotorisch bewegbaren Achsen EP 927 596 A2 und EP 2 177 299 A1 . WO 2009/079760 A1 discloses a scanner head for remote laser welding, which can also be used as an auxiliary axis unit in the sense of the prior art, similar to the laser cutting heads already mentioned with rotorically movable axes EP 927 596 A2 and EP 2 177 299 A1 ,

Im Unterschied zu jenen ist der Spiegel eines Scannerkopfes jedoch mit wesentlich höheren Beschleunigungen drehbar als ein kompletter Schneidkopf, so dass je nach realisierbarem Abstand des Wirkpunktes vom kippbaren Umlenkspiegel, hieraus Beschleunigungen am Wirkpunkt von mehr als 1000 m/s² resultieren können.In contrast to those, however, the mirror of a scanner head is rotatable with much higher accelerations than a complete cutting head, so that, depending on the feasible distance of the action point from the tiltable deflection mirror, accelerations at the point of action of more than 1000 m / s ^{2 can} result.

Hierbei eine hohe Präzision einzuhalten, ist jedoch mit einigem Aufwand verbunden, unter anderem weil durch das hohe Übersetzungsverhältnis zwischen Bewegung des Spiegels und des Wirkpunktes auch Fehler und Vibrationen im Scannerkopf im Wirkpunkt entsprechend vergrößert auftreten.To comply with a high precision, however, is associated with some effort, among other things, because of the high ratio between movement of the mirror and the point of action and errors and vibrations in the scanner head at the point of action occur correspondingly increased.

Weiterhin ist zwar ein Ausgleich der Bewegungsabweichungen des Wirkpunktes von einer translatorischen Bewegung entlang einer ebenen Werkstückoberfläche (oder einer beliebigen dreidimensionalen Sollkontur), beispielsweise durch einen adaptiven Spiegel in der Fokussierungsoptik möglich, der die Brennweite und somit den Abstand des Wirkpunktes vom Scannerspiegel bestimmt. Aber dennoch entstehen hierdurch weitere Fehlerquellen und es kommt wiederum zu Einschränkungen der maximalen Beschleunigung durch die begrenzte Dynamik des besagten adaptiven Spiegels.Furthermore, although a compensation of the movement deviations of the point of action of a translational movement along a flat workpiece surface (or any desired three-dimensional contour), for example, by an adaptive mirror in the focusing optics possible, which determines the focal length and thus the distance of the point of action of the scanner mirror. However, this causes further sources of error and, in turn, limits the maximum acceleration due to the limited dynamics of the said adaptive mirror.

Grundsätzlich ist eine derartige Zusatzachseneinheit unter anderem zum Laserschneiden geeignet, jedoch prozessbedingt nicht annähernd mit einer Qualität und Geschwindigkeit, wie sie mit einer relativ kleinräumig definierten Scheidgaszuführung am Wirkpunkt möglich ist, so dass besagte Zusatzachseinheiten nur für ein eher begrenztes Anwendungsspektrum vorteilhaft nutzbar sind.Basically, such an auxiliary axis unit is suitable inter alia for laser cutting, but process-related not nearly with a quality and speed, as is possible with a relatively small space defined Scheidgaszuführung at the point of action, so that said additional axis units are advantageously used only for a rather limited range of applications.

Bei größeren benötigten Bewegungsspielräumen kommt verstärkt noch die Problematik hinzu, dass der Strahl nicht in einem fest definierten Winkel, meist senkrecht zur zu bearbeitenden Oberfläche, im Wirkpunkt auftrifft, so dass auch hierdurch dass Einhalten von notwendigen Bedingungen für eine definierte Wirkung erschwert wird.With larger required range of motion, the problem still more arises that the beam does not impinge at a fixed angle, usually perpendicular to the surface to be machined, at the point of action, so that this also makes it difficult to comply with the necessary conditions for a defined effect.

Ganz besonders trifft dies beispielsweise beim Laserschneiden zu, wo je nach Laserleistung, Materialart und -stärke ein qualitativ und ökonomisch optimales Ergebnis nur unter Zuführung von sogenannten Schneidgasen unter gut kontrollierbaren Druck- und Strömungsverhältnissen und eng definierten Strahleigenschaften am Wirkpunkt erzielbar ist.This is especially true, for example, in laser cutting, where, depending on laser power, material type and thickness, a qualitatively and economically optimal result can only be achieved by supplying so-called cutting gases under well controllable pressure and flow conditions and closely defined jet properties at the point of action.

Um dieses Problem zu lösen, wird in WO 2009/146697 A1 vorgeschlagen allein die Schneiddüse zweidimensional parallel zur Werkstückoberfläche zu bewegen und die entsprechende Nachführung des Laserstrahls mittels mehrerer schwenkbarer Spiegel oder eines in mehreren Achsen schwenkbaren Spiegels zu erreichen, wobei der vorzugsweise kollimierte Laserstrahl, nach Reflektion durch den jeweils letzten besagten schwenkbaren Spiegel, mittels einer telezentrisch wirksamen Fokussierungsoptik senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet wird.To solve this problem is in WO 2009/146697 A1 proposed solely to move the cutting nozzle two-dimensionally parallel to the workpiece surface and to achieve the corresponding tracking of the laser beam by means of several pivotable mirror or a multi-axis mirror, the preferably collimated laser beam, after reflection by the last said pivoting mirror, by means of a telecentric effective Focusing optics is aligned perpendicular to the workpiece surface.

Bei Zusatzachseinheiten mit Bewegungsspielräumen von fünf oder mehr Zentimetern in beiden Hauptachsen, wird eine Spiegelrotation um ±5° oder mehr benötigt, wenn der Abstand zwischen Umlenkspiegel und Optik nicht in unpraktikable Dimensionen steigen soll.For additional axis units with range of motion of five or more centimeters in both major axes, a mirror rotation of ± 5 ° or more is needed if the distance between the deflection mirror and optics should not increase to impractical dimensions.

Ausreichend gekühlte und optisch stabile Scannerspiegel mit Durchmessern von einigen Zentimetern und einer exakt kontrollierbaren Auslenkbarkeit um ±5° oder mehr sind aber mit Antrieben höchster Dynamik, wie Piezo- und Tauchspulenantrieben nicht auf wirtschaftliche Weise zu realisieren, so dass sich weiterhin eine Begrenzung der Dynamik und/oder der Genauigkeit ergibt.Sufficiently cooled and optically stable scanner mirrors with diameters of a few centimeters and a precisely controllable deflectability by ± 5 ° or more but are not realized with drives of the highest dynamics, such as piezo and Tauchspulenantrieben in an economical manner, so that continues to limit the dynamics and / or accuracy.

Nach dem Stand der Technik kommt es somit immer zu einem mehr oder weniger problematischen Kompromiss zwischen kleiner und zugleich hochbeschleunigbarer Spiegelbewegung bei stark begrenzter Kontrolle über Genauigkeit und Wirkungsparameter oder größerer und zugleich weniger beschleunigbarer Spiegelbewegung, letztlich unabhängig davon ob diese translatorisch oder rotatorisch ausgeführt wird, aber bei besserer Kontrolle, sowohl der Genauigkeit als auch der Wirkungsparameter, besonders auch durch eine parallele Bewegung von Wirkpunkt des Strahls und einer Einrichtung zur Zuführung von Hilfsmedien, wie beispielsweise eines Schneidgases mittels einer Düse.According to the state of the art, there is thus always a more or less problematic compromise between small and at the same time highly acceleratable mirror movement with very limited control over accuracy and effect parameters or greater and at the same time less accelerating mirror movement, ultimately irrespective of whether this is carried out translationally or rotationally with better control, both the accuracy and the effect parameters, especially by a parallel movement of the point of action of the jet and means for supplying auxiliary media, such as a cutting gas by means of a nozzle.

Aus US 5 574 348 B1 ist bekannt, die Zusatzachsen einer parallel ausgerichteten überlagert betrieben Achskonfiguration mit weiteren kurzhubigen Antriebselementen auszustatten, (Siehe Anspruch 14 dort) um Bewegungsfehler der Zusatzachsen mit nochmals höherer Beschleunigung korrigieren zu können.Out US 5 574 348 B1 It is known to provide the additional axes of a parallel aligned superimposed operated axis configuration with further short-stroke drive elements, (see Claim 14 there) to be able to correct motion error of the additional axes with even higher acceleration.

Derart würde jedoch, beispielsweise bei einer Laserschneidmaschine, der gesamte Schneidkopf, also inklusive Umlenkspiegel, Fokussierungslinse und Schneiddüse als Einrichtung zur Zuführung von Hilfsmedien an die Wirkstelle, gemeinsam höher beschleunigt werden müssen, was entsprechend leistungsstarke kurzhubige Antriebe voraussetzt, die aufwendig wären und zu heftigen Impulseinleitungen in tragenden Bewegungsstrukturen führen, die ebenfalls nur mit hohem Aufwand aufzufangen oder zu kompensieren wären.Such would, however, for example, in a laser cutting machine, the entire cutting head, ie including deflecting mirror, focusing lens and cutting nozzle as means for supplying auxiliary media to the site, must be accelerated together higher, which requires correspondingly powerful short-stroke drives, which would be costly and violent impulse discharges lead in supporting motion structures, which would also absorb only with great effort or would be compensated.

In US 6,067,999 B1 wird vorgeschlagen in den Strahlweg, vor einem konventionellen Galvanometerspiegel, einen höher beschleunigt bewegbaren zusätzlichen Umlenkspiegel vorzusehen, so dass durch entsprechend überlagerte Bewegung beider Spiegel, eine hochbeschleunigte Gesamtablenkung um einen Winkelbetrag ermöglicht wird, der dem des weniger beschleunigbaren Galvanometerspiegels entspricht.In US 6,067,999 B1 It is proposed to provide in the beam path, in front of a conventional galvanometer mirror, a higher accelerated movable additional deflection mirror, so that by correspondingly superimposed movement of both mirrors, a highly accelerated total deflection is made possible by an angular amount corresponding to that of the less acceleratable galvanometer.

