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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung und
im Spezielleren auf einen Laserbearbeitungskopf einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung,
die mit einer mühelos austauschbaren Düse versehen ist,
sowie auf einen Düsenwechsler.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Es
bestehen verschiedene Arten herkömmlich bekannter Laserstrahlbearbeitungsvorrichtungen,
die zum Bearbeiten (z. B. Heißschneiden) eines Werkstücks
unter Verwendung von Laserlicht verwendet werden. Bei einer Standlaserstrahlbearbeitungsvorrichtung
ist zum Beispiel eine Düse, durch die Hilfsgas gegen ein
Werkstück ausgestoßen wird, auf einer optischen
Achse von Laserlicht in einem unteren Teil eines Bearbeitungskopfs
vorgesehen. Da es sich um ein Element handelt, das normalerweise nahe
an einem Bearbeitungspunkt angeordnet ist, kann die Düse
während des Laserschneidvorgangs vom Werkstück
abgeschmolzene Bruchstücke (Schlacke und Rückstände)
ansammeln oder auch aufgrund reflektierten Laserlichts oder der
Hitze anhaftenden geschmolzenen Materials des Werkstücks schmelzen.
Je nach dem Material und der Dicke des zu schneidenden Werkstücks
werden verschiedene Arten von Düsen verwendet. Deshalb
ist die Düse in einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung
zum einfachen Austausch normalerweise lösbar in den Bearbeitungskopf
eingebaut. Typischerweise ist die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung
mit einem Düsenwechselmechanismus ausgestattet, um einen Düsenaustausch
zu erleichtern. Um ein Beispiel zu nennen, schlägt die
japanische Patentanmeldung mit der
Veröffentlichungsnummer 2004-98093 einen mit einer
Düse kombinierten Bearbeitungskopf vor, die zusammen einen
Einbaudüsenwechselmechanismus bilden, der einen Kugelkolben,
um die Achsen des Bearbeitungskopfs und der Düse miteinander auszurichten,
und eine Kugelkolbenarretierung (Positionierungsausnehmung) umfasst.
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Bei
der vorstehend erwähnten herkömmlichen Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung
ist der Düsenwechselmechanismus dazu ausgelegt, die Achse des
Bearbeitungskopfs mit der Achse der Düse mittels des Kugelkolbens
und der Arretierung, die eine Passverbindung mit dem Kugelkolben
eingeht, auszurichten. Bei diesem Düsenwechselmechanismus ist
der Kugelkolben von der Düsenachse beabstandet angeordnet,
und der Mechanismus umfasst keine Einrichtung, um zu verhindern,
dass sich die Düse um eine Achse des Kugelkolbens dreht.
Somit bleibt die Düse um den Kugelkolben drehbar, der sich
von der Düsenachse beabstandet befindet. In der Folge entsteht
insofern ein Problem, als die Düse nur mit einer schlechten
Ausrichtung der Achsen des Bearbeitungskopfs und der Düse
oder mit einer schlechten Konzentrizität von diesen und
mit einer schlecht wiederherstellbaren Düsenpositionierung
ausgetauscht werden kann. Ein weiteres Problem, das entsteht, wenn
die Achsen des Bearbeitungskopfs und der Düse schlecht
ausgerichtet sind oder die Düse in keinem idealen Abstand
vom Werkstück angeordnet ist, besteht darin, dass jeder
Düsenaustauschzyklus die Durchführung einer Düsenausrichtungsarbeit
und viel Zeit zum Erledigen der Arbeit erforderlich macht, um eine
qualitativ hochwertige Bearbeitung zu erzielen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung soll die vorstehend erwähnten Probleme
des Stands der Technik lösen. Entsprechend ist es eine
Aufgabe der Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf, einen Düsenwechsler
und eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die
es möglich machen, eine Düse mühelos
auszutauschen, ohne eine Düsenausrichtungsarbeit bei jedem
Düsenaustauschzyklus durchführen zu müssen,
um eine qualitativ hochwertige Bearbeitung zu erzielen.
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In
einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Bearbeitungskopf ein Bearbeitungskopfelement
mit einem darin ausgebildeten Kopfinnenkanal, um einen Durchgang
für Laserlicht und Hilfsgas bereitzustellen, eine separat
vom Bearbeitungskopfelement ausgebildete Düse, wobei die
Düse einen darin ausgebildeten Düseninnenkanal
besitzt, um eine Verbindung zum Kopfinnenkanal herzustellen, und
eine Düsenöffnung, durch die das Laserlicht und
das Hilfsgas auf ein Werkstück gerichtet werden, wobei
die Düsenöffnung an einem äußersten
nachgeordneten Ende der Düse ausgebildet ist, Stifte, die
so ausgebildet sind, dass sie radial von einer Seitenwand der Düse
vorstehen, ein Stiftarretierungsteil, das auf einer Seitenwand des
Bearbeitungskopfelements ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil
Stifteinpassöffnungen besitzt, um zu ermöglichen,
dass die Stifte durchgeführt und dann in direktem Kontakt
mit dem Stiftarretierungsteil und an diesem in Position arretiert
werden können, ein Kopfausrichtungsteil, das auf einer düsenseitigen
Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements ausgebildet ist,
ein Düsenausrichtungsteil, das an der Düse an
einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse mit dem Bearbeitungskopfelement
ausgerichtet ist, und ein elastisches Teil, das zwischen dem Kopfausrichtungsteil
und der Düse in einem geschlossenen Kreis eingepasst ist,
um einen Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil und dem
Düsenausrichtungsteil zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen.
