AT391289B - Bearbeitungsmaschine, wie brennschneidemaschine od. dgl. - Google Patents

Description

Nr. 391 289

Die Erfindung bezieht sich auf eine programmgesteuerte Bearbeitungsmaschine, wie Brennschneidemaschine od. dgl., unter Verwendung von Laserstrahlen, die zum dreidimensionalen Schneiden im wesentlichen aus einer auf C02*Basis beruhenden Laserquelle mit Laserdüse und aus Umlenkmitteln für den Laserstrahl zu dem jeweils voiprogrammierbar zu behandelnden, z. B. zu beschneidenden Werkstück besteht, wobei die Maschine in bezug auf das jeweilige, auf einer programmgesteuerten Aufspannvorrichtung ruhende Werkstück mehr als drei Freiheitsgrade aufweist.

Programmgesteuerte Bearbeitungsmaschinen, die mit Laserstrahlen arbeiten, sind aus der modernen Fertigungstechnik nicht mehr wegzudenken. Bei der Weiterentwicklung hat es sich allerdings herausgestellt, daß es beim Beschneiden von z. B. räumlich unregelmäßigen Werkstücken unerläßlich ist, daß der Laserstrahl stets senkrecht auf die jeweils zu schneidende Stelle bzw. Fläche trifft. Für die Praxis bedeutet dies, daß recht umständliche und daher teure Vorrichtungen und/oder elektronische Steuerungen vorgesehen werden müssen. Diese unabdingbare Forderung hat es auch mit sich gebracht, daß stetige Weiterentwicklungen eingesetzt haben, die in aller Regel aber mit erheblichen Unkosten verbunden waren und dennoch zu keinen allen Anforderungen genügenden Ergebnissen führten.

Bei der in der DE-OS 3 011 244 offenbarten Bauart ist zwar ein dreidimensionales Schneiden möglich, es fehlt aber jeder Hinweis, der Aufschluß darüber gibt, wie man ein senkrechtes Auftreffen des Laserstrahls auf das Werkstück ohne eine aufwendige Nachlaufsteuerung erreichen könnte. Die US-PS 4 326118 offenbart zwar auch ein Gerät, das mit Laserstrahlen arbeitet, jedoch handelt es sich hiebei um eine völlig andere Konstruktion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das senkrechte Auf treffen des Laserstrahles auf das Werkstück mit einfachen und wirtschaftlichen Mitteln zu erreichen, d. h. daß das durch Änderung des für das senkrechte Auftreffen des Laserstrahles notwendigen Orientierungswinkels sich ergebende Verlassen der Schneidbahn od. dgl. der Düse und die dadurch erforderlich werdende Nachlaufsteuerung mit erheblichen Beschleunigungen, komplizierten Programmen, Verlusten an Zeit usw. vermieden werden sollen. Trotz der angestrebten wirtschaftlichen Bauart soll darüber hinaus bei einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit eine hohe Funktionsfähigkeit und eine lange Lebensdauer gegeben sein.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Kombination nachstehender Merkmale, daß die Laserdüse zusammen mit allen übrigen der Bearbeitungsmaschine angehörigen Laserstrahl-Führungselementen um eine erste Achse und zusammen mit den selbsttragenden, um eine zweite, die erste Achse senkrecht schneidende Achse drehbar angeordneten Endelementen der Laserstrahlführung verschwenkbar ist, daß die Seelenachse der Laserdüse mit der zweiten Achse einen Winkel bildet und der Schnittpunkt der Seelenachse sich im Schnittpunkt der ersten mit der zweiten Achse befindet und daß der Brennpunkt des Laserstrahls im Schnittpunkt der drei Achsen angeordnet ist und die Aufspannvorrichtung dreidimensional bewegbar ist.