Eine Einrichtung zur Zuführung von Hilfsmedien, an den Wirkpunkt eines Strahls, ist dort nicht vorgesehen.A device for supplying auxiliary media to the point of action of a jet is not provided there.

Besonders gelten die zum Stand der Technik beschriebenen Probleme für redundant bewegbare Zusatzachseinheiten, die über eine Bearbeitungsfläche von mehreren Quadratmetern hinweg zeitgleich überlagert mit langwegigen Basisachsen bewegt werden, und selbst Bearbeitungsflächen von typischerweise zwischen 10 bis 1000 Quadratzentimetern aufweisen.In particular, the problems described for the state of the art for redundantly movable additional axis units which are moved over a processing area of several square meters at the same time superimposed with langwegigen base axes, and even have processing surfaces of typically between 10 to 1000 square centimeters.

Die geschilderten Probleme treten nicht nur beim Laserschneiden auf, sondern auch bei anderen Bearbeitungsprozessen, bei denen ein energiereicher Strahl im elektromagnetischen Wellenlängenbereich von etwa 50 γm bis 100 nm Verwendung findet, besonders jedoch wenn die Strahlwirkung mit gasförmig, flüssig oder pulverförmig zugeführten Hilfsmedien, nur unter mit ausreichender Genauigkeit definierten Bedingungen zum erwünschten Ergebnis führt.The problems described occur not only in laser cutting, but also in other machining processes in which an energy-rich beam in the electromagnetic wavelength range of about 50 γm to 100 nm is used, but especially when the beam effect with gaseous, liquid or powder supplied auxiliary media, only below conditions defined with sufficient accuracy lead to the desired result.

Besagtes erwünschtes Ergebnis kann das möglichst glatte Durchtrennen entlang einer Kontur oder das punktuelle Durchbohren von Material sein, ebenso wie das definierte Abtragen, Auftragen oder Verschmelzen von Material sowie das Glätten oder ein gezieltes Strukturieren.Said desired result can be the smoothest possible cutting along a contour or the punctiform puncturing of material, as well as the defined removal, application or fusion of material and the smoothing or a targeted structuring.

Das besagte zugeführte Hilfsmedium kann das gewünschte Ergebnis sowohl durch eine endotherme oder exotherme chemische oder katalytische Reaktion erzielen oder unterstützen, als auch mittels einer physikalischen Wirkung wie beispielsweise Druck, Strömung, Kühlung oder Abrieb.The said supplied auxiliary medium can achieve or assist the desired result both by an endothermic or exothermic chemical or catalytic reaction, as well as by a physical action such as pressure, flow, cooling or abrasion.

Je nach Anwendung können verschiedene der besagten Ergebnisse, Reaktionen und Wirkungen auch gemeinsam vorkommen.Depending on the application, various of the said results, reactions and effects may also occur together.

Allen derartigen Anwendungen ist nach dem Stand der Technik gemeinsam, dass sowohl die besagte Einrichtung zur Zuführung des Hilfsmediums als auch die mit ausreichend hoher Genauigkeit verfügbare Dynamik der Einrichtungen zur Strahlumlenkung, unabhängig davon ob diese translatorisch oder rotatorisch bewegbar sind, die Beschleunigbarkeit des Wirkpunktes relativ zum Werkstück begrenzen.It is common to all such applications in the prior art that both the means for supplying the auxiliary medium and the dynamics of the means for beam deflection, which are available with sufficiently high precision, irrespective of whether they are translationally or rotationally movable, allow the point of action to be accelerated relative to Limit workpiece.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine höher beschleunigbare Bewegung des besagten Wirkpunktes relativ zum Werkstück, auch über eine eher große Bearbeitungsfläche hinweg, zu ermöglichen, bei weitgehend konstanter Einhaltung aller für die Wirkung besagter energiereichen Strahlen wesentlichen Parameter.The object of the invention is therefore to allow a higher accelerated movement of said point of action relative to the workpiece, even over a rather large processing area, while substantially constant compliance with all essential for the effect of said high-energy radiation parameters.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem bei einer Bewegungsvorrichtung zur aufeinander abgestimmten Bewegung des Wirkpunkts eines energiereichen Strahls und einer Einrichtung zur Zuführung eines Hilfsmediums an besagtem Wirkpunkt, bestehend aus einer beliebigen Kombination von translatorisch oder rotatorisch in mindestens einer Bewegungsrichtung redundant wirksamen Basis- und Zusatzachsen, erfindungsgemäß, mindestens für ein strahllenkendes Element auf dem Weg des Strahls von der Strahlquelle zum Wirkpunkt, eine kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit vorgesehen ist, die eine zusätzliche Bewegung des Strahls am Wirkpunkt, in mindestens einer Achsrichtung transversal zur Strahlrichtung im Wirkpunkt ermöglicht
und die besagte Einrichtung zur Zuführung eines Hilfsmediums derart gestaltet ist, dass der notwendige Freiraum zur besagten zusätzlichen Bewegung des Strahls gegeben ist.The object is achieved according to the invention by providing redundantly effective base and auxiliary axes in a movement device for coordinated movement of the point of action of a high-energy beam and a device for supplying an auxiliary medium to said point of action, consisting of any combination of translational or rotational in at least one direction of movement, According to the invention, at least for a beam-directing element on the path of the beam from the beam source to the point of action, a kurzwegige, highly acceleratable drive option is provided which allows additional movement of the beam at the point of action, in at least one axial direction transversely to the beam direction at the point of action
and said means for supplying an auxiliary medium is designed such that the necessary space for said additional movement of the beam is given.

Besagte kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit, kann erfindungsgemäß sowohl eine translatorische als auch eine rotatorische oder kombinierte Bewegung eines besagten strahllenkenden Elementes ausführen, um besagte zusätzliche Bewegung des Strahls zu bewirken.Said short-range, highly acceleratable drive possibility, according to the invention can perform both a translatory and a rotary or combined movement of said beam-directing element to effect said additional movement of the beam.

Somit ergibt sich in mindestens einer Achsrichtung, die sich, je nach Art der besagten Bewegungsvorrichtung, auch während des Betriebs ändern kann, eine mindestens dreifach redundant überlagerte Bewegung von Maschinenachsen,
die in extrem hoch beschleunigbaren aber dennoch präzise kontrollierbaren Soll-Bewegung des Wirkpunkts relativ zu einem Werkstück resultieren,
wobei durch den besonders kleinen benötigten Freiraum der Strahlbewegung in der dritten Stufe, die besagte Einrichtung zur Zuführung eines Hilfsmediums mit eher geringem Aufwand so gestaltet werden kann, dass eine weitgehend konstante Einhaltung aller für die Wirkung besagter energiereichen Strahlen wesentlichen Parameter gewährleistet ist.Thus, in at least one axial direction, which, depending on the type of said movement device, can also change during operation, results in at least three-fold redundantly superimposed movement of machine axes,
which result in extremely high acceleratable but nevertheless precisely controllable desired movement of the action point relative to a workpiece,
wherein the particularly small required free space of the jet movement in the third stage, the said means for supplying an auxiliary medium can be designed with rather little effort so that a largely constant compliance with all essential for the effect of said high-energy radiation parameters is guaranteed.

Dies bedeutet insbesondere bei der Verwendung eines Gases als zuzuführendes Medium, dass die Austrittsöffnung des Gases nur wenig größer ausfallen kann, als bei völlig paralleler Bewegung von Strahl und Medienzuführung notwendig, so dass ein wirtschaftlicher Betrieb und zugleich ein großer Freiraum bei der Gestaltung anwendungsspezifisch vorteilhaft verwendbarer Düsengeometrien ermöglicht wird.This means, in particular when using a gas as the medium to be supplied, that the outlet opening of the gas can turn out to be only slightly larger than in the case of a completely parallel movement of the jet and the media feed, so that an economical operation and at the same time a large free space in the design can be advantageously used in an application-specific manner Nozzle geometries is possible.

Besagte strahllenkenden Elemente, die eine besagte kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit aufweisen, können sowohl solche sein, die ohne erfindungsgemäße Ausführung ebenfalls vorhanden wären und erfindungsgemäß antreibbar gestaltet werden, oder können zusätzlich vorgesehen werden, um eine erfindungsgemäße Strahlablenkung am besagten Wirkpunkt transversal zur Strahlrichtung erzielen.Said beam-directing elements which have a said short-path, highly acceleratable drive possibility can be both those which would also be present without inventive design and are designed to be drivable, or can additionally be provided to achieve a beam deflection according to the invention at said point of action transversely to the beam direction.

Erfindungsgemäß kann im Grunde jedes strahllenkende Element, unabhängig davon ob seine Wirkung mittels Reflektion oder Refraktion erfolgt, für besagte Strahlablenkung genutzt und erfindungsgemäß angetrieben werden, wenn seine Verschiebung oder Verschwenkung zu einer entsprechenden stetigen und vorzugsweise proportionalen Strahlablenkung im Wirkpunkt führt. Jedoch ist es vorzuziehen die erfindungsgemäße Strahlablenkung mittels reflektiver und möglichst nahe dem Wirkpunkt befindlicher Elemente vorzusehen, da diese gewöhnlich bei gleichem oder geringeren Aufwand, bezüglich Abbildungsqualität, Unabhängigkeit von Strahlparametern, insbesondere Leistung und Spektrum, sowie Langzeitstabilität nicht unerhebliche Vorteile bieten und eine präzise Steuerung der Strahlablenkung eher möglich ist, wenn die Anzahl der einem erfindungsgemäß hochbeschleunigt antreibbaren Element im Strahlweg, bis zum Wirkpunkt, nachfolgenden strahllenkenden Elemente gering ist, und der entsprechende Strahlweg möglichst kurz. Somit ist vorzugsweise das letzte reflektive Strahllenkungselement im Strahlweg, das Element, bei dem ein erfindungsgemäßer kurzwegiger hochbeschleunigbarer Antrieb vorgesehen ist.According to the invention, basically, each beam directing element, regardless of whether its action by reflection or refraction takes place, used for said beam deflection and driven according to the invention, if its displacement or pivoting leads to a corresponding continuous and preferably proportional beam deflection at the point of action. However, it is preferable to provide the beam deflection according to the invention by means of reflective elements located as close as possible to the point of action, since these usually offer considerable advantages in terms of imaging quality, independence of beam parameters, in particular power and spectrum, as well as long-term stability and precise control of the Beam deflection is more likely if the number of a highly accelerated driven according to the invention element in the beam path, to the point of action, subsequent beam-directing elements is low, and the corresponding beam path as short as possible. Thus, preferably the last reflective beam steering element in the beam path, the element in which a short-path highly acceleratable drive according to the invention is provided.