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Der
so aufgebaute Bearbeitungskopf ermöglicht einen mühelosen
Austausch der Düse.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung tauscht ein Düsenwechsler
eine Düse eines Bearbeitungskopfs aus, der ein Bearbeitungskopfelement
mit einem darin ausgebildeten Kopfinnenkanal umfasst, um einen Durchgang
für Laserlicht und Hilfsgas bereitzustellen, wobei die
vorstehend erwähnte Düse separat vom Bearbeitungskopfelement
ausgebildet ist, wobei die Düse einen darin ausgebildeten
Düseninnenkanal besitzt, um eine Verbindung zum Kopfinnenkanal
herzustellen, und eine Düsenöffnung, durch die
das Laserlicht und das Hilfsgas auf ein Werkstück gerichtet
werden, wobei die Düsenöffnung an einem äußersten
nachgeordneten Ende der Düse ausgebildet ist, Stifte, die
so ausgebildet sind, dass sie radial von einer Seitenwand der Düse
vorstehen, ein Stiftarretierungsteil, das auf einer Seitenwand des
Bearbeitungskopfelements ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil
Stifteinpassöffnungen besitzt, um zu ermöglichen,
dass die Stifte durchgeführt und dann in direktem Kontakt
mit dem Stiftarretierungsteil und an diesem in Position arretiert
werden können, ein Kopfausrichtungsteil, das auf einer
düsenseitigen Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements
ausgebildet ist, ein Düsenausrichtungsteil, das an der
Düse an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse
mit dem Bearbeitungskopfelement ausgerichtet ist, und ein elastisches
Teil, das zwischen dem Kopfausrichtungsteil und der Düse
in einem geschlossenen Kreis eingepasst ist, um einen Zwischenraum zwischen
dem Kopfausrichtungsteil und dem Düsenausrichtungsteil
zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen. Dieser Düsenwechsler
umfasst einen Düsenstützstab, der in die Düsenöffnung
der Düse eingepasst ist und dadurch die Düse stützt,
und eine Düsenwechslereinheit, die unter Bedingungen, in
denen der Düsenstützstab in die Düsenöffnung
der Düse eingepasst ist, einen Düseneinpassprozess,
bei dem die Düsenwechslereinheit die Düse dreht
und bewirkt, dass die Stifte durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen
des Bearbeitungskopfelements hindurchgehen und am Stiftarretierungsteil
arretiert werden, sowie einen Düsenentnahmeprozess durchführt,
bei dem die Düsenwechslereinheit die Düse dreht
und bewirkt, dass die Stifte durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen
des Bearbeitungskopfelements hindurchgehen, um die Düse
davon zu lösen.
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Der
so aufgebaute Düsenwechsler kann die Düse mühelos
austauschen.
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In
noch einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung
einen Bearbeitungskopf, der ein Bearbeitungskopfelement mit einem
darin ausgebildeten Kopfinnenkanal umfasst, um einen Durchgang für
Laserlicht und Hilfsgas bereitzustellen, wobei die vorstehend erwähnte
Düse separat vom Bearbeitungskopfelement ausgebildet ist,
wobei die Düse einen darin ausgebildeten Düseninnenkanal
besitzt, um eine Verbindung zum Kopfinnenkanal herzustellen, und
eine Düsenöffnung, durch die das Laserlicht und
das Hilfsgas auf ein Werkstück gerichtet werden, wobei
die Düsenöffnung an einem äußersten
nachgeordneten Ende der Düse ausgebildet ist, Stifte, die
so ausgebildet sind, dass sie radial von einer Seitenwand der Düse
vorstehen, ein Stiftarretierungsteil, das auf einer Seitenwand des
Bearbeitungskopfelements ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil
Stifteinpassöffnungen besitzt, um zu ermöglichen,
dass die Stifte durchgeführt und dann in direktem Kontakt
mit dem Stiftarretierungsteil und an diesem in Position arretiert
werden können, ein Kopfausrichtungsteil, das auf einer düsenseitigen
Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements ausgebildet ist,
ein Düsenausrichtungsteil, das an der Düse an
einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse mit dem Bearbeitungskopfelement
ausgerichtet ist, und ein elastisches Teil, das zwischen dem Kopfausrichtungsteil
und der Düse in einem geschlossenen Kreis eingepasst ist,
um einen Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil und dem
Düsenausrichtungsteil zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen.
Die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung umfasst darüber
hinaus eine Laseroszillatoreinheit zum Erzeugen des Laserlichts,
das in den Bearbeitungskopf geleitet werden soll, eine Hilfsgaszufuhreinheit
zur Zufuhr des Hilfsgases, das in den Bearbeitungskopf zugeführt
werden soll, einen Tisch, auf dem das Werkstück angeordnet
wird, und eine Bewegungsvorrichtung zum Einstellen der Position
eines festgelegten Punkts des Tischs in Bezug auf die Position des
Bearbeitungskopfelements.
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Die
so aufgebaute Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung ermöglicht
auch einen mühelosen Austausch der Düse.
