DE10144718A1 - Sensorelement und Halterung für die berührungslose Abstandsregelung zwischen einem Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück, vorzugsweise bei Brennschneide- und Wasserstrahlschneidemaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine berührungslosfunktionierende Sensoreinrichtung für die automatische Abstandsregelung von Bearbeitungswerkzeugen, insbesondere von Brennschneidesystemen in Brennschneidemaschinen, die sowohl für senkrecht verlaufende Bearbeitung als auch für schräg zur Werkstück-Oberfläche verlaufende Schnitte in Winkeln von 0 bis +-70 DEG einstellbar und damit regelungstechnisch optimiert positioniert werden kann. DOLLAR A Das erfindungsgemäß winkelverstellbare und in 3 Achsen justierbare Sensorelement, ein kapazitiv oder induktiv wirkendes, den Abstand zum Werkstück messtechnisch erfassendes Glied eines Regelkreises für die Nachführung des Bearbeitungswerkzeuges auf konstanten Abstand zum Werkstück, ist als kleine Platte oder als plattenförmiger Körper ausgeführt, an einem vorzugsweise runden Übergangsstück angeordnet. Dieses ist drehbar mit einem ähnlich gestalteten Anschlussstück über eine federbelastete Schraube verbunden und kann nach der Einstellung fixiert werden. DOLLAR A Beide, das Übergangsstück und das Anschlussstück, sind innen so rohrförmig gestaltet, dass die Schraube in einer runden Kammer in jedem dieser Teile konzentrisch geführt wird und dass um sie herum Druckluft strömen kann. DOLLAR A Zum Anschlussstück führt ein Metallrohr. Durch dieses kann die Druckluft in eine Bohrung in das Anschlussstück überströmen und von dort aus parallel zur Schraube in das Übergangsstück, wo eine Bohrung in Richtung zum Sensorelement die Druckluft zu diesem leitet, um das ...

Description

In Brennschneidemaschinen werden Antriebs- und Führungseinrichtungen verwendet, die das Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise Autogen- oder Plasmabrenner, sowohl in den beiden horizontalen Achsen über das Werkstück als auch in der vertikalen Achse in Richtung zum Werkstück positionieren.

Die Oberfläche des Werkstücks weicht im allgemeinen von der genauen horizontalen Lage ab, weil es entweder nicht plan ist, nicht plan aufgelegt ist oder weil es sich während der thermischen Bearbeitung durch Erwärmung verzieht.

Der Abstand des Bearbeitungswerkzeugs, normalerweise einer Brennerdüse zum Werkstück, ist ein wichtiger Parameter für die Qualität des Brennschnittes.

Deshalb sind Vorrichtungen allgemein im Einsatz, die sicherstellen, dass der Düsenabstand wahrend des Schneidens konstantgehalten wird. Hierzu wird die vertikale Antriebseinrichtung des Brenners als motorischer Antrieb ausgebildet, der entweder über taktile, also das Werkstück berührende Fühler oder durch nicht taktile Sensoren mittels eines Regelkreises automatische nachgeführt werden kann.

Seit vielen Jahren haben sich vorwiegend kapazitive- und induktive Sensoren in unmittelbarer Nähe des Brenners für diese Aufgabe bewährt.

Sind solche Sensoren als ringförmige, zum Brenner konzentrische Elektroden ausgebildet, so lassen sich bei senkrecht zur Werkstückoberfläche eingestellte Brennerachsen hohe Abstands-Regelgenauigkeiten erreichen. Bei Laser- Schneiddüsen wird die Düsenspitze selbst als kapazitive Elektrode ausgebildet, wodurch eine optimale Abstandsgenauigkeit erzielbar ist.

In der Bearbeitung von Werkstücken durch Brennschneiden mit Brennern, die schräg zur Werkstückoberfläche eingestellt sind, um einen Fasenschnitt an einer Werkstückkante zu erreichen, sind mit den normalen ringförmigen, konzentrischen Sensorelektroden kapazitiver Funktion jedoch keine ausreichenden Abstands­ ganauigkeiten erzielbar, weil die wirksame Kapazität dieser Elektroden sehr klein und die störenden Einflüsse der hocherhitzten Umgebung des Brenners, wie Flammen und Gase, die kapazitive Messstrecke erheblich verändern.

Es ist jedoch besonders bei Fasenschnitten erforderlich, den Abstand zwischen Brenner und Werkstück möglichst genau einzuhalten, damit die Fase am Werkstückrand als Vorbereitung einer späteren Schweißnaht exakt in der zulässigen Toleranzlinie bleibt.