Beispielsweise bedeutet dies, bezogen auf eine Laserschneidmaschine mit Zusatzachsen, wie sie zum Stand der Technik an einer Reihe von Beispielen aufgeführt sind, dass ein Umlenkspiegel vor einer Fokussierungsoptik, die entsprechend angepasst sein sollte, oder besonders vorzugsweise ein selbst fokussierend wirkender Umlenkspiegel, in einem sogenannten Schneidkopf, also in jedem Fall einer Einheit aus besagtem Umlenkspiegel, ggf. Fokussierungslinsen und einer Schneidgaszuführung zum Wirkpunkt,
besagter Umlenkspiegel einen erfindungsgemäßen kurzhubigen und hochbeschleunigbaren Antrieb aufweist und die Schneiddüse derart ausgeführt ist, dass der Laserstrahl am Wirkpunkt einen ausreichenden Bewegungsspielraum zur Bewegung durch den besagten Antrieb, ohne eine synchrone Bewegung der Schneiddüse selbst, aufweist und zugleich eine weitgehend homogene Wirkung des Schneidgases innerhalb des besagten Bewegungsspielraums vorliegt.For example, with respect to a laser cutting machine with additional axes, as are listed in the prior art in a number of examples, this means that a deflecting mirror in front of a focusing optics, which should be adapted accordingly, or particularly preferably a self-focusing deflecting mirror, in a so-called Cutting head, so in any case a unit of said deflection mirror, possibly focusing lenses and a cutting gas supply to the point of action,
said deflecting mirror has a short-stroke and highly acceleratable drive according to the invention and the cutting nozzle is designed such that the laser beam at the point of action sufficient movement for movement through the said drive, without a synchronous movement of the cutting nozzle itself, and at the same time a substantially homogeneous effect of the cutting gas within the said movement scope is present.

Ein alternativer Stand der Technik, entsprechend der aufgeführten WO 2009/146697 A1 , kann ebenfalls erfindungsgemäß verbessert werden, jedoch hier vorzugsweise, indem nicht der schon bewegbare letzte Umlenkspiegel, sondern das diesem im Strahlweg jeweils vorgelagerte strahllenkende Element, erfindungsgemäß antreibbar ist.An alternative prior art, according to the listed WO 2009/146697 A1 , Can also be improved according to the invention, but here preferably by not the already movable last deflection mirror, but this in the beam path respectively upstream beam-directing element, according to the invention can be driven.

Besagtes Element kann sowohl ein weiterer Spiegel sein, der entweder ohnehin oder speziell für eine erfindungsgemäße Strahlablenkung dort im Strahlweg vorgesehen ist, oder es kann beispielsweise auch eine Kollimationseinheit sein, die aus dem Strahl in einer Lichtleitfaser einen aufgeweiteten aber in sich parallel ausgerichteten Strahl erzeugt und die als Ganzes oder in einzelnen optischen Elementen, erfindungsgemäß angetrieben und bewegt wird. Für eine entsprechende erfindungsgemäße Auslegung der Schneiddüse gilt, was schon im vorherigen Absatz beschrieben wurde.Said element can be either another mirror which is provided either anyway or specifically for a beam deflection according to the invention there in the beam path, or it can for example also be a collimation unit, which generates from the beam in an optical fiber a widened but aligned in parallel beam and which is driven and moved according to the invention as a whole or in individual optical elements. For a corresponding inventive design of the cutting nozzle applies, which has already been described in the previous paragraph.

In vielen Anwendungen wird eine Zustellmöglichkeit des gesamten Endeffektors in Strahlrichtung gegenüber der Werkstückoberfläche vorgesehen sein.In many applications, a delivery possibility of the entire end effector in the beam direction relative to the workpiece surface will be provided.

Ebenso kann eine Einstellmöglichkeit im Abstand zwischen besagtem Umlenkspiegel und besagter Schneiddüse, oder allgemeiner; zwischen besagtem reflektierenden Element und besagter Medienzuführung, vorgesehen sein.Likewise, a setting possibility in the distance between said deflecting mirror and said cutting nozzle, or more generally; between said reflective element and said media feed.

Je nach Anwendungsbereich, notwendigem Bewegungsspielraum und Dynamik steht hierzu, wie auch für die erfindungsgemäße hochbeschleunigte Strahlablenkung, ein breites Spektrum dem Fachmann schon aus dem Stand der Technik bekannter Antriebsmöglichkeiten zur Verfügung.Depending on the field of application, the necessary range of motion and dynamics, a wide range of drive possibilities already known to the person skilled in the art is available for this, as is the case for the highly accelerated beam deflection according to the invention.

Beispiele sind Lineardirektantriebe, Tauchspulenantriebe oder piezoelektrische Aktoren.Examples are direct linear drives, immersion coil drives or piezoelectric actuators.

Dabei ist es möglich und kann sowohl konstruktiv als auch wirtschaftlich sinnvoll sein, das Prinzip redundant überlagerter Zusatzachsen ebenso für besagte Zustellung in Strahlrichtung zu nutzen, was einerseits zu einer hochdynamischen und, besonders zur Positionsanpassung des besagten reflektierenden Elementes, konstruktiv vergleichsweise günstig zu realisierenden Bewegungsmöglichkeit innerhalb kleiner Wege führt und andererseits erlaubt massivere und raumgreifendere Elemente für eine größere Bewegungsmöglichkeit in Strahlrichtung, in eine höhere Stufe der Gesamtachskonfiguration zu verlagern, wo sie bezüglich der Maschinendynamik nicht oder zumindest weitaus weniger störend in Erscheinung treten. It is possible and may be both constructive and economically useful to use the principle of redundant superimposed additional axes also for said delivery in the beam direction, which on the one hand to a highly dynamic and, especially for positional adjustment of the said reflective element, structurally comparatively low-achieving movement within smaller paths and on the other hand allows more massive and raumgreifendere elements for greater movement in the beam direction to shift to a higher level of Gesamtachskonfiguration where they do not occur with respect to the machine dynamics or at least much less disturbing.

Die besagte vergleichsweise günstige Realisiersungsmöglichkeit ergibt sich vorzugsweise derart, dass für kleine Zustellbewegung in Strahlrichtung, parallel zur Positionsverstellung des besagten Umlenkspiegels auch andere an der Strahlformung und -umlenkung beteiligte Elemente synchron mitbewegt werden. Dies bietet sich besonders an, wenn die Anzahl der derart in ihrer Bewegung zu synchronisierenden Elemente gering ist, beispielsweise wenn lediglich noch eine Kollimationseinheit mitbewegt werden muss, um unerwünschte Brennweiten- oder Positionsveränderungen durch Relativbewegungen zu vermeiden.Said comparatively favorable possibility of realizing results preferably such that for small advancing movement in the beam direction, parallel to the positional adjustment of the said deflecting mirror, other elements involved in the beam shaping and deflection are also moved synchronously. This is particularly useful when the number of such elements to be synchronized in their movement is low, for example, when only one collimation unit has to be moved in order to avoid unwanted focal length or position changes by relative movements.

Im Zusammenwirken mit Zusatzachsen nach dem aktuellen Stand der Technik, die eine redundante translatorische hoch beschleunigte Bewegung im Dezimeterbereich vorsehen, ergibt sich erfindungsgemäß eine besonders leistungsfähige und flexible dreistufig redundant überlagerte Bewegungsmöglichkeit, die gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere auch dem aus WO 2009/146697 A1 , eine höhere Präzision bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten zulässt und zugleich, auch wegen der weitaus weniger aufwendigen und dennoch potentiell leistungsfähigeren und im Betrieb robusteren Fokussierungselemente, wesentlich flexibler an Anwendungen mit hohen Strahlleistungen und unterschiedlichen Bedürfnissen an den Bewegungsspielraum der Zusatzachsen anpassbar ist.In conjunction with additional axes according to the current state of the art, which provide a redundant translational high-speed motion in the decimeter range, according to the invention results in a particularly powerful and flexible three-stage redundant superimposed motion possibility, compared to the prior art, in particular also from WO 2009/146697 A1 , allows a higher precision at high processing speeds and at the same time, also because of the far less complicated, yet potentially more powerful and robust in operation focusing elements, much more flexible to applications with high beam power and different needs to the range of motion of the additional axes is adaptable.

Dies gilt sowohl für erfindungsgemäße Zusatzachseneinheiten, die auch oder ausschließlich durch rotatorisch bewegbaren Achsen als Basisachsen in einem Arbeitsraum bewegt werden, beispielsweise am Arm oder Ausleger von Portal- oder Industrierobotern, als auch für erfindungsgemäße Zusatzachseinheiten, die ausschließlich mittels translatorisch bewegbarer Achsen als Basisachsen in einem Arbeitsraum bewegt werden.This applies both to additional axis units according to the invention, which are also or exclusively moved by rotatably movable axes as base axes in a working space, for example on the arm or boom of portal or industrial robots, as well as for additional axis units according to the invention, exclusively by means of translationally movable axes as base axes in one Workspace to be moved.