Durch diese Maßnahmen werden die sonst erforderlichen Nachlaufsteuerungen mit ihren erheblichen Beschleunigungen, die komplizierten Programme, die Verluste an Zeit und sonstige Nachteile tatsächlich vermieden. Außerdem ist eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit gegeben, da die erforderlichen Freiheitsgrade nicht allein auf der Laserseite vorgesehen sind, d. h., nur zwei Freiheitsgiade liegen laserseitig, während die anderen Achsen dem zu bearbeitenden Werkstück, d. h. dem Aufspanntisch zugeordnet sind. Dies hat auch zur Folge, daß eine hohe Funktionsfähigkeit und eine lange Lebensdauer gegeben erscheint.

Um die Vorteile der universalen Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine noch zu vertiefen, wird nach der Erfindung ferner vorgeschlagen, daß die dreidimensional bewegbare Aufspannvorrichtung mit einem ebenfalls programmierbaren Aufnahmedrehtisch ausgestattet ist.

Im Hinblick auf die bei derartigen Maschinen stets anzustrebende Sicherheit wird nach der Erfindung ferner vorgeschlagen, daß der Laserstrahl in in verschiedenen Richtungen verlaufenden Schutzrohren geführt ist und die Schutzrohre an den Knickstellen mit justierbaren Umlenkspiegeln ausgestattet sind, daß der aus der Laserquelle ausbetende Laserstrahl in ein erstes Schutzrohr mündet, das koaxial zur ersten Achse verläuft und in ein zweites rechtwinkelig abzweigendes Rohr übergeht, das seinerseits in einem dritten rechtwinkelig äbzweigenden Rohr seine Fortsetzung findet, welches schließlich am freien Ende ein senkrecht auf die erste Achse und auf den Brennpunkt des Laserstrahls weisendes viertes Rohrstück trägt, wobei alle diese Rohre in einer Ebene liegen, und daß ferner zwischen dem vierten Rohrstück und dem Brennpunkt der selbsttragenden Endelemente als weitere um die zweite Achse verschwenkbare Rohr- und Spiegelumlenkung mit zwei Umlenkspiegeln vorgesehen ist, wobei der von dem die Düse tragenden Endelement und der Achse eingeschlossene Winkel bevorzugt 45° beträgt. Der 45°-Winkel hat deshalb als vorrangig zu gelten, weil mit ihm die Möglichkeit, in zwei Dimensionen zu arbeiten, optimal ist. Durch die mehrfache Umlenkung des Laserstrahles in Richtung auf die erste Achse wird die Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine keinesfalls eingeengt, im Gegenteil, sie wird erweitert.

Damit die programmgesteuerte Bearbeitungsmaschine nicht nur genau arbeitet, sondern auch rauhen Beanspruchungen, wie solche bei stark unregelmäßigen Werkstücken auftreten, standhält bzw. gewachsen ist, erscheint es nach der Erfindung schließlich zweckmäßig, daß das erste Schutzrohr in einen verwindungsfesten, gestellartigen, gegebenenfalls durch Gegengewichte ausgewogenen und in seitlichen Ständern gelagerten Portal untergbracht ist, das mittels Antriebseinrichtungen verschwenkar ist und der Lagerung der Rohr- und Spiegelumlenkung sowie der Laserdüse dient Ähnliches gilt für die Ausgestaltung der Aufspannvorrichtung, d. h. es erscheint günstig, daß die Einzeltische -2-

Claims (4)