Um diese Forderung möglichst weitgehend erfüllen zu können, werden spezielle, dem Fasenwinkel angepasste und für die jeweilige Anwendung geeignete andere Elektrodenformen eingesetzt, beispielsweise kleine Plättchen, die sich unmittelbar neben der Düse oder unterhalb der Düse zwischen dieser und dem Werkstück befinden und dadurch den Fehler zwischen Düsenposition und Sensorposition minimieren.

Kapazitive und induktive Sensoren nutzen das elektrische Wechselfeld zwischen Elektrode und Werkstück. Die Veränderung dieses Feldes in Abhängigkeit vom Abstand ist umso größer, je größer die Fläche des Sensors gegenüber dem Werkstück und je kleiner der Abstand zwischen Sensor und Werkstück sind, um hinreichend große Änderungen der für die Erzeugung der Regelgröße als Abweichung vom gewünschten Abstands-Sollwert durch den Sensor zu erreichen, ist es erforderlich, mit der Elektrode so nahe wie möglich an das Werkstück heranzugehen und die Fläche der Elektrode möglichst groß und parallel zum Werkstück zu gestalten. Deshalb können solche Sensoren nur für bestimmte Fasenwinkel optimal geformt und angeordnet werden.

Andererseits sollen Brennschneidemaschinen möglichst universell eingesetzt werden können, daher auch für Fasenschnitte mit verschiedenen Winkeln im Bereich bis +/- 60° in der Praxis. Um dies zu erreichen, ist es bislang notwendig, für jeden Fasenwinkel oder für jeden kleinen Winkelbereich ein besonders geformtes Sensorelement bereitzuhalten oder anzufertigen.

Die vorliegende Erfindung beseitigt dieses Problem durch eine Sensoranordnung, die für alle praktisch vorkommenden Fasenwinkel einfach einstellbar und optimal anpassbar ist.

Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu den Möglichkeiten der Anpassung an den Fasenwinkel auch eine Druckluft-Zuführung durch die Sensoranordnung bis zur Sensorplatte hin ermöglicht.

Dadurch wird erreicht, dass bei entsprechender Dosierung das Luftdrucks unmittelbar an der Sensorplatte eine kühlende Luft-Strömung entsteht, die verhindert, dass die Sensorplatte unzulässige Temperaturen erreicht und die außerdem dazu führt, dass störende Gase und Flammen von der kapazitiven Mess-Strecke unterhalb der Sensorplatte ferngehalten werden.

Dadurch lässt sich die Sensorplatte sehr nahe an die Brennerdüse heran anordnen, wodurch die Abstandsgenauigkeit besonders hoch wird. Als ein Beispiel für eine solche erfindungsgemäße Anordnung wird in Fig. 1 ein Brenner gezeigt, der mit einer plättchenförmigen, flachen Elektrode bei einer schräg zum Werkstück ausgerichteten Brennerachse ausgerüstet ist.

In Fig. 1 ist mit 1 das Werkstück bezeichnet, das durch den Brenner 2 mit einem Fasenschnitt versehen wird. Der Brenner 2 ist über eine schräg verstellbare Halterung 3 mit dem Vertikalantrieb 4 des Brenners verbunden. Die plättchenförmige Sensorelektrode 5 ist mit einem gelenkförmigen Übergang 6 mit dem Anschluss-Stück 7 mechanisch gekoppelt, der als isolierendes Montageteil in dem Halter 8 am Brennerschaft angeklemmt ist. Vom Montageteil 7 führt ein Verbindungskabel 9 zum Sensor-Elektronikteil 10. Dort wird das kapazitiv erzeugte Abstandssignal, beispielsweise eine hochfrequente Wechselspannung als Funktion des Abstandes zwischen plättchenförmiger Elektrode und Werkstück, in ein Regelungssignal umgesetzt, welches in der nachgeschalteten Motorregeleinheit 11 im Sinne der Abstandsführung gegen ein vorgegebenes Referenz-Signal als Sollwert für den Abstand, den Motorantrieb 12 des Vertikal- Antriebs 4 entsprechend nachführt, damit bei Abweichungen des Abstands vom vorgegebenen Sollwert der Brenner seine korrekte Lage beibehält bzw. wieder erreicht.

Fig. 2 stellt ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung dar, in der die Form der Elektrodenplatte so gestaltet ist, dass sie nicht nur unterhalb des Brenners über dem Werkstück positioniert ist, sondern auch durch eine symmetrische Aussparung unterhalb des Brenners so weit vorgeschoben werden kann, dass auch seitlich das Brenners Teilkapazitäten der Sensorelektrode wirksam werden, so dass die sensorische Genauigkeit der Brennerposition noch besser erfasst werden kann als mit der Plättchenelektrode in Fig. 1.