Aus dem zitierten Stand der Technik ist schon quantitativ ersichtlich, dass erfindungsgemäße Maschinenkonfiguration besonders für den Bereich Laserschneiden nutzbar sind, da sich die meisten konkreten Beispiele mit dieser Anwendung befassen.From the cited prior art it is already quantitatively evident that machine configuration according to the invention can be used particularly for the field of laser cutting, since most concrete examples deal with this application.

So sollen sich auch die hier geschilderten konkreten Beispiele zur Anwendung der Erfindung mit diesem Gebiet befassen, was jedoch selbstverständlich nicht bedeutet, dass die beschriebenen Beispielkonzepte sich, in für den Fachmann leicht zu entwerfenden Abwandlungen, nicht auch für eine Vielzahl anderer Anwendungen eignen, die zum Teil schon zum Stand der Technik aufgeführt oder umrissen wurden.Thus, the concrete examples described here for the application of the invention to be dealt with in this area, which of course does not mean that the described example concepts, in the easily be designed for the skilled person modifications, not for a variety of other applications are suitable for Part have already been listed or outlined in the prior art.

Vorzugsweise ist die Erfindung dort vorteilhaft anwendbar, wo Bewegungsabläufe mit hohen konstanten Geschwindigkeiten entlang längerer komplex geformter Konturen erfolgen oder aus sonstigen Gründen Gesamtbewegungen über längere Strecken bei häufigen intermittierenden hohen Beschleunigungen erforderlich sind.Preferably, the invention is advantageously applicable where motion sequences occur at high constant speeds along longer complex shaped contours, or for whatever reason overall motion over longer distances at frequent intermittent high accelerations is required.

Eine der verbreitetesten Anwendungen des Laserschneidens ist das Schneiden von plattenförmigen Rohmaterial auf sogenannten Flachbettlaserschneidmaschinen. Die ganz überwiegende Anzahl derartiger Laserschneidmaschinen teilt sich in der Grundkonstruktion in zwei Gruppen auf:
Beiden gemeinsam ist das, meist auf einem Wechseltisch, während der Bearbeitung ortsfest im Bearbeitungsraum positionierte Material.One of the most common applications of laser cutting is the cutting of plate-shaped raw material on so-called flatbed laser cutting machines. The vast majority of such laser cutting machines are divided into two groups in the basic construction:
Common to both is that, usually on a shuttle table, while processing stationary positioned in the editing room material.

Die schon etwas traditionellere Fraktion positioniert mittels einer Gantry Anordnung aus zwei Antrieben und entsprechenden Führungen neben dem Arbeitsraum, ein Portal über dem Material, meist entlang der größeren Abmessung des Bearbeitungsraums, der bei den meisten Maschinen ein horizontales Bearbeitungsfeld von 3 × 2 Metern bis zu 5 × 3 Metern umfasst und meist nur eine Höhe von einigen Zentimetern aufweist.The somewhat more traditional fraction positions a gantry arrangement of two drives and corresponding guides next to the workspace, a portal over the material, usually along the larger dimension of the processing space, which in most machines a horizontal edit field of 3 × 2 meters up to 5 × 3 meters and usually only has a height of a few centimeters.

Da die freistehenden Führungen der auf den Portalen bewegbaren Strukturen noch etwas länger sein müssen, als das zu bearbeitende Material, entstehen so Portale mit frei tragenden Längen von 2,5 bis 3,5 Metern, die entsprechend oft insgesamt eine 3 bis 4 Meter lange bewegbare Struktur darstellen.Since the free-standing guides of the movable structures on the portals must be slightly longer than the material to be processed, thus creating portals with cantilevered lengths of 2.5 to 3.5 meters, which is often a total of 3 to 4 meters long movable Represent structure.

Um bei solchen Maschinen eine gute Zugänglichkeit des Arbeitsraumes zu erreichen, wäre es wünschenswert die Portale mit Ständern zu bewegen, so dass die Führungen unterhalb des Arbeitsraumes angeordnet sein können.In order to achieve good accessibility of the working space in such machines, it would be desirable to move the portals with stands, so that the guides can be arranged below the working space.

Dies wiederspricht jedoch einer hohen Maschinendynamik, durch die zusätzlichen bewegten Massen und Elastizitäten, so dass überwiegend die Führungen der Portale direkt auf der Bearbeitungsebene stattfindet.However, this contradicts a high machine dynamics, due to the additional moving masses and elasticities, so that predominantly the guides of the portals takes place directly on the working plane.

Daher entwickelte sich mit der Zeit eine zweite Bauart, bei der die Führung des Portals über oder hinter den Bearbeitungsraum verlegt wird. Vom Kragarm der von der Rückseite des Bearbeitungsraumes her mit übereinander angeordneten Führungen gehalten wird über eine relativ breit ausgelegte zentrale Führung über dem Arbeitsraum, bis hin zu entsprechenden Kombinationen aus Einzelführungen hinter und über dem Arbeitsraum reicht das Spektrum. Therefore, over time, a second type of construction developed, in which the management of the portal is moved above or behind the processing room. From the cantilever is held by the back of the processing room ago with superimposed guides is about a relatively wide-sized central guide over the working space, up to corresponding combinations of individual guides behind and above the working space, the spectrum ranges.

Besonders die zwei ersten Unterarten eignen sich nur bedingt für sehr lange Querachsen mit hohen Beschleunigungen, da mit zunehmendem Abstand des Endeffektors von der Aufhängung, störende Kräfte und Instabilitäten auftreten.Especially the first two subspecies are only partially suitable for very long transverse axes with high accelerations, as with increasing distance of the end effector from the suspension, disturbing forces and instabilities occur.

Dies gilt natürlich sinngemäß auch für die anderen insgesamt dargestellten Varianten, nur eben im gleichen Maße erst bei höheren Spannweiten.Naturally, this also applies to the other variants shown overall, but only to the same extent only at higher spans.

Wie schon im Stand der Technik ausführlich beschrieben, wurde eine Lösung für diese Problematik in der Verwendung von redundant wirkenden Zusatzachsen gesehen, so dass die relativ instabilen langen Portale und Kragarme nur noch einen Bewegungsanteil mit relativ niedriger Beschleunigung bei einer Gesamtbewegung mit hoher Beschleunigung übernehmen müssen.As described in detail in the prior art, a solution to this problem was seen in the use of redundant auxiliary axes, so that the relatively unstable long gantries and cantilevers only have to take a proportion of movement with relatively low acceleration in a total movement with high acceleration.

Dass hierbei wiederum Rückwirkungen der Zusatzachsen auf die sogenannten Basisachsen auftreten und dass auch hierfür Lösungen im Sinne des Impulsausgleiches entwickelt wurden, ist ebenfalls zum Stand der Technik schon erwähnt worden.That this in turn repercussions of the additional axes on the so-called base axes occur and that also solutions for this purpose in the sense of impulse compensation have been developed, has also been mentioned in the prior art.

Bei geplanten Schneidgeschwindigkeiten von bis zu über 60 m/min, also 1 m/s, und Beschleunigungen der Basisachsen um 10 m/s², ergibt sich für den benötigten Bewegungsspielraum einer Zusatzachse nach einer etwas vereinfachenden Formel aus dem Stand der Technik zum Thema redundanter Zusatzachsen (ausführlich in WO 2008/148558 A1 ) S = 4 × V²/A also 4 × (1 m/s)²/10 m/s² = 40 cm.At planned cutting speeds of up to more than 60 m / min, ie 1 m / s, and accelerations of the base axes by 10 m / s ² , results for the required range of motion of an additional axis after a somewhat simplistic formula from the prior art on the subject of redundant Additional axes (detailed in WO 2008/148558 A1 ) S = 4 × V ² / A = 4 × (1 m / s) ^2/10 m / s ² = 40 cm.

Wie aus anderen Dokumenten zum Stand der Technik (beispielsweise WO 2008/151810 A1 oder WO 2009/027006 A1 ) bekannt, kann der Bedarf durch meist steuerungstechnische Maßnahmen reduziert werden, was effektiv bedeutet, dass üblicherweise maximal 50% des theoretischen „Worst Case”-Wertes tatsächlich benötigt werden, so dass von einem praktikablen Wert von etwa 20 cm ausgegangen werden kann.As seen from other prior art documents (e.g. WO 2008/151810 A1 or WO 2009/027006 A1 ), the demand can be reduced by mostly control measures, which effectively means that usually a maximum of 50% of the theoretical "worst case" value are actually required, so that a practicable value of about 20 cm can be assumed.

Ein Arbeitsraum mit derartigen Abmessungen in zwei Dimensionen wäre für eine Zusatzachseneinheit mit höchster Beschleunigung, von über 100 m/s², nach dem bisherigen Stand der Technik nicht wirtschaftlich sinnvoll realisierbar.A working space with such dimensions in two dimensions would not be economically feasible for an additional axis unit with maximum acceleration of over 100 m / s ² , according to the prior art.

Abschließend sollen bezüglich der erfindungsgemäßen Lösung dieses Problems besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt und erläutert werden.Finally, with regard to the solution to this problem according to the invention, particularly preferred embodiments of the invention will be illustrated and explained with reference to drawings.

1 zeigt die Totalansicht einer Laserschneidmaschine, bestehend aus einem Maschinenbett (1) mit einer feststehenden Brücke (2) längs der in X-Richtung an einer relativ breit ausgelegten zentralen Führung über dem Arbeitsraum eine Führungseinrichtung (3), zur Bewegung einer erfindungsgemäß zu verbessernden impulsentkoppelten Zusatzachseneinheit (10) in Y-Richtung, vorgesehen ist. 1 shows the total view of a laser cutting machine, consisting of a machine bed ( 1 ) with a fixed bridge ( 2 ) along the X-direction on a relatively wide-laid central guide over the working space a guide device ( 3 ), for moving a pulse-decoupled additional axis unit to be improved according to the invention ( 10 ) in the Y direction, is provided.