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Die
vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Bearbeitungskopfs
nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Bearbeitungskopfs von 1;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Bearbeitungskopfelements des
Bearbeitungskopfs von 1;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Düsenelements einer
Düse des Bearbeitungskopfs von 1;
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die 5A und 5B sind
eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht einer Düsenbefestigung
der Düse des Bearbeitungskopfs von 1;
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6 ist
eine Abbildung, die den Aufbau einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung
schematisch zeigt, die den in 1 gezeigten
Bearbeitungskopf verwendet;
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die 7A und 7B sind
Abbildungen zur Erläuterung eines potentiellen Problems,
das beim Bearbeitungskopf der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung
von 6 auftreten kann;
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die 8A und 8B sind
Abbildungen zur Erläuterung eines anderen potentiellen
Problems, das beim Bearbeitungskopf der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung
von 6 auftreten kann;
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9 ist
eine Querschnittsabbildung zur Erläuterung der vertikalen
Maßgenauigkeit des Bearbeitungskopfs von 1;
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die 10A, 10B und 10C sind Querschnittsabbildungen, die zeigen,
wie der Bearbeitungskopf von 1 bei der
Steuerung von Hilfsgasströmen arbeitet;
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die 11A und 11B sind
Querschnittsabbildungen, die auch zeigen, wie der Bearbeitungskopf
von 1 bei der Steuerung von Hilfsgasströmen
arbeitet;
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die 12A und 12B sind
Querschnittsabbildungen, die zeigen, wie ein O-Ring (elastisches
Teil) des Maschinenkopfs von 1 funktioniert;
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die 13A und 13B sind
Querschnittsabbildungen, die auch zeigen, wie ein O-Ring (elastisches
Teil) des Maschinenkopfs von 1 funktioniert;
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14 ist
eine perspektivische Ansicht eines Düsenwechslers zum Austauschen
des in 1 gezeigten Bearbeitungskopfs 11;
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15 ist
eine Querschnittsabbildung, die den Aufbau des Düsenwechslers
von 14 zeigt;
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16 ist
ein Ablaufschema, das einen Arbeitsablauf zeigt, der zu befolgen
ist, wenn die Düse unter Verwendung des Düsenwechslers
von 14 in das Bearbeitungskopfelement eingesetzt wird;
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17 ist
ein Ablaufschema, das einen Arbeitsablauf zeigt, der zu befolgen
ist, wenn die Düse unter Verwendung des Düsenwechslers
von 14 aus dem Bearbeitungskopfelement entnommen wird;
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18 ist
eine Querschnittsabbildung, die einen speziellen Schritt bei einem
Düseneinbauprozess zeigt, der vom Düsenwechsler
von 14 durchgeführt wird;
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19 ist
eine Querschnittsabbildung, die einen anderen speziellen Schritt
im Düseneinbauprozess zeigt, der vom Düsenwechsler
von 14 durchgeführt wird;
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20 ist
eine Querschnittsabbildung, die noch einen anderen speziellen Schritt
im Düseneinbauprozess zeigt, der vom Düsenwechsler
von 14 durchgeführt wird;
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21 ist
eine Querschnittsabbildung, die ein Problem zeigt, das auftreten
kann, wenn der Düsenwechsler nicht mit einem in 14 gezeigten
Düsenstützstab ausgestattet ist;
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22 ist
eine Querschnittsabbildung, die ein anderes Problem zeigt, das auftreten
kann, wenn der Düsenwechsler nicht mit dem in 14 gezeigten
Düsenstützstab ausgestattet ist;
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23 ist
eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Bearbeitungskopfs
nach einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung
zeigt;
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die 24A und 24B sind
eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht, die
den Aufbau eines Bearbeitungskopfs nach einer anderen Variante der
ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen; und
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die 25A und 25B sind
eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht, die
den Aufbau eines Bearbeitungskopfs nach noch einer anderen Variante
der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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Eine
spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Bearbeitungskopfs 11 nach
einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, 2 ist
eine Querschnittsansicht des Bearbeitungskopfs 11 von 1, 3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Bearbeitungskopfelements 10 des
Bearbeitungskopfs 11 von 1, 4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Düsenelements 12 einer
Düse 22 des Bearbeitungskopfs von 1,
die 5A und 5B sind
eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht einer Düsenbefestigung 21 der
Düse 22 des Bearbeitungskopfs 11 von 1, 6 ist
eine Abbildung, die den Aufbau einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 schematisch
zeigt, die den in 1 gezeigten Bearbeitungskopf 11 verwendet,
die 7A, 7B, 8A und 8B sind
Abbildungen zur Erläuterung potentieller Probleme, die
beim Bearbeitungskopf 11 der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 auftreten
können, 9 ist eine Querschnittsabbildung
zur Erläuterung der vertikalen Maßgenauigkeit
des in 1 gezeigten Bearbeitungskopfs 11, die 10A, 10B, 10C, 11A und 11B sind Querschnittsabbildungen, die zeigen,
wie der Bearbeitungskopf 11 von 1 bei der
Steuerung von Hilfsgasströmen arbeitet, die 12A, 12B, 13A und 13B sind Querschnittsabbildungen,
die zeigen, wie der O-Ring 34 (elastisches Teil) des Maschinenkopfs 11 von 1 funktioniert, 14 ist
eine perspektivische Ansicht des Düsenwechslers 50 zum
Austauschen des in 1 gezeigten Bearbeitungskopfs 11, 15 ist
eine Querschnittsabbildung, die den Aufbau des Düsenwechslers 50 von 14 zeigt, 16 ist
ein Ablaufschema, das einen Arbeitsablauf zeigt, der zu befolgen
ist, wenn die Düse 22 unter Verwendung des Düsenwechslers 50 von 14 in das
Bearbeitungskopfelement 10 eingesetzt wird, 17 ist
ein Ablaufschema, das einen Arbeitsablauf zeigt, der zu befolgen
ist, wenn die Düse 22 unter Verwendung des Düsenwechslers 50 von 14 aus
dem Bearbeitungskopfelement 10 entnommen wird, die 18 bis 20 sind
Querschnittsabbildungen, die spezielle Schritte bei einem Düseneinbauprozess
zeigen, der vom Düsenwechsler 50 von 14 durchgeführt
wird, die 21 und 22 sind
Querschnittsabbildungen, die Probleme zeigen, die im Düseneinbauprozess
auftreten können, wenn der Düsenwechsler 50 nicht
mit einem in 14 gezeigten Düsenstützstab 51 ausgestattet
ist, 23 ist eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfs nach
einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung,
die 24A und 24B sind
eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines
Bearbeitungskopfs nach einer anderen Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung, und die 25A und 25B sind eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische
Ansicht eines Bearbeitungskopfs nach noch einer anderen Variante
der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Wie
in diesen Figuren gezeigt ist, umfasst der Bearbeitungskopf 11 der
ersten Ausführungsform das Bearbeitungskopfelement 10 und
die Düse 22, die separat vom Bearbeitungskopfelement 10 ausgebildet
ist. Im Inneren des Bearbeitungskopfelements 10 ist ein
Kopfinnenkanal 23 ausgebildet, der als Durchgang für
Laserlicht 19 und Hilfsgas 20 dient. Dem Kopfinnenkanal 23 vorgeordnet
befindet sich eine Fokussierlinse 13, um das Laserlicht 19 auf
ein Werkstück 18 zu fokussieren. So wie der Ausdruck "vorgeordnet"
in dieser technischen Beschreibung verwendet wird, bezieht er sich
auf eine Eintrittsseite oder eine Richtung, aus der das Laserlicht 19 in
das Bearbeitungskopfelement 10 eintritt, wohingegen sich
der Ausdruck "nachgeordnet" auf eine Austrittsseite oder eine dem
Werkstück 18 zugewandte Seite bezieht. Die Darstellung
der Fokussierlinse 13 ist nur in Querschnittsansichten
wiedergegeben und in den anderen Zeichnungen im Grunde weggelassen.