In Fig. 2 sind mit 1 wieder das Werkstück, mit 2 der Brenner und mit 5 die symmetrisch ausgesparte Elektrodenplatte bezeichnet Fig. 3 zeigt die einstellbare Halterung der Elektrodenplatte als Beispiel für die konstruktive Gestaltung dar. Darin bezeichnet 5 die Elektrodenplatte selbst. Sie ist mit einem rohrförmigen Übergangsstück 13 verbunden, vorzugsweise durch Löten oder Schweißen. Dieses Übergangsstück ist an der Verbindungsstelle mit einer oder mehreren Öffnungen versehen, aus denen das Kühlgas, vorzugsweise Druckluft, in Richtung zur Elektrodenplatte hin ausströmen kann.

Das Übergangsstück 13 ist so mit einem weiterführenden ähnlich rohrförmig gestalteten Anschluss-Stück verbunden, dass es darin um eine gemeinsame Längsachse gedreht werden kann.

Beide werden durch eine mittels Druckfeder vorgespannten Schraube 15 zusammen­ gehalten, die in einer Bohrung größeren Durchmessers 16 konzentrisch in den beiden rohrförmigen Teilen hindurchgeführt ist. Das Anschluss-Stück 14 ist ebenfalls wie das Übergangsstück 13 mit einer seitlichen Bohrung versehen.

Dort ist das Führungsrohr 17 angeschweißt, so dass die von dort zugeführte Druckluft in das Anschluss-Stück 14 eintreten, an der Schraube 15 vorbei in das Übergangsstück 13 strömen und dort zur Elektrodenplatte 5 hin ausströmen kann. Die mittels Schraube 15 verbundenen, gegeneinander drehbaren Teile 13 und 14 ermöglichen das Einstellen eines beliebigen Winkels der Elektrodenplatte 5 zur Achse des Führungsrohrs 17.

In Fig. 3 ist diese Möglichkeit durch gestrichelte Ergänzung dargestellt. Das Führungsrohr 17 wiederum ist auf einer abgewinkelten Platte 18 - ebenfalls eine der möglichen Anschlussvarianten - durch eine Klammer so gehalten, dass es seitlich verschoben und in dieser Stellung dann geklemmt werden kann. Es wird nach der abgewinkelten Platte 18 so abgebogen, dass es aus dem unmittelbaren Brennerbereich herausgeführt werden kann.

Dort befindet sich am Ende des Führungsrohrs 18 der Anschluss 19 für die Druckluft- Schlauchzuführung.

Die abgewinkelte Platte 18 schließlich ist an einer zur Brennerachse parallel geführten, verschiebbaren Halterung 20 befestigt. Durch die Merkmale dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Sonsoreinrichtung lässt sich die Elektrodenplatte in 3 Achsen so einstellen, dass sie unabhängig vom Fasenwinkel des Brenners im Bereich 0° bis 60° und mehr immer optimal in die günstigste Sensorposition für bestmögliche Regelung des Abstandes gegenüber dem Brenner gebracht werden kann. Durch die Schraube 15, die Klammer 18a und die Halterung 20 mit ihrer Klemmvorrichtung lässt sich diese Position danach sichern. In allen Stellungen wird die Druckluft für Kühlung und Flammensperre ungehindert zur Elektrodenplatte geführt.

Die in Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführung ist ein Beispiel für die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.

Es ist auch beispielsweise möglich, die Führungsrohr 17/Platte 18 genannte Ausgestaltung durch ein flexibles Rohr aus beweglichen Teilstücken, wie solche sie bei Kühlmittel-Zufuhr-Leitungen in Werkzeugmaschinen verwendet werden, zu ersetzen.

Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jedenfalls die Ausgestaltung der plättchenförmigen Sensorelektrode als ein für alle Fasenwinkel einstellbares Sensorelement, das zugleich über eine Druckluftzuführung gekühlt und mit einer Flammensperre versehen ist und das so gestaltet ist, dass eine möglichst nahe Position zur Brennerdüse möglich ist.

Fig. 4 zeigt das Foto einer praxisnahen Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß Beispiel in Fig. 2 und Fig. 3.

Mit 5 ist die gabelförmige Ausführung der Sensorelektrode bezeichnet, 2 zeigt den Brenner in seiner Halterung, die wiederum an der vertikalen Antriebsachse montiert ist.

Das Übergangsstück 13 ist drehbar im Anschluss-Stück 14 mittels Schraube 15 gehalten. Das Führungsrohr 17 ist abgewinkelt und in der abgewinkelten Platte 18 durch die Klammer 19 gehalten. Es kann dort sowohl gedreht als auch in seitlicher Richtung längs verschoben werden. Der Anschluss 19 am Ende des Führungsrohre ist für die Zuführung der Druckluft entsprechend ausgebildet.