2 zeigt Details einer erfindungsgemäß eingerichteten besagten Einheit (10). 2 shows details of a said unit configured according to the invention ( 10 ).

3 zeigt Details eines erfindungsgemäß eingerichteten Laserschneidkopfes (21). 3 shows details of a laser cutting head according to the invention ( 21 ).

Zur Laserschneidmaschine in 1 gehört ein Geräteschrank (4) der die Steuerung (5) sowie nicht dargestellte Einheiten, wie Antriebsverstärker, weitere elektrische Komponenten, Laserquelle und Gasvorräte enthält.To the laser cutting machine in 1 includes a device cabinet ( 4 ) the controller ( 5 ) as well as units not shown, such as drive amplifiers, other electrical components, laser source and gas supplies contains.

Im Arbeitsraum (6) befindet sich ein Wechseltisch mit dem zu bearbeitenden Material.In the workroom ( 6 ) is a shuttle table with the material to be processed.

Der Antrieb zur Bewegung der Führungseinrichtung (3) in X-Richtung erfolgt mittels eines zentral zwischen zwei Führungen in der Brücke (2) angeordneten Lineardirektantriebs, der eine maximale Beschleunigung der Einrichtung (3) von etwa 10 m/s² erlaubt, bis zu der eine praktikabel schwingungsarme Bewegung der Einrichtung (3), auch bis in die Endlagen der Y-Achse, möglich ist.The drive for moving the guide device ( 3 ) in the X direction takes place by means of a central between two guides in the bridge ( 2 ) arranged linear direct drive, the maximum acceleration of the device ( 3 ) of about 10 m / s ² , to which a practicable low-vibration movement of the device ( 3 ), even to the end positions of the Y-axis, is possible.

Die Bewegung der Einheit (10) entlang der Einrichtung (3) in Y-Richtung erfolgt ebenfalls mittels Lineardirektantrieben, jedoch jeweils auf beiden Seiten und eng an den gestrichelt dargestellten Führungen (11) der Einheit (10) anliegend, so dass eine Beeinträchtigung der Bewegungsfreiräume innerhalb der Einheit (10) vermieden wird.The movement of unity ( 10 ) along the facility ( 3 ) in the Y direction also takes place by means of linear direct drives, but in each case on both sides and closely to the guides (FIG. 11 ) the unit ( 10 ), so that there is an impairment of the freedom of movement within the unit ( 10 ) is avoided.

Besagter Antrieb ermöglicht eine maximale Beschleunigung von 15 m/s² entlang besagter Einrichtung (3), und dient, zusammen mit dem Antrieb von Einrichtung (3) entlang besagter Brücke (2), als relativ niedrig beschleunigbarer Antrieb der Basisachsen.Said drive allows a maximum acceleration of 15 m / s ² along said device ( 3 ), and together with the drive of the facility ( 3 ) along said bridge ( 2 ), as a relatively low accelerated drive of the base axes.

2 zeigt eine erfindungsgemäß zu verbessernde impulsentkoppelte Zusatzachseneinheit (10) in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante. 2 shows a pulse-decoupled additional axis unit to be improved according to the invention ( 10 ) in a particularly preferred embodiment.

An der schon in 1 dargestellten Führung (11) bewegbar ist die Einheit (10) mittels der Führungselemente (12). At the already in 1 represented leadership ( 11 ) the unit is movable ( 10 ) by means of the guide elements ( 12 ).

Ein relativ niedrig beschleunigter Antrieb der Einheit (10) erfolgt mittels der aktiven Antriebselemente (13) auf der Einheit (10) und den entlang der Führung (11) angeordneten passiven Antriebselementen (14).A relatively low-speed drive of the unit ( 10 ) takes place by means of the active drive elements ( 13 ) on the unit ( 10 ) and along the guide ( 11 ) arranged passive drive elements ( 14 ).

Eine Zusatzachse (20) zur hoch beschleunigbaren Bewegung des Laserschneidkopfes (21), enthält Führungen (22) als auch Antriebe (23) zur Bewegung des Laserschneidkopfes (21) in X-Richtung.An additional axis ( 20 ) for high-speed movement of the laser cutting head ( 21 ), contains guides ( 22 ) as well as drives ( 23 ) for moving the laser cutting head ( 21 ) in X direction.

Details des erfindungsgemäß eingerichteten Laserschneidkopfes (21) zeigt 3.Details of the laser cutting head according to the invention ( 21 ) shows 3 ,

Die Zusatzachse (20) wird mittels der Führungselemente (15) auf der Einheit (10) geführt und mittels der Antriebe (16), als hoch beschleunigbares Antriebssystem, gegenüber dem äußeren Teil der besagten Einheit (10) angetrieben, der, in dieser besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung, auch als Ausgleichsmasse zur Impulsentkopplung genutzt wird.The additional axis ( 20 ) is by means of the guide elements ( 15 ) on the unit ( 10 ) and by means of the drives ( 16 ), as a high-speed drive system, opposite the outer part of said unit ( 10 ), which, in this particularly preferred embodiment of the invention, is also used as a balancing mass for pulse decoupling.

Die Beschleunigungsrückwirkung aus der Bewegung des Laserschneidkopfes (21) entlang der Führungen (22) durch die Antriebe (23) innerhalb der Zusatzachse (20), wird in dieser besonderen Ausführungsvariante über besagte Führungselemente (15) auf den äußeren Teil der Einheit (10) übertragen, und von Ausgleichsmassen (24) kompensiert, die entlang der Führungen (25) mittels Antrieben (26) bewegbar sind.The acceleration feedback from the movement of the laser cutting head ( 21 ) along the guides ( 22 ) by the drives ( 23 ) within the additional axis ( 20 ), is in this particular embodiment via said guide elements ( 15 ) on the outer part of the unit ( 10 ), and of balancing masses ( 24 ) compensated along the guides ( 25 ) by means of drives ( 26 ) are movable.

Zur besseren Erkennbarkeit sind die hier vorzugsweise aktiven Anteile der Antriebe (16) und (26) zusätzlich auf der Außenseite der Einheit (10) dargestellt.For better visibility, the here preferably active portions of the drives ( 16 ) and ( 26 ) additionally on the outside of the unit ( 10 ).

Eine tiefergehende Erklärung zu den Details und weitere bevorzugte Alternativen solcher und ähnlicher Zusatzachskonfigurationen, können den schon zuvor zum Stand der Technik aufgeführten internationalen Patentanmeldungen PCT/DE 2010/001037 und PCT/DE 2010/001038 entnommen werden.A more detailed explanation of the details and other preferred alternatives of such and similar additional axle configurations may be found in the prior art international patent applications PCT / DE 2010/001037 and PCT / DE 2010/001038 be removed.

Dort wird ausführlich gezeigt, wie mittels Impulsausgleich und/oder Impulsentkopplung leistungsfähige Zusatzachskonfigurationen realisierbar sind, die sich somit besonders als Grundlage für eine erfindungsgemäße Einrichtung eignen.There is shown in detail how powerful Zusatzachskonfigurationen can be realized by means of pulse compensation and / or pulse decoupling, which are thus particularly suitable as a basis for a device according to the invention.

Im vorliegenden Beispiel wurde eine Variante gewählt, in der eine niedrige Masse des Laserschneidkopfes (21) besonders zum Tragen kommt, indem auf einen inneren Impulsausgleich der Zusatzachseneinheit (20) verzichtet wird, und somit eine besonders hohe Beschleunigung und Nutzung des impulsentkoppelten Bewegungsspielraumes der Zusatzachseneinheit (20) entlang der Y-Achse innerhalb der Einheit (10), entsprechend PCT/DE 2010/001038 erzielt wird.In the present example, a variant was chosen in which a low mass of the laser cutting head ( 21 ) is particularly noticeable by applying to an internal impulse compensation of the auxiliary axis unit ( 20 ) is omitted, and thus a particularly high acceleration and use of the pulse-decoupled range of motion of the additional axis unit ( 20 ) along the Y-axis within the unit ( 10 ), corresponding PCT / DE 2010/001038 is achieved.

Entsprechend PCT/DE 2010/001037 erfolgt dann ein Impulsausgleich zur Beschleunigung des Laserschneidkopfes (21) auf der die Zusatzachse (20) tragenden Einheit (10).Corresponding PCT / DE 2010/001037 then a pulse compensation for acceleration of the laser cutting head ( 21 ) on which the additional axis ( 20 ) carrying unit ( 10 ).

Der Bewegungsspielraum für den hochbeschleunigbaren Antrieb in Y-Richtung beträgt etwa 27 cm, der jedoch gegenüber dem festen Koordinatensystem der Maschine durch die entgegengesetzte Bewegung von Nutzlast und Ausgleichsmasse, die hier als das etwa 3 fache der Nutzlast angenommen sei, auf etwa 20 cm begrenzt wird.The range of motion for the highly acceleratable Y-direction drive is about 27 cm, but is limited to about 20 cm from the machine's fixed coordinate system by the opposite movement of payload and balancing mass, which is assumed to be about 3 times the payload ,

Die Zusatzachse (20) verfügt in X-Richtung über einen Bewegungsspielraum von etwa 24 cm, der ohne Abstriche auch effektiv verfügbar ist, womit unter Anwendung der bekannten Auslegungsregeln, für beide Achsen eine weitgehend konstante Schneidgeschwindigkeit von bis zu 100 m/min nutzbar ist und, vorzugsweise unter Verwendung leistungsfähiger Lineardirektantriebe, in Verbindung mit erfindungsgemäß massearmen Laserschneidköpfen, in beiden Achsen Beschleunigungen von bis zu etwa 150 m/s² erzielbar sind.The additional axis ( 20 ) has a range of motion in the X direction of about 24 cm, which is also effectively available without compromise, which, using the known design rules, a largely constant cutting speed of up to 100 m / min is available for both axes and, preferably using powerful linear direct drives, in conjunction with the invention low-mass laser cutting heads, accelerations of up to about 150 m / s ^{2 can be} achieved in both axes.