Der Kopfinnenkanal 23 ist von einer innenseitigen Wandfläche
des Bearbeitungskopfelements 10 umschlossen, der so weit
wie möglich eine Stromlinienform mit minimalen Oberflächenunregelmäßigkeiten
verliehen ist, und die so geformt ist, dass sie eine allgemein zylindrische
abfallende Fläche 23a bildet, so dass der Innendurchmesser
des Kopfinnenkanals 23 schrittweise in der nachgeordneten
Richtung abnimmt. Das Bearbeitungskopfelement 10 besitzt
einen Verbindungsabschnitt 24, der an einem nachgeordneten
Ende des Kopfinnenkanals 23 ausgebildet ist. Wie später
noch im Detail erörtert wird, ist ein vorgeordnetes Ende 28 des
Düsenelements 12 in den Verbindungsabschnitt 24 des
Bearbeitungskopfelements 10 eingepasst. Das Bearbeitungskopfelement 10 besitzt
darüber hinaus einen Kopfflansch 15, der sich
von außerhalb eines nachgeordneten Endabschnitts des Bearbeitungskopfelements 10 radial nach
außen erstreckt.
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Im
Kopfflansch 15 sind zwei radiale Stifteinpassöffnungen 26 ausgebildet,
durch welche Stifte 32 hindurchgeführt werden,
wie später noch erörtert wird. Die beiden radialen
Stifteinpassöffnungen 26 befinden sich in einem
Abstand von 180 Grad auf einer gekrümmten Außenfläche
einer Seitenwand des Bearbeitungskopfelements 10, wobei
jede der Stifteinpassöffnungen 26, um ein müheloses
Einstecken und Entfernen der Stifte 32 zu ermöglichen,
aus einer schrägen Fläche 26a auf einer
Seite und einer vertikalen Fläche 26b auf der
entgegengesetzten Seite besteht, wie in 3 gezeigt
ist. Eine Unterseite des Kopfflanschs 15 (d. h. eine düsenseitige
Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements 10) dient
als Kopfausrichtungsteil 16, und eine Oberseite des Kopfflanschs 15 dient
als Stiftarretierungsteil 25, das mit den Stiften 32 in
Kontakt kommt und dadurch die Düsenbefestigung 21 in
Position arretiert. Eine gekrümmte Innenfläche
des Bearbeitungskopfelements 10 ist am nachgeordneten Endabschnitt
abgeschrägt, um eine abfallende Fläche 10a zu
bilden, und zwar so, dass der Innendurchmesser des Kopfinnenkanals 23 an
einem äußersten nachgeordneten Ende von diesem
zur nachgeordneten Seite hin immer mehr zunimmt. Der Kopfflansch 15 kann
entweder als integrales Teil des Bearbeitungskopfelements 10 oder
als separates und am nachgeordneten Endabschnitt des Bearbeitungskopfelements 10 befestigtes
Teil ausgebildet sein. Im Falle, dass der Kopfflansch 15 als
separates Teil ausgebildet ist, sollten das Bearbeitungskopfelement 10 und
der Kopfflansch 15 zum Beispiel vorzugsweise aus rostfreiem Stahl
bzw. Aluminium hergestellt sein.
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Die
Düse 22 umfasst das Düsenelement 12 und
die Düsenbefestigung 21, die separat vom Düsenelement 12 hergestellt
ist. Im Inneren des Düsenelements 12 ist ein Düseninnenkanal 27 ausgebildet, der
eine Verbindung zum zuvor erwähnten Kopfinnenkanal 23 herstellt.
Der Düseninnenkanal 27 ist von einer innenseitigen
Wandfläche des Düsenelements 12 umschlossen,
der so weit wie möglich eine Stromlinienform mit minimalen
Oberflächenunregelmäßigkeiten verliehen
ist, und die so geformt ist, dass sie eine allgemein zylindrische
abfallende Fläche 27a bildet, so dass der Innendurchmesser
des Düseninnenkanals 27 schrittweise in der nachgeordneten
Richtung abnimmt. Die innenseitigen Wandflächen des Düsenelements 12 und
des Bearbeitungskopfelements 10 sind so geformt, dass sie
einen stetigen Übergang zwischen der allgemein zylindrischen abfallenden
Fläche 27a des Düseninnenkanals 27 und
der allgemein zylindrischen abfallenden Fläche 23a des
Kopfinnenkanals 23 in Form eines sich zuspitzenden Winkels
bereitstellen. An einem äußersten nachgeordneten
Ende des Düsenelements 12 ist eine Düsenöffnung 29 ausgebildet,
die dazu dient, das Laserlicht 19 wie auch das Hilfsgas 20 auf
das Werkstück 18 zu richten. Die in einem nachgeordneten
Endabschnitt des Düsenelements 12 ausgebildete
Düsenöffnung 29 ist von einer gekrümmten
Fläche 29a umschlossen, die eine allgemein konische
Form bildet, deren Außendurchmesser zur nachgeordneten
Seite hin nach und nach abnimmt. Das Düsenelement 12 besitzt
darüber hinaus einen Düsenflansch 30,
der sich von einer gekrümmten Außenfläche
des Düsenelements 12 radial nach außen
erstreckt. Auf einer vorgeordneten Seite des Düsenflanschs 30,
die dem Bearbeitungskopfelement 10 zugewandt ist, ist eine
Ringkehle 31 ausgebildet, in die ein als elastisches Teil
dienender O-Ring 34 eingesetzt ist. Eine gekrümmte
Innenfläche einer Außenwand der Ringkehle 31 bildet
eine abfallende Fläche 31a, und zwar so, dass
der Innendurchmesser der Außenwand der Ringkehle 31 zur
nachgeordneten Seite hin schrittweise abnimmt.