20 ist die längs verschiebbare Halterung, die mit dem Halter 8 am Brenner angeklemmt ist. 9 zeigt das Anschlusskabel, 21 ist der Druckluft-Anschluss.

Claims (8)

1. Sensoreinrichtung zur Nachführ-Regelung eines Bearbeitungswerkzeugs gegenüber einer Werkstück-Oberfläche, bestehend aus einer metallischen, kapazitiv wirkenden oder einer induktiv wirkenden, flachen Spule in einem schützenden Körper, einer Zuführung und der nachgeschalte­ ten Sensor-Elektronik zur Auswertung der Sensorsignale, die zur Nachführung des Bearbeitungswerkzeuges durch einen Antrieb verwendet werden, wobei die Sensoreinrichtung mit dem Bearbeitungswerkzeug mechanisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement gegenüber dem Bearbeitungswerkzeug in der Nähe der Bearbeitungsstelle am Werkstück so einstellbar ist, dass es bei jeder in der Praxis erforderlichen Abweichung der Längsachse des Bearbeitungswerkzeuges von der Senkrechten zur Werkstückoberfläche entsprechend so eingestellt werden kann, dass es parallel zur Werkstückoberfläche und möglichst nahe an der Bearbeitungsstelle positioniert werden kann, um die Wirkung des Sensorelementes zu optimieren, dass ferner das einstellbare Sensorelement durch seine Haltevorrichtung hindurch und unabhängig von der Einstellung gleichbleibend mit Drucklust so gekühlt und umströmt wird, dass dadurch unerwünschte Einflüsse des Bearbeitungsprozesses auf die Sensoreigenschaften vermindert oder vermieden werden.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement aus einem kapazitiv wirkenden Plättchen besteht, welches eine symmetrische Aussparung aufweist, der in Richtung zum Werkzeug hin positioniert wird, damit das Sensorelement möglichst nah an der Bearbeitungsstelle das Bearbeitungswerkzeug auch seitlich umgeben kann.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorelement ein induktiver, ringförmiger oder vieleckförmiger oder dreieckförmiger Körper als Träger der induktiven Sensorspule verwendet wird, welcher so geformt ist, dass Teilschleifen der Spule sowohl unterhalb als auch seitlich zum Bearbeitungswerkzeug wirksam werden.

4. Sensoreinrichtung nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement vorzugsweise mit einem runden Körper an dessen Seite verbunden ist, der drehbar in einem weiteren runden Körper in der Verlängerung seiner Längsachse drehbar gelagert und darin festklemmbar ist, so dass das Sensorelement in seiner Hauptebene schwenkbar eingestellt werden kann und dass an den weiteren runden Körper eine rohrförmige Zuführung angebracht ist, mittels der das Sensorelement an das Bearbeitungswerkzeug über eine Klemmvorrichtung angekoppelt wird, so dass es die gleichen Bewegungen relativ zum Werkstück wie das Bearbeitungswerkzeug durchführt und in den Regelkreis einbezogen ist.

5. Sensoreinrichtung nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Zuführung in einer oder in mehreren Klemmvor­ richtungen in wenigstens 2 weiteren Bewegungsachsen verschiebbar und darin festklemmbar geführt und mit einer Druckluft-Zuführung versehen ist, dass die Druckluft ungehindert und unabhängig von der Ein­ stellung durch die rohrförmige Zuführung über die schwenkbaren bzw. gegeneinander verdrehbaren Körper des Sensorelementes bis zu diesem hin strömen und das Sensorelement kühlen und schützen kann und dass die verdrehbaren Körper Ein- und Ausström-Öffnungen aufweisen.

6. Sensoreinrichtung nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass als bewegliche Zuführung zum Sensorelement Klemmglieder der Art verwendet werden, die in Werkzeugmaschinen für die Kühlmittel­ zufuhr nach dem Stand der Technik eingesetzt werden und die in weiten Grenzen einstellbar sind.

7. Sensoreinrichtung nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Zuführung auf ihrem verlauf vom Sensorelement wegführend vorzugsweise rechtwinklig abgebogen und an einer Klemm­ platte längs verschiebbar und drehbar gelagert und dort festklemmbar ist.

8. Sensoreinrichtung nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 7, dadurch gekennzeichnet dass die Klemmplatte mit einer zweiten, parallelliegenden Platte verbunden ist, die konstruktiv mit einer isolierenden Haltevorrichtung eine Einheit bildet und dass diese Haltevorrichtung parallel zur Hauptachse des Bearbeitungswerkzeugs zwecks Einstellung des Sensor­ elementes verschoben werden kann.