Mit besonders starken, dann auch relativ kostspieligeren, Permanentmagneten auf der jeweils bewegten Antriebsseite, eisenlosen Spulen auf der aktiven Antriebsseite sowie weitgehender Kohlefaserverbundbauweise der Zusatzachse (20) und eines erfindungsgemäßen Laserschneidkopfes (21), dürften auch Beschleunigungen von über 200 m/s² erzielbar sein.With particularly strong, then relatively expensive, permanent magnets on the respective moving drive side, ironless coils on the active drive side and extensive carbon fiber composite construction of the additional axis ( 20 ) and a laser cutting head according to the invention ( 21 ), accelerations of more than 200 m / s ^{2 should be} achievable.

In diesem Beispiel wird dem Laserschneidkopf (21) durch einen planen Umlenkspiegel (29) ein Laserstrahl zugeführt, der durch eine Kollimationseinheit (28) zuvor aufgeweitet und parallel ausgerichtet wurde. Besagter Kollimationseinheit (28) wird der Laserstrahl durch ein Lichtleiterkabel zugeführt, das aus einer Laserquelle, beispielsweise einem Faserlaser, gespeist wird, die sich im besagten Geräteschrank (4) befindet.In this example, the laser cutting head ( 21 ) by a plane deflecting mirror ( 29 ) is supplied by a collimating unit ( 28 ) previously expanded and aligned in parallel. Said collimation unit ( 28 ), the laser beam is supplied through an optical fiber cable, which is fed from a laser source, for example a fiber laser, which is located in said equipment cabinet ( 4 ) is located.

Durch eine derartige Aufteilung der optischen Elemente ergeben sich wesentliche Vorteile:

a. Der Schneidkopf (21) ist massearm und daher schon mit relativ geringer Antriebskraft hoch beschleunigbar.
b. Die Zuführung des Lichtleiterkabels zur Kollimationseinheit (28) ist nicht den extremen Beschleunigungen des Schneidkopfes (21) und der Zusatzachse (20) ausgesetzt.
c. Durch Integration aller strahllenkenden Bauteile in die Einheit (10) wird dennoch eine hohe Genauigkeit der relativen Ausrichtung ermöglicht.

By such a division of the optical elements, there are significant advantages:

a. The cutting head ( 21 ) is low in mass and therefore highly accelerated even with relatively low driving force.
b. The supply of the optical fiber cable to the collimation unit ( 28 ) is not the extreme Accelerations of the cutting head ( 21 ) and the additional axis ( 20 ) exposed.
c. By integrating all beam directing components into the unit ( 10 Nevertheless, a high accuracy of the relative orientation is possible.

Um eine Anpassung des Fokuspunktes an das zu bearbeitende Material auf dem Wechseltisch im Arbeitsraum (6) zu ermöglichen, ist in diesem Beispiel eine parallele Höhenverstellung sowohl für des Spiegel innerhalb des Laserschneidkopfes (21) als auch für die Kollimationseinheit (28) vorgesehen, die durch einen doppelte Line am unteren Rand dieser Elemente in 2 angedeutet ist.To adapt the focus point to the material to be processed on the shuttle table in the work space ( 6 ) in this example is a parallel height adjustment both for the mirror inside the laser cutting head ( 21 ) as well as for the collimation unit ( 28 ) provided by a double line at the bottom of these elements 2 is indicated.

Details hierzu werden zu 3 Laserschneidkopf (21) erläutert und gelten sinngemäß auch für die Kollimationseinheit (28).Details will be added 3 Laser cutting head ( 21 ) and apply mutatis mutandis to the collimation unit ( 28 ).

Der plane Umlenkspiegel (29) ist vorzugsweise nicht bewegbar, sondern in der Höhe der nutzbaren Spiegelfläche angepaßt.The plane deflecting mirror ( 29 ) is preferably not movable, but adapted in the height of the usable mirror surface.

Eine besonders bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen Laserschneidkopfes (21) wird abschließend, in 3, als schematisierter Schnitt in der X/Z-Ebene dargestellt.A particularly preferred variant of a laser cutting head according to the invention ( 21 ) will conclude, in 3 , shown as a schematic section in the X / Z plane.

Einige für die Erläuterung der Erfindung nicht oder kaum interessanten Elemente wurden hier bewusst nicht dargestellt, sind aber der Grund für Freiräume in der Darstellung, die somit zu entsprechenden Anpassungen der dargestellten Elemente führen können.Some elements not or hardly interesting for the explanation of the invention have not been deliberately shown here, but are the reason for clearances in the illustration, which can thus lead to corresponding adaptations of the illustrated elements.

Der Laserschneidkopf besteht aus drei zueinander beweglichen Einheiten; dem in der X-Achse geführten und in der Z-Achse unbeweglichen Hauptteil (31), an dem oben ein in der Z-Achse bewegbares Spiegelgehäuse (33) und unten eine unabhängig vom Spiegelgehäuse (33) in der Z-Achse bewegbare Schneiddüse (41) angebracht sind. Diese Einheiten sind so aneinander angepasst geformt und derart abgedichtet, beispielsweise mittels nicht dargestellter Dichtwülste an den Übergangskanten, dass sie ein gemeinsames Gehäuse bilden, durch das Luft oder andere reaktionsarme und für die jeweilige Wellenlänge des Laserstrahls (30) ausreichend optisch neutrale Gase, auch unter einem Druck von einigen Bar, zur Schneiddüse (41) geführt werden kann.The laser cutting head consists of three mutually movable units; the main part guided in the X-axis and immovable in the Z-axis ( 31 ), at the top of a movable in the Z-axis mirror housing ( 33 ) and below one independent of the mirror housing ( 33 ) in the Z-axis movable cutting nozzle ( 41 ) are mounted. These units are shaped and sealed to each other in such a way, for example by means not shown sealing beads at the transition edges that they form a common housing, by the air or other low-response and for the respective wavelength of the laser beam ( 30 ) sufficiently optically neutral gases, even under a pressure of a few bar, to the cutting nozzle ( 41 ) can be performed.

Wie schon zur 2 angedeutet, ist das Spiegelgehäuse (33) um etwa ±5 mm in der Z-Achse gegenüber dem Hauptteil (31) bewegbar.Like already to 2 indicated, the mirror housing ( 33 ) by about ± 5 mm in the Z axis with respect to the main part ( 31 ) movable.

Die Lager und Führungen (32), zwischen der rohrartigen Verlängerung (39) des Spiegelgehäuses (33) und dem Hauptteil (31) dienen diesem Zweck.The bearings and guides ( 32 ), between the tubular extension ( 39 ) of the mirror housing ( 33 ) and the main part ( 31 ) serve this purpose.

Entweder in diese Elemente mindestens teilweise integriert, beispielsweise als linearer Antrieb mit relativ hohem Haltemoment, oder separat, vorzugsweise an die rohrartige Verlängerung des Spiegelgehäuses (39) angreifend, ist ein Antrieb hierfür vorgesehen. Die Ansprüche an diesen Antrieb sind bezüglich der Dynamik eher gering, da, im Gegensatz zu sehr hoch beschleunigten Bewegungen in der X/Y-Ebene, bei nahezu allen denkbaren Anwendungen in der Z-Achse, nur relativ geringe Beschleunigungen notwendig sind.Either at least partially integrated in these elements, for example as a linear drive with a relatively high holding torque, or separately, preferably to the tubular extension of the mirror housing ( 39 ), a drive is provided for this purpose. The demands on this drive are rather low in terms of dynamics, since, in contrast to very high accelerated movements in the X / Y plane, almost all conceivable applications in the Z-axis, only relatively small accelerations are necessary.

Der Laserstrahl (30) tritt senkrecht durch ein Fenster (34), vorzugsweise einer Quarzscheibe, in besagtes Gehäuse ein, so dass denkbare Qualitätsminderungen des Laserstrahls durch Medienübergänge minimiert werden.The laser beam ( 30 ) passes vertically through a window ( 34 ), preferably a quartz disk, in said housing, so that conceivable quality reductions of the laser beam are minimized by media transitions.

Der konkave Umlenkspiegel (35) ist vorzugsweise asphärisch, für eine besonders hohe Fokussierungsqualität und Minimierung von Abweichungen bei Auslenkungen, geformt.The concave deflection mirror ( 35 ) is preferably aspherical, for a particularly high focussing quality and minimizing deviations in deflections.

Besagte Auslenkungen werden in diesem Beispiel durch, um insgesamt etwa 1 mm auslenkbare sowie präzise und hochdynamisch steuerbare, Tauchspulenantriebe (37) erzeugt, die in 3 nur für die Bewegung der Wirkpunktes in X-Richtung, innerhalb Wirkraums (48), dargestellt sind.Said deflections are in this example by, about 1 mm deflectable as well as precise and highly dynamic controllable, immersion coil drives ( 37 ) generated in 3 only for the movement of the action point in the X-direction, within the effective space ( 48 ) are shown.

Besagte Antriebe (37) werden einerseits mit dem Spiegelträger (36) und andererseits mit dem Spiegelgehäuse (33) vorzugsweise derart gerichtet elastisch verbunden und so angesteuert, dass sich, bei besagten geringen Auslenkungen, eine quasi-kardanische Aufhängung des Umlenkspiegels (35) ergibt.Said drives ( 37 ) are on the one hand with the mirror carrier ( 36 ) and on the other hand with the mirror housing ( 33 ) preferably so elastically connected and so controlled that, at said small deflections, a quasi-cardanic suspension of the deflecting mirror ( 35 ).