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Eine
oberste Fläche des Düsenflanschs 30 bildet
ein Düsenausrichtungsteil 14, das direkt gegenüber
dem Kopfausrichtungsteil 16 angeordnet ist. Mit den zuvor
erwähnten Stiften 32 ausgestattet, besitzt die
Düsenbefestigung 21 einen allgemein rohrförmigen
Aufbau, dessen nachgeordneter Endabschnitt so geformt ist, dass
er einen Düsenhalterungsabschnitt 33 bildet. Das
Düsenelement 12 ist in Position festgesetzt, wenn
der Düsenflansch 30 des Düsenelements 12 am
Düsenhalterungsteil 33 der Düsenbefestigung 21 sitzt,
wobei eine Unterseite des Düsenflanschs 30 in
engem Kontakt mit dem Düsenhalterungsteil 30 gehalten
wird. Im Düsenhalterungsteil 33 der Düsenbefestigung 21 ist
eine Öffnung 38 ausgebildet, und das Düsenelement 12 ist
so positioniert, dass sein nachgeordneter Endabschnitt, in dem die
Düsenöffnung 29 ausgebildet ist, nach
unten durch diese Öffnung 38 vorsteht. Die beiden
Stifte 32 sind so ausgebildet, dass sie von einer gekrümmten Innenfläche
einer allgemein zylindrischen Seitenwand der Düsenbefestigung 21 mit
einem Abstand von 180 Grad radial nach innen vorstehen, wie in 5A und 5B gezeigt
ist, wobei sich die Stifte 32 über dem Düsenhalterungsteil 33 der
Düsenbefestigung 21 befinden. Eine Außenfläche
eines nachgeordneten Endabschnitts der Düsenbefestigung 21 bildet
eine gekrümmte Fläche 21b, die zu einer
allgemein konischen Form geformt ist, deren Außendurchmesser
zur nachgeordneten Seite hin schrittweise abnimmt. Die gekrümmte
Fläche 21b der Düsenbefestigung 21 und
die zuvor erwähnte gekrümmte Fläche 29a des
Düsenelements 12 sind so geformt, dass sie im
Querschnitt gesehen einen stetigen Übergang bieten, was
die Umrisslinien betrifft. Das vorgeordnete Ende 28 des
Düsenelements 12, das seinem nachgeordneten Ende,
an dem die Düsenöffnung 29 ausgebildet
ist, entgegengesetzt ist, ist in den Verbindungsabschnitt 24 des
am nachgeordneten Ende des Kopfinnenkanals 23 ausgebildeten
Bearbeitungskopfelements 10 eingesetzt und mit diesem verbunden.
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Bei
dem so aufgebauten Bearbeitungskopf 11 der ersten Ausführungsform
ist eine optische Achse des Laserlichts 19 mit der Mittelachse
des Bearbeitungskopfs 11 ausgerichtet. Wenn das Hilfsgas 20 durch
die Düse 22 ausgestoßen wird, bildet
sich eine Strömung des ausgestoßenen Hilfsgases 20 an
einer Mittelachse der Düse 22. Dies bedeutet,
dass der Ausrichtungsgrad der Achsen des Bearbeitungskopfs 11 (oder
des Bearbeitungskopfelements 10) und der Düse 22,
oder deren Konzentrizität, bestimmt, wie genau die Strömungsrichtung
des ausgestoßenen Hilfsgases 20 mit der optischen
Achse des Laserlichts 19 übereinstimmt. In dieser
Ausführungsform ist das vorgeordnete Ende 28 des
Düsenelements 12 in den Verbindungsabschnitt 24 des
Bearbeitungskopfelements 10 eingepasst, und zwar so, dass
das Bearbeitungskopfelement 10 und die Düse 22 wieder
mit einem dazwischen bestehenden hohen Grad an Konzentrizität
zusammengesetzt werden können und sich somit die Strömungsrichtung
des ausgestoßenen Hilfsgases 20 mit der optischen
Achse des Laserlichts 19 mit hoher Genauigkeit ausrichtet.
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Falls
die erforderliche Laserbearbeitungsgenauigkeit zum Beispiel 0,1
mm beträgt, müssen das Bearbeitungskopfelement 10 und
die Düse 22 auf eine Konzentrizität von
0,05 mm ausgerichtet sein. Wenn das Laserlicht 19 eine
Wellenlänge von 0,01 mm hat, ist es möglich, einen
Zwischenraum von 0,01 bis 0,05 mm zwischen einer gekrümmten
Innenfläche des Verbindungsabschnitts 24 des Bearbeitungskopfelements 10 und
einer gekrümmten Außenfläche des vorgeordneten
Endes 28 der Düsenbefestigung 21 zu schaffen,
damit das vorgeordnete Ende 28 der Düsenbefestigung 21 in
den Verbindungsabschnitt 24 des Bearbeitungskopfelements 10 eingepasst
werden kann. Die gekrümmte Außenfläche
des vorgeordneten Endes 28 der Düsenbefestigung 21 ist
abgeschrägt, um eine abfallende Fläche 12a zu
bilden, so dass der Außendurchmesser des vorgeordneten
Endes 28 der Düsenbefestigung 21 zur
nachgeordneten Seite hin schrittweise zunimmt. Der O-Ring 34,
der eine allgemein ringartige Form hat, ist in die im Düsenflansch 30 ausgebildete
Ringkehle 31 eingesetzt, wie vorstehend schon erwähnt wurde.
Zwischen dem Kopfausrichtungsteil 16 des Bearbeitungskopfelements 10 und
dem Düsenausrichtungsteil 14 des Düsenelements 12 eingesetzt, stellt
der O-Ring 34 zwischen diesen einen Zwischenraum A her,
wie in 2 dargestellt ist. Der so positionierte O-Ring 34 dient
als Dichtungselement, um zu verhindern, dass Gas aus dem Zwischenraum zwischen
dem Bearbeitungskopfelement 10 und dem Düsenelement 12 austritt.
Obwohl der Bearbeitungskopf 11 der vorliegenden Erfindung
den ringartigen (kreisförmigen) O-Ring 34 verwendet,
um gegen das Hilfsgas 20 abzudichten, wie in den Zeichnungen dargestellt
ist, muss das Dichtungselement nicht unbedingt kreisförmig
sein, sondern kann auch anders geformt sein, wie etwa quadratisch
oder rechteckig, solange das Dichtungselement nur eine geschlossene
Form ohne Endpunkte hat und einen Gasaustritt zwischen dem Bearbeitungskopfelement 10 und
dem Düsenelement 12 abdichten kann. Es erübrigt
sich zu erwähnen, dass in diesem Fall dann die im Düsenflansch 30 ausgebildete
Ringkehle 31 umgeformt werden sollte, um ein solches anders
geformtes Dichtungselement aufzunehmen.