1. Nr. 391 289 der dreidimensional bewegbaren Aufspannvorrichtung mit programmierbaren Spindel- und/oder Zahnstangentrieben ausgestattet sind und auch die Drehbewegung des Aufnahmetisches programmierbar ist. Allgemein ist zu bemerken, daß bei der neu konzipierten, insbesondere als Brennschneidemaschine ausgebildeten Bearbeitungsmaschine alle Erkenntnisse der modernen Elektronik eine wertvolle Hilfe für die angestrebten Ziele der Erfindung darstellen. Offenbar hat es bisher an der Erkenntnis gefehlt, diese zum Teil einfachen und zum Teil hochentwickelten Hilfsmittel sinnvoll bei der eingangs erwähnten Maschine zur Anwendung zu bringen. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße, als Brennschneidemaschine ausgebildete Bearbeitungsmaschine in Seitenansicht und Fig. 2 eine Prinzip- und Funktionsskizze der Maschine gemäß Fig. 1. Wie sich insbesondere aus Fig. 1 ergibt, besteht die erfindungsgemäße Brennschneidemaschine (1) im wesentlichen aus einem gestellartigen Portal (2), einer Aufspannvorrichtung (3) und einer Laserquelle (4). Das Portal (2) ist um eine strichpunktiert dargestellte Achse (A) in seitlichen Ständern (5, 6) drehbar gelagert, wozu im Ständer (6) ein Motor (7) vorgesehen ist, der über einen Zahntrieb (8) auf das Portal (2) einwirkt. Mit (9,10) sind Gegengewichte bezeichnet, welche das Portal (2) ausgewogen gestalten. (B) bezeichnet eine weitere Drehachse, die senkrecht zu der Drehachse (A) verläuft. Darauf wird noch näher eingegangen. Die Aufspannvorrichtung (3) besteht aus zwei sich kreuzenden Schlitten (11, 12), d. h., die beiden Schlitten (11, 12) sind in den Richtungen der Achsen (X, Y) bewegbar, wozu Spindeln oder Zahnstangen verwendet werden können. Wichtig ist, daß kein Spiel vorhanden ist, das die Genauigkeit der Bearbeitung ungünstig beeinflussen könnte. Die Aufspannvorrichtung (3) weist ferner einen heb- und senkbaren Träger (13) für ein Werkstück (14) auf, so daß ein weiterer Freiheitsgrad (Z) hinzukommt. Außerdem ist der heb- und senkbare Träger (13) mit einer Aufspannplatte (15) ausgestattet, die um eine Achse (C) verdreht werden kann. In Fig. 2 sind die auch aus der Fig. 1 ersichtlichen Einzelteile mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet Zusätzlich zu Fig. 1 ist erkennbar, daß der aus der Laserquelle (4) austretende, mit (16) angedeutete Laserstrahl achsgleich zu der Achse (A) verläuft und in ein koaxial zur Achse (A) liegendes Rohr (17) mündet und am Ende dieses Rohres auf einen Spiegel (18) trifft, der den Strahl (16) in ein rechtwinkelig abzweigendes Rohr (19) umlenkt und dann auf einen Spiegel (20) trifft, der den Strahl (16) in ein Rohr (21) umlenkt und ihn schließlich auf einen Spiegel (22) auftreffen läßt, von wo er der Achse (B) folgend rechtwinkelig der Achse (A) zustrebt. Der vom Spiegel (22) in Richtung auf die Achse (A) umgelenkte Strahl (16) durchläuft ein Rohrstück (23), das drehbar eine weitere Rohr- und Spiegelumlenkung (24) aufnimmt. Für das Verdrehen ist ein Motor (25) mit Zahntrieb (26) vorgesehen. Die weitere Rohr- und Spiegelumlenkung (24) weist ein mit Spiegeln (27, 28) ausgestattetes Winkelstück (29) auf, an das sich ein Rohr (30) anschließt, das mit der Achse (B) einen Winkel von 45° einschließt und an seinem freien Ende die Laserdüse (31) trägt, in welcher der Strahl (16) durch eine Linse (32) so fokussiert wird, daß der Brennpunkt (33) mit dem Schnittpunkt der Achsen (A) und (B) zusammenfällt. Diese Lage wird auch dann beibehalten, wenn die weitere Rohr- und Spiegelumlenkung (24) um die Achse (B) verschwenkt wird, wobei der Strahl (16) und/oder die Düse (31) - bildlich gesprochen - der Mantelfläche eines Kegels folgt, wobei die Spitze des Kegels den erwähnten Schnittpunkt (vgl. (33)) nicht verlaßt. Mit dieser Anordnung ist es in Verbindung mit den zahlreichen anderen