Insgesamt ergibt sich somit für die hier dargestellte Beispielanwendung der Erfindung in den Hauptbewegungsachsen X und Y eine dreifach redundant überlagerte Bewegung des Laserstrahls am Wirkpunkt (40), wobei

1. Basisachsen durch niedrig beschleunigte Bewegung, von maximal etwa 10 bis 15 m/s², der Einheiten (3) und (10) im gesamten Arbeitsraum,
2. Zusatzachsen durch höher beschleunigte Bewegung, von bis zu etwa 150 m/s², innerhalb der Einheit (10) in einem beweglichen Quadrat von etwa 20 × 20 cm, und
3. eine Strahlablenkung mittels Umlenkspiegel (35) durch am Wirkpunkt (40) erzielbare Höchstbeschleunigungen von bis zu etwa 1000 m/s², in einem Quadrat von etwa 12 × 12 mm, realisiert werden.

Overall, therefore, results for the example application of the invention shown here in the main axes of motion X and Y a triple redundant superimposed movement of the laser beam at the point of action ( 40 ), in which

1. basic axes by low accelerated movement, of a maximum of about 10 to 15 m / s ² , of units ( 3 ) and ( 10 ) throughout the workspace,
2. additional axes by higher accelerated movement, up to about 150 m / s ² , within the unit ( 10 ) in a movable square of about 20 × 20 cm, and
3. a beam deflection by means of deflection mirrors ( 35 ) by at the point of action ( 40 ) achievable maximum accelerations of up to about 1000 m / s ² , in a square of about 12 × 12 mm, realized.

Durch einen stabilen Aufbau, insbesondere der gesamten Einheit (10), und Anwendung schneller Laserinterferometrie zwischen Spiegelgehäuse (33) oder Hauptteil (31) und Spiegelträger (36), kann eine zugleich extrem dynamische und genaue Führung des fokussierten Laserstrahls (30) im Wirkpunkt (40) erzielt werden.Due to a stable structure, in particular the entire unit ( 10 ), and application of fast laser interferometry between mirror housings ( 33 ) or body ( 31 ) and mirror supports ( 36 ), can a simultaneously extremely dynamic and accurate guidance of the focused laser beam ( 30 ) at the point of action ( 40 ) be achieved.

Durch eine leicht entfernbare Abdeckung (38) über dem Spiegel (35), kann dieser leicht vom Spiegelträger (36) abgenommen werden. Die Kühlung des Spiegels (35) erfolgt ebenfalls über den Spiegelträger.With an easily removable cover ( 38 ) above the mirror ( 35 ), this can easily from the mirror carrier ( 36 ) are removed. The cooling of the mirror ( 35 ) also takes place via the mirror carrier.

Die Zuführung des Schneidgases zum Wirkraum (48) erfolgt über die Schneiddüse (41), die ähnlich wie das Spiegelgehäuse (33) gegenüber dem Hauptteil (31) bewegbar ist.The supply of the cutting gas to the active space ( 48 ) via the cutting nozzle ( 41 ), similar to the mirror housing ( 33 ) in relation to the main part ( 31 ) is movable.

Die Lager und Führungen (42), zwischen der Schneiddüse (41) und dem Hauptteil (31) dienen diesem Zweck. Es gibt jedoch auch wesentliche Unterschiede, einerseits bezüglich der Genauigkeitsanforderungen, die hier relativ niedrig sind, da eine Bewegung unterhalb des Millimeterbereiches in den meisten Anwendungen kaum eine Auswirkung hat, aber andererseits auch ein weitaus größerer Bewegungsspielraum von einigen cm sinnvoll ist. So bietet es sich hier an, auch wegen des hohen Haltemomentes, einen einfachen linearen Schrittmotorantrieb, entweder mindestens teilweise integriert in Elemente der Lager und Führungen (42) oder separat zwischen Schneiddüse (41) und Hauptteil (31), vorzusehen.The bearings and guides ( 42 ), between the cutting nozzle ( 41 ) and the main part ( 31 ) serve this purpose. However, there are also significant differences, on the one hand with respect to the accuracy requirements, which are relatively low here, since a movement below the millimeter range in most applications has little effect, but on the other hand also a much greater range of motion of a few cm makes sense. So it makes sense here, also because of the high holding torque, a simple linear stepper motor drive, either at least partially integrated in elements of the bearings and guides ( 42 ) or separately between cutting nozzle ( 41 ) and main part ( 31 ).

In diesem Beispiel ist ein Bewegungsspielraum von 30 mm in der Z-Achse vorgesehen, um bei ausgeschalteter Laserquelle, beispielsweise für Materialwechsel, einen ausreichenden Abstand zwischen Schneiddüse (41) und Wechseltisch erzielen zu können.In this example, a range of motion of 30 mm in the Z-axis is provided in order to keep the laser source switched off, for example, for material change, a sufficient distance between the cutting nozzle ( 41 ) and changing table to be able to achieve.

Die in 3 gezeigte Schneiddüse (41) setzt sich, neben ihrem fest eingebauten Hauptteil, aus zwei weiteren austauschbaren Elementen zusammen.In the 3 shown cutting nozzle ( 41 ) is made up of two further interchangeable elements in addition to its permanently installed main body.

An dem Hauptteil ist unmittelbar ein Adapter (44) angebracht, der das Düsenende (45) trägt. Der Adapter (44) dient dazu, den Strömungsverlauf des Schneidgases passend zur jeweiligen Anwendung und dem hierfür notwendigen Querschnitt am Düsenende (45) zu beeinflussen und stellt zugleich eine möglichst sichere und dennoch schnell handhabbare Verbindung zum Düsenende (45) her, das vorzugsweise als kostengünstiges Austauschteil ausgebildet sein sollte, um Kosten durch Verschleiß und Schäden zu minimieren, die überwiegend nahe des Wirkpunktes (40) auftreten.At the main part is directly an adapter ( 44 ) attached to the nozzle end ( 45 ) wearing. The adapter ( 44 ) serves the flow pattern of the cutting gas suitable for the particular application and the necessary cross-section at the nozzle end ( 45 ) and at the same time provides a connection that is as secure as possible, yet quick to handle, to the end of the nozzle ( 45 ), which should preferably be designed as a cost-effective replacement part in order to minimize costs due to wear and damage, which are predominantly close to the point of action ( 40 ) occur.

Selbstverständlich muss besagtes Düsenende (45) zum jeweiligen Adapter (44) passend gestaltet sein.Of course, said nozzle end ( 45 ) to the respective adapter ( 44 ) be designed appropriately.

Der Bedarf für unterschiedliche Düsenquerschnitte über dem Wirkraum (48) kann sich beispielsweise daraus ergeben, dass je nach Anwendung das Arbeitsfeld, das durch Bewegung des Spiegels (35) im Wirkraum (48) maximal erreichbar ist, nicht ausgenutzt werden muss und somit der Gasverbrauch durch einen engeren Düsenquerschnitt vermindert werden kann.The need for different nozzle cross-sections above the effective space ( 48 ) can result, for example, from the fact that, depending on the application, the working field generated by movement of the mirror ( 35 ) in the active space ( 48 ) is maximally achievable, does not need to be exploited and thus the gas consumption can be reduced by a narrower nozzle cross-section.

Darüber hinaus kann durch weitere Ausgestaltungen des Adapters (44) erreicht werden, dass auch Hilfsmedien, zumindest zusätzlich, zum Schneiden eingesetzt werden können, die das Gehäuse des Laserschneidkopfes (21) nicht ohne Fehler oder Schäden zu verursachen, durchströmen können.In addition, by further embodiments of the adapter ( 44 ) can be achieved that auxiliary media, at least in addition, can be used for cutting, the housing of the laser cutting head ( 21 ) can not flow through without error or damage.

Dies gilt analog auch für das Düsenende (45), wo derartige Ausgestaltungen vorzugsweise dann vorgesehen sein können, wenn ein sinnvolles oder notwendiges Hilfsmedium, zwangsläufig oder mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zu einem hohen Verschleiß oder Schäden an einem aufwendiger zu fertigenden und/oder auzutauschenden Adapter (44) führen würden.This also applies analogously to the nozzle end ( 45 ), where such embodiments may preferably be provided when a useful or necessary auxiliary medium, inevitably or with high probability to high wear or damage to a complex to be manufactured and / or auzutauschenden adapter ( 44 ) would lead.

Auch sensorische Elemente können in alle Teile der Schneiddüse (41) integriert sein.Sensory elements can also be used in all parts of the cutting nozzle ( 41 ) be integrated.

Gegenüber hoch beschleunigten Strahlablenkungen mittels schwenkbarer Spiegel, bei denen der Strahl durch eine aufwendige Optik zum Wirkpunkt umgelenkt und fokussiert wird, fallen die Vorzüge der hier beispielhaft schrittweise dargestellten Variante ins Auge, da derartige Strahlablenkungen für die Schneiddüse dennoch einen eigenen Antrieb benötigen, der entweder keine besonders flexible Anpassung der Schneiddüse an die jeweiligen Anwendungen erlaubt, oder, schon ohne besagte optischen Elemente, ähnlich aufwendig wird wie diese beispielhafte Ausführung, so dass der Einsatz aufwendiger und empfindlicher optischer Elemente, wie dort benötigt, angesichts des vorliegenden Beispieles als eher unwirtschaftlich erscheint, zumal besagte optischen Elemente den Bewegungsspielraum entsprechender Achsen, durch einen nahezu exponentiell mit den Abmessungen steigenden Aufwand, stark einschränken. Ein Einsatz derartiger Optiken ist erfindungsgemäß aber grundsätzlich möglich, wie schon zuvor in der Beschreibung ausgeführt.Compared with highly accelerated beam deflections by means of pivotable mirrors, in which the beam is deflected by an elaborate optics to the point of action and focus, the advantages of the example here stepwise illustrated variant in the eye, since such beam deflections for the cutting nozzle still need their own drive, either no allows particularly flexible adaptation of the cutting nozzle to the respective applications, or, even without said optical elements, is similar consuming as this exemplary embodiment, so that the use of complex and sensitive optical elements, as needed there, in view of the present example seems rather uneconomical, Especially as said optical elements greatly restrict the range of motion of corresponding axes, by an exponentially increasing with the dimensions effort. An application of such optics according to the invention but in principle possible, as stated earlier in the description.