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Mit
Bezug auf 6 umfasst die den Bearbeitungskopf 11 verwendende
Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 eine Laseroszillatoreinheit 5 zum Erzeugen
des Laserlichts 19, das durch einen Reflexionsspiegel 9 abgelenkt
und durch die zuvor erwähnte Fokussierlinse 13 in
das Bearbeitungskopfelement 10 geleitet wird, eine Hilfsgaszufuhreinheit 17 zum
Zuführen des Hilfsgases 20 in das Bearbeitungskopfelement 10,
einen XY-Tisch 3, der als Plattform dient, auf der das
Werkstück 18 zur Bearbeitung in einer horizontalen
Stellung angeordnet wird, und eine Klemmvorrichtung 2,
um das Werkstück 18 sicher am XY-Tisch 3 zu
halten. Ein Düsenwechsler 50, der später
noch im Detail beschrieben wird, ist in einem vom Werkstück 18 getrennten
Bereich auch am XY-Tisch 3 angebracht. Der XY-Tisch 3 lässt
sich in einer horizontalen Ebene in x- und y-Achsenrichtungen so
bewegen, dass die Position eines festgelegten Punkts des XY-Tischs 3 so
eingestellt werden kann, dass sie mit der örtlichen Lage
des Bearbeitungskopfelements 10 in Draufsicht vertikal
nach unten gesehen zusammenfällt. Der XY-Tisch 3 dieser Ausführungsform
bildet eine Bewegungsvorrichtung, die in den beigefügten
Ansprüchen erwähnt ist. Mit dem Vorsehen dieses
horizontal beweglichen XY-Tischs 3 ist es möglich,
den Düsenwechsler 50 an eine Stelle genau unterhalb
des Bearbeitungskopfelements 10 zu bewegen. Es sollte festgehalten
werden, dass die Bewegungsvorrichtung der Erfindung nicht auf die
vorstehend beschriebene Anordnung der vorliegenden Ausführungsform
beschränkt ist. Beispielsweise kann die Bewegungsvorrichtung
eine Anordnung sein, um das Bearbeitungskopfelement 10 einfach
nur zu bewegen. Diese alternative Anordnung sollte das Bearbeitungskopfelement 10 sich
sowohl in den x- als auch y-Achsenrichtungen bewegen lassen, damit
das Bearbeitungskopfelement 10 genau über dem
Düsenwechsler 50 angeordnet werden kann. Immer
noch alternativ kann die Bewegungsvorrichtung eine Anordnung sein,
um den XY-Tisch 3 und das Bearbeitungskopfelements 10 in
Bezug aufeinander in den x- und y-Achsenrichtungen anderweitig zu
bewegen.
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Wie
in 14 gezeigt ist, umfasst der Düsenwechsler 50 den
zuvor erwähnten Stützstab 51 und eine
Düsenwechslereinheit 63. Der Düsenstützstab 51 ist
in die Düsenöffnung 29 der Düse 22 eingepasst
und stützt dadurch die Düse 22. Die Düsenwechslereinheit 63 arbeitet
zum Beispiel wie nachstehend beschrieben während des Düseneinbauprozesses.
Zu Beginn des Düseneinbauprozesses wird die Düse 22 auf
den Düsenwechsler 50 gesetzt, wobei der Düsenstützstab 51 in
die Düsenöffnung 29 des Düsenelements 12 eingepasst
ist, und dann wird das Bearbeitungskopfelement 10 mit dem
dazwischen eingesetzten O-Ring 34 am Düsenelement 12 angebracht.
Die Düsenwechslereinheit 63 drückt das Bearbeitungskopfelement 10 und
das Düsenelement 12 gegeneinander, wodurch der
O-Ring 34 so verformt wird, dass das Düsenausrichtungsteil 14 des Düsenelements 12 in
direkten Kontakt mit dem Kopfausrichtungsteil 16 des Bearbeitungskopfelements 10 kommt
und die Unterseite des Düsenflanschs 30 vom Düsenhalterungsteil 33 der
Düsenbefestigung 21 getrennt wird (19).
Unter dieser Bedingung dreht die Düsenwechslereinheit 63 nur
die Düsenbefestigung 21 so, dass die Stifte 32 der
Düsenbefestigung 21, die durch die jeweiligen
im Kopfflansch 15 ausgebildeten Stifteinlassöffnungen 26 hindurchgeführt
sind, am Stiftarretierungsteil 25 des Bearbeitungskopfelements 10 liegen,
und löst dann eine Schubkraft, die auf das Bearbeitungskopfelement 10 und
das Düsenelement 12 ausgeübt wird, so
dass der O-Ring 34 wieder seine normale Form annimmt, wodurch
der zuvor erwähnte Zwischenraum A zwischen dem Kopfausrichtungsteil 16 und
dem Düsenausrichtungsteil 14 entsteht (20).
Wenn die Düse 22 entnommen wird, drückt
die Düsenwechslereinheit 63 das Düsenelement 12 fest
nach oben gegen das Bearbeitungskopfelement 10, wodurch
ein Zwischenraum zwischen dem Düsenelement 12 und
der Düsenbefestigung 21 entsteht, und dreht dann
nur die Düsenbefestigung 21 so, dass die Stifte 32 der Düsenbefestigung 21 durch
die jeweiligen Stifteinpassöffnungen 26 im Kopfflansch 15 hindurchgehen.
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Mit
Bezug auf 14 und 15 umfasst die
vorstehend erwähnte Düsenwechslereinheit 63 eine
stationäre Grundplatte 62, ein direktwirkendes Stellglied 60,
mehrere Führungen 61, eine bewegliche Plattform 58,
einen Drehantrieb 59, einen primären Drehkraftgeber 55,
einen sekundären Drehkraftgeber 57, einen Düsenschieber 52,
eine Dreheinrichtung 64, eine Drehscheibe 56,
mehrere Anschläge 53 und Gasfreisetzungsöffnungen 54.