Freiheitsgraden möglich, das angestrebte Ziel, nämlich das senkrechte Auftreffen auf das zu beschneidende Werkstück (14) auch dann zu erreichen, wenn das Werkstück räumlich unregelmäßige Formen aufweist. Zu betonen ist ferner, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung keine komplizierten bzw. störungsanfälligen Hilfsmittel zur Anwendung kommen, wodurch, wie schon gesagt, nicht nur eine hohe Funktionsfähigkeit, sondern auch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit gegeben erscheint Ferner ist hervorzuheben, daß die erfindungsgemäße Maschine (1) derart hergerichtet sein kann, daß mit ihr z. B. Schweißarbeiten durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. PATENTANSPRÜCHE 1. Programmgesteuerte Bearbeitungsmaschine, wie Brennschneidemaschine od. dgl., unter Verwendung von Laserstrahlen, die zum dreidimensionalen Bearbeiten im wesentlichen aus einer auf Ct^-Basis beruhenden Laserquelle mit Laserdüse und aus Umlenkmitteln für den Laserstrahl zu dem jeweils vorprogrammierbar zu behandelnden, z. B. zu beschneidenden, Werkstück besteht, wobei die Maschine in bezug auf das jeweilige, auf einer programmgesteuerten Aufspannvorrichtung ruhende Werkstück mehr als drei Freiheitsgrade aufweist, gekennzeichnet durch die Kombination nachstehender Merkmale, daß die Laserdüse (31) zusammen mit allen übrigen der Bearbeitungsmaschine (1) angehörigen Laserstrahl-Führungselementen (17 bis 23) um eine -3- Nr. 391 289 erste Achse (A) und zusammen mit den selbsttragenden, um eine zweite, die erste Achse (A) senkrecht schneidende Achse (B) drehbar angeordneten Endelementen (24, 27 bis 30) der Laserstrahlführung - verschwenkbar ist, daß die Seelenachse der Laserdüse (31) mit der zweiten Achse (B) einen Winkel bildet und der Schnittpunkt der Seelenachse sich im Schnittpunkt der ersten (A) mit dar zweiten Achse (B) befindet, daß 5 der Brennpunkt (33) des Laserstrahls (16) im Schnitlpunkt der drei Achsen (A, B, Seelenachse) angeordnet ist und daß die Aufspannvorrichtung (3) dreidimensional (A, B, C) bewegbar ist.
2. 2. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensional bewegbare (X, Y, Z) Aufspannvorrichtung (3) mit einem ebenfalls programmierbaren Aufnahmedrehtisch (15) 10 ausgestattet ist.
3. 3. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in in verschiedenen Richtungen verlaufenden Schutzrohren geführt ist und die Schutzrohre an den Knickstellen mit justierbaren Umlenkspiegeln ausgestattet sind, daß der aus der Laserquelle (4) austretende Laserstrahl (16) in ein 15 erstes Schutzrohr (17) mündet, das koaxial zur ersten Achse (A) verläuft und in ein zweites rechtwinkelig abzweigendes Rohr (19) übergeht, das seinerseits in einem dritten rechtwinkelig abzweigenden Rohr (21) seine Fortsetzung findet, welches schließlich am freien Ende ein senkrecht auf die erste Achse (A) und auf den Brennpunkt (33) des Laserstrahls (16) weisendes viertes Rohrstück (23) trägt, wobei alle diese Rohre (17,19, 21 und 23) in einer Ebene liegen, und daß ferner zwischen dem vierten Rohrstück (23) und dem 20 Brennpunkt (33) der selbsttragenden Endelemente (24, 27 bis 30) als weitere um die zweite Achse (B) verschwenkbare Rohr- und Spiegelumlenkung mit zwei Umlenkspiegeln vorgesehen sind, wobei der von dem die Düse (31) tragenden Endelement (30) und der Achse (B) eingeschlossene Winkel bevorzugt 45° beträgt.
4. 4. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste 25 Schutzrohr (17) in einem verwindungsfesten gestellartigen, gegebenenfalls durch Gegengewichte (9,10) ausgewogenen und in seitlichen Ständern (5, 6) gelagerten Portal (2) untergebracht ist, das mittels Antriebseinrichtungen (7,8) verschwenkbar ist und der Lagerung der Rohr- und Spiegelumlenkung sowie der Laserdüse (31) dient. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 30