Die Erfindung ermöglicht durch Einführung einer dritten Redundanzstufe in der Bewegung des Strahls und erfindungsgemäße Gestaltung der Einrichtung zur Zuführung von Hilfsmedien, gegenüber dem Stand der Technik eine weitaus höhere Beschleunigung der Bewegung des Wirkpunktes, bei weitgehender Konstanz der für eine Strahlwirkung wesentlichen Parameter und zugleich hoher Flexibilität in der Anpassbarkeit bezüglich unterschiedlichen Anwendungserfordernissen.By introducing a third stage of redundancy in the movement of the jet and inventive design of the device for supplying auxiliary media, the invention allows a much higher acceleration of the movement of the point of action, while maintaining the essential parameters for a beam effect and at the same time high flexibility in adaptability to different application needs.

Die Erfindung ist auch in Einrichtungen vorteilhaft einsetzbar, in denen der Wirkpunkt gegenüber einem Werkteil vorzugsweise nicht kontinuierlich sondern von Punkt zu Punkt bewegt wird, wenn hohe Geschwindigkeiten bei zugleich minimaler Schwingungsanregung der Maschinenstrukturen erzielt werden sollen, beispielsweise um besonders präzise punktförmige Bearbeitungen bei hohem Durchsatz auszuführen. The invention can also be used advantageously in installations in which the point of action relative to a work piece is preferably not moved continuously but point-to-point, when high speeds are to be achieved with at the same time minimal vibration excitation of the machine structures, for example in order to carry out particularly precise punctiform machining operations at high throughput ,

Leicht ersichtlich ist, dass die Erfindung vorteilhaft für eine Vielzahl kaum abschließend aufzählbarer Anwendungen einsetzbar ist, in einer für den Fachmann jeweils leicht erkennbar abwandelbaren Form.It can easily be seen that the invention can be advantageously used for a multitude of scarcely enumerable applications, in a form that can be easily modified by a person skilled in the art.

Die Art der Basisachsen von Maschinen, die entsprechend der Erfindung realisierbar sind, können sehr vielfältig sein.The type of base axes of machines that can be realized according to the invention can be very diverse.

Sowohl Systeme mit bewegten Portalen, fahrbaren oder schwenkbaren Ständern, mit feststehendem oder bewegbarem Material, als auch verschiedene auf Drehgelenken basierende Kinematiken, wie beispielsweise sechsachsige Industrieroboter oder beliebige parallelkinematische Konfigurationen können die Basisachsen bilden.Both systems with moving gantries, mobile or pivoting uprights, with fixed or movable material, as well as various pivot-based kinematics, such as six-axis industrial robots or any parallel kinematic configurations can form the base axes.

Erfindungsgemäße Zusatzachsen zur Bewegung des Endeffektors können vorteilhaft sowohl von einem feststehenden Gestell gegenüber einem bewegten Werkstück oder von jeder sonstigen zur relativ langwegigen Bewegung gegenüber dem Werkstück geeigneten Basis getragen werden.Additional axes according to the invention for moving the end effector can advantageously be carried by a fixed frame in relation to a moving workpiece or by any other base suitable for relatively long-distance movement relative to the workpiece.

Angetrieben werden die Basisachsen gewöhnlich durch Direktantriebe in Form von Linearantrieben, Hohlwellenmotoren, Zahnstangentriebe oder mittels Kugelgewindespindeln. Je nach anwendungspezifischen Anforderungen, benötigtem Bewegungsspielraum der Gesamtmaschine und zu bewegenden Massen könne auch andere elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch wirksame Antriebe erfindungsgemäß genutzt werden.The basic axes are usually driven by direct drives in the form of linear drives, hollow shaft motors, rack and pinion drives or ball screw spindles. Depending on application-specific requirements, required range of motion of the entire machine and moving masses, other electrically, hydraulically or pneumatically active drives can be used according to the invention.

Beispielsweise eine Werkzeugmaschine kann erfindungsgemäß für den Schiff- oder Flugzeugbau zum Bearbeiten größter Bauteile in höchster Detailkomplexität vorteilhaft konzipiert werden, oder für eher alltägliche Dimensionen, beispielsweise in der Größe von Autokarosserien, Waschmaschinen oder Platinen für elektronischen Schaltungen, bis hinunter in die Dimensionen von wenigen Millimetern, für die Abmessungen eines zu bearbeitenden Werkstückes in der Mikrosystemtechnik oder Elektronik, wie beispielsweise in der Produktion von Solarzellen.For example, a machine tool according to the invention can advantageously be designed for shipbuilding or aircraft construction for processing the largest components in the highest detail complexity, or for more common dimensions, for example in the size of car bodies, washing machines or circuit boards for electronic circuits, down to the dimensions of a few millimeters , for the dimensions of a workpiece to be machined in microsystems technology or electronics, such as in the production of solar cells.

Die Grundproblematik – die Größe eines möglichst ununterteilten Arbeitsraumes im Verhältnis zu den zu berücksichtigenden Details einerseits und immer höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei zugleich hoher Genauigkeit, nimmt tendenziell immer mehr zu und damit zugleich der Bedarf für höchstmögliche Beschleunigungen. Dies ermöglicht die Erfindung in höherem Maße als es nach dem bisherigen Stand der Technik für Bearbeitungsmaschinen mit Zusatzachsen möglich war.The basic problem - the size of an undivided working space in relation to the details to be considered on the one hand and ever higher processing speeds with high accuracy, tends to increase more and more and at the same time the need for the highest possible accelerations. This allows the invention to a greater extent than was possible in the prior art for processing machines with additional axes.

Bearbeitungsmethoden für die sich eine erfindungsgemäße Maschine besonders eignet, sind das Schweißen, Schneiden, Gravieren, Markieren, Aufbringen von komplexen Konturen und Strukturen auf Materialien, wie Blech, Kunststoff, Glas, Keramik, Holz und Textilien. Ebenso ist das Rapid Prototyping eine geeignete Anwendung, insbesondere Verfahren in denen Schichten zugeschnitten, Material kleinräumig aufgetragen wird oder aus sonstigen Gründen mit einer im wesentlichen senkrecht zum Material ausgerichteten Energie- oder Materialeinbringung gearbeitet werden muss.Machining methods for which a machine according to the invention is particularly suitable are the welding, cutting, engraving, marking, application of complex contours and structures to materials such as sheet metal, plastic, glass, ceramics, wood and textiles. Likewise, rapid prototyping is a suitable application, in particular processes in which layers are cut, material applied on a small scale or, for other reasons, must be worked with an energy or material introduction oriented essentially perpendicular to the material.

Ferner sind das präzise Bearbeiten kleinster Strukturen oder das präzise Auf- und Abtragen feinster Details mit hoher Geschwindigkeit genauso mögliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung, wobei diese nur als Beispiele zu verstehen sind und keine in irgend einer Weise abschließende Aufzählung von Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung darstellen sollen.Furthermore, the precise machining of minute structures or the precise application and removal of fine details at high speed are just as possible applications of the present invention, these being to be understood only as examples and not in any way exhaustive enumeration of applications of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims

Device for highly dynamic movement of the point of action of a beam (IR-UV) as part of a movement device ( 1 . 2 . 3 . 10 ) for the coordinated movement of the point of action ( 40 ) of said beam and a device ( 41 ) for supplying an auxiliary medium at said point of action ( 40 ), within a workspace ( 6 ), wherein said movement device consists of an arbitrary configuration of translationally or rotationally redundantly effective base and auxiliary axes in at least one movement direction, characterized in that at least for one beam-directing element ( 28 . 29 . 35 ) on the path of the beam from the beam source to the point of action ( 40 ), a short-range, highly acceleratable drive option ( 37 ) is provided, the additional movement of the beam at the point of action ( 40 ), in at least one axial direction, transversal to the beam direction at the point of action ( 40 ) and said institution ( 41 ) is designed for supplying an auxiliary medium such that the beam at the point of action ( 40 ) a suitable range of motion as effective space ( 48 ), for movement through said short-range and highly acceleratable drive possibility ( 37 ), having.

Device according to claim 1, characterized in that said short-range, highly acceleratable drive possibility ( 37 ), either a translatory rotational or a combined movement of a said beam directing element ( 28 . 29 . 35 ) causes said additional movement of the beam in the active space ( 48 ).

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that said beam directing elements ( 28 . 29 . 35 ), which is a short-circuit, high-speed drive option ( 37 ), both may be those elements that would also be present without inventive design and are equipped with said drive option, or those elements which are additionally provided to a beam deflection at said point of action ( 40 ), transversal to the beam direction.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that said beam deflection exclusively by means of reflective and as close as possible to the point of action befindlicher elements ( 35 . 29 ) is provided.

Device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a said short-path, highly acceleratable drive ( 37 ) in the last reflective beam steering element ( 35 ) is provided in the beam path.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that said device, in relation to the beam direction, in front of a correspondingly adapted focusing optics, a deflection mirror with said short-stroke and high-acceleration drive ( 37 ) having.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that said device, with respect to the beam direction, as the last focusing element involved in the focusing or single focusing element, a correspondingly shaped deflection mirror ( 35 ) with said short-stroke and high-acceleration drive ( 37 ) having.

Device according to claims 1 to 5, characterized in that, in relation to the beam direction, in front of a unit of telecentric focusing optics and one or more deflecting mirrors which allow deflection of the beam across the effective area of said focusing optics, a beam directing element ( 28 . 29 ) with said short-stroke and high-acceleration drive ( 37 ) is provided.