Das direktwirkende Stellglied 60 und die Führungen 61 fixieren
zusammen die bewegliche Plattform 58 an der stationären
Grundplatte 62. Der Drehantrieb 59, der an der beweglichen
Plattform 58 befestigt ist, umfasst einen Hauptkörper 59a und
eine Antriebswelle 59b, die sich in Bezug auf den Hauptkörper 59a dreht
(18). Der primäre Drehkraftgeber 55 ist
an der Antriebswelle 59b des Drehantriebs 59 befestigt.
Der Düsenschieber 52 ist an der beweglichen Plattform 58 befestigt
und auf einer Oberfläche mit dem Düsenstützstab 51 versehen.
Die Dreheinrichtung 64 ist um den Düsenschieber 52 herum
angebracht, und die Drehscheibe 56 und der sekundäre
Drehkraftgeber 57 sind auf einer gemeinsamen Achse um die
Dreheinrichtung 64 herum angebracht, wobei die Drehscheibe 56 und
der sekundäre Drehkraftgeber 57 fest miteinander
verbunden sind. Der primäre Drehkraftgeber 55 kämmt
mit dem sekundären Drehkraftgeber 57. Die Gasfreisetzungsöffnungen 54,
die in der Drehscheibe 56 ausgebildet sind, dienen dazu, Schwingungen
zu verhindern, die potentiell durch eine Schwingbewegung der Anschläge 53 und
Hilfsgasströmungen verursacht werden.
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Nun
wird der Betrieb des Düsenwechslers 50 zum Austauschen
der Düse 22 des Bearbeitungskopfs 11 der
Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 im Einzelnen mit Bezug
auf den Arbeitsablauf der einzelnen Bestandteile des Düsenwechslers 50 beschrieben.
Das direktwirkende Stellglied 60 bewirkt, wenn es aktiviert
ist, dass sich die bewegliche Plattform 58 entlang einer
z-Achsenrichtung (vertikalen Richtung) in einer durch die Führungen 61 geführten Bewegung
bewegt. Der Drehantrieb 59, der primäre Drehkraftgeber 55 und
andere mechanische Einrichtungen, die auf der beweglichen Plattform 58 angebracht
sind, bewegen sich zusammen mit der beweglichen Plattform 58 nach
oben und unten. Der sekundäre Drehkraftgeber 57,
die Drehscheibe 56 und die Anschläge 53 werden
dazu gebracht, sich zusammen über die Dreheinrichtung 64 um
den Düsenschieber 52 zu drehen. Wenn sich die
Antriebswelle 59b des Drehantriebs 59 dreht, dreht
sich damit auch der an der Antriebswelle 59b befestigte
primäre Drehkraftgeber 55, und der sekundäre
Drehkraftgeber 57, der mit dem primären Drehkraftgeber 55 in Eingriff
steht, dreht sich um den Düsenschieber 52. Da
die Drehscheibe 56 und der sekundäre Drehkraftgeber 57 aneinander
befestigt sind, dreht sich die Drehscheibe 56, wenn sich
der sekundäre Drehkraftgeber 57 dreht. Kurz ausgedrückt
dreht sich die Drehscheibe 56 um den Düsenschieber 52,
wenn sich die Antriebswelle 59b des Drehantriebs 59 dreht. Der
Düsenschieber 52 dreht sich in diesem Zustand nicht,
weil die Dreheinrichtung 64 zwischen der Kombination aus
der Drehscheibe 56 und dem sekundären Drehkraftgeber 57 und
dem Düsenschieber 52 vorhanden ist.
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Nachstehend
wird mit Bezug auf das Ablaufschema von 16 beschrieben,
wie die Düse 22 unter Verwendung des Düsenwechslers 50 in
das Bearbeitungskopfelement 10 eingebaut wird. Als Vorbereitung
für den Einbau der Düse 22 wird der O-Ring 34 in
die im Düsenflansch 30 ausgebildete Ringkehle 31 eingesetzt,
und die Düsenbefestigung 21 wird auf der Innenseite
der Anschläge 53 der Düsenwechslereinheit 63 so
angeordnet, dass sich ausgeschnittene Abschnitte 21a der
Düsenbefestigung 21 (siehe 5A und 5B)
in Kontakt mit zwei einander entgegengesetzten Anschlägen 53 befinden.
Dann wird das Düsenelement 12 so in die Düsenbefestigung 21 eingesetzt,
dass sich der Düsenstützstab 51 oben
am Düsenschieber 52 in die Düsenöffnung 29 des
Düsenelements 12 einpasst, wie in 18 gezeigt
ist. Wenn der Düsenschieber 52 nicht mit dem Düsenstützstab 51 versehen
ist, kann sich das Düsenelement 12, wie in 21 gezeigt,
zur Seite lehnen, was im Düseneinbauprozess potentiell eine
Fehlausrichtung der Mittelachsen des Düsenelements 12 und
des Bearbeitungskopfelements 10 und die Unmöglichkeit
bewirkt, das vorgeordnete Ende 28 des Düsenelements 12 in
den Verbindungsabschnitt 24 des Bearbeitungskopfelements 10 einzupassen.
Selbst wenn das Düsenelement 12 aufrecht stehend
am Düsenschieber 52 angeordnet werden könnte,
kann das Düsenelement 12, wie in 22 gezeigt,
seitwärts von einer Mittelachse des Düsenschiebers 52 versetzt
sein, was im Düseneinbauprozess zur potentiellen Unmöglichkeit
führt, das vorgeordnete Ende 28 des Düsenelements 12 in
den Verbindungsabschnitt 24 des Bearbeitungskopfelements 10 einzupassen.
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Weitergehend
zum Schritt S1 von 16 bringt (dreht) die Düsenwechslereinheit 63 die
Düsenbefestigung 21 in eine Düsenentnahmeposition, die
sich auf eine Winkelposition der Düsenbefestigung 21 bezieht,
in der die Düsenwechslereinheit 63 die Düsenbefestigung 21 aus
dem Bearbeitungskopfelement 10 entfernt, das heißt,
die Position, in der die Stifte 32 der Düsenbefestigung 21 mit
den Stifteinpassöffnungen 26 im Kopfflansch 15 des
Bearbeitungskopfelements 10 ausgerichtet sind. Dann stellt die
Bewegungsvorrichtung relative Positionen des Bearbeitungskopfelements 10 und
des Düsenwechslers 50 in der x- und y-Achsenrichtung
so ein, dass sich die Mittelachse des Düsenschiebers 52 mit
der Mittelachse des Bearbeitungskopfelements 10 ausrichtet
und das Kopfausrichtungsteil 16 des Bearbeitungskopfelements 10 genau
direkt gegenüber dem Düsenausrichtungsteil 14 des
Düsenflanschs 30 angeordnet wäre. Im
Spezielleren bewegt der XY-Tisch 3 (die Bewegungsvorrichtung)
der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 den Düsenwechsler 50 zu
einer Düsenaustauschposition, in der sich der Düsenwechsler 50 genau
unterhalb des Bearbeitungskopfelements 10 befindet, so
dass die Mittelachse des Düsenschiebers 52 mit
derjenigen des Bearbeitungskopfelements 10 ausgerichtet
ist.
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Nachdem
die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 in die Düsenaustauschposition
gebracht und der Düsenschieber 52 mit dem Bearbeitungskopfelement 10 ausgerichtet
wurde, wird das direktwirkende Stellglied 60 der Düsenwechslereinheit 63 aktiviert,
um die bewegliche Plattform 58 anzuheben und dadurch die
Düse 22 nach oben zu bewegen, und zwar so, dass
das vorgeordnete Ende 28 des Düsenelements 12 in
den Verbindungsabschnitt 24 des Bearbeitungskopfelements 10 eingepasst
wird. Wenn sich die bewegliche Plattform 58 nach oben bewegt,
drückt der Düsenflansch 30 des Düsenelements 12 den
O-Ring 34 so gegen das nachgeordnete Ende des Bearbeitungskopfelements 10,
dass sich der O-Ring 34 verformt, bis das Düsenausrichtungsteil 14 des
Düsenflanschs 30 in engen Kontakt mit dem Kopfausrichtungsteil 16 des
Bearbeitungskopfelements 10 kommt, und als Konsequenz die
Stifte 32 der Düsenbefestigung 21 durch
die jeweiligen Stifteinpassöffnungen 26 hindurchgehen,
die im Kopfflansch 15 ausgebildet sind, und über
dem Kopfflansch 15 angeordnet sind, wie in 19 gezeigt
ist. Da das vorgeordnete Ende 28 des Düsenelements 12 an
diesem Punkt in den Verbindungsabschnitt 24 des Bearbeitungskopfelements 10 eingepasst
ist, können das Bearbeitungskopfelement 10 und
die Düse 22 mit einem zwischen diesen bestehenden
hohen Grad an Konzentrizität wieder zusammengebaut werden,
und somit richtet sich die Strömungsrichtung des Hilfsgases 20 mit
der optischen Achse des Laserlichts 19 mit hoher Genauigkeit
aus (Schritt S2 von 16). Anschließend bringt
(dreht) die Düsenwechslereinheit 63 die Düsenbefestigung 21 in
eine Arretierungsposition, in der die Stifte 32 der Düsenbefestigung 21 am
Stiftarretierungsteil 25 des Bearbeitungskopfelements 10 aufliegen.
Mit anderen Worten werden die Stifte 32, die durch die
Stifteinpassöffnungen 26 im Kopfflansch 15 nach
oben durchgegangen sind, auf das Stiftarretierungsteil 25 bewegt
und daran arretiert. Genauer ausgedrückt, wird der Drehantrieb 59 der
Düsenwechslereinheit 63 aktiviert, um die Düsenbefestigung 21 zusammen
mit der Dreheinrichtung 64 so zu drehen, dass die Düsenbefestigung 21 in
die Arretierungsposition gebracht wird (Schritt S3 von 16).
Schließlich senkt das direktwirkende Stellglied 60 die
bewegliche Plattform 58 so ab, dass das Düsenelement 12 etwas nach
unten geht. In der Folge nimmt die auf den O-Ring 34 ausgeübte
Schubkraft ab, so dass der O-Ring 34 wieder seine normale
Form annimmt und der zuvor erwähnte Zwischenraum A zwischen
dem Kopfausrichtungsteil 16 und dem Düsenausrichtungsteil 14 entsteht,
wie in 20 gezeigt ist (Schritt S4 von 16).
Das Düsenelement 12 der Düse 22 kann
durch den vorstehend beschriebenen Düseneinbauvorgang am
Bearbeitungskopfelement 10 angebracht werden.
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Nachstehend
wird mit Bezug auf das Ablaufdiagramm von 17 beschrieben,
wie die Düse 22 unter Verwendung des Düsenwechslers 50 aus
dem Bearbeitungskopfelement 10 entfernt wird. Zuerst stellt
die Bewegungseinrichtung die relativen Positionen des Bearbeitungskopfelements 10 des
Bearbeitungskopfs 11 und des Düsenwechslers 50 in
den x- und y-Achsenrichtungen ein. Genauer ausgedrückt bewegt
der XY-Tisch 3 (die Bewegungsvorrichtung) der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 den
Düsenwechsler 50 zu einer Düsenaustauschposition,
in welcher sich der Düsenwechsler 50 genau unterhalb des
Bearbeitungskopfs 11 befindet, wobei die Mittelachse des
Bearbeitungskopfs mit der Mittelachse des Düsenschiebers 52 ausgerichtet
ist, wie in 20 gezeigt ist.
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Weitergehend
mit dem Schritt S5 von 17 bringt (dreht) die Düsenwechslereinheit 63 die
Drehscheibe 56 zu einer Düseneinpassposition,
die sich auf eine Winkelposition der Drehscheibe 56 bezieht, in
der sich zwei der Anschläge 53 mit den ausgeschnittenen
Abschnitten 21a der Düsenbefestigung 21 ausrichten.
Selbst wenn eine Winkelverschiebung zwischen den Anschlägen 53 und
der Düsenbefestigung 21 besteht, erzeugt der Drehantrieb 59 ein Drehmoment
(eine Drehantriebskraft) zur Feineinstellung der Winkelposition
der Drehscheibe 56, damit sich die Anschläge 53 mit
den ausgeschnittenen Abschnitten 21a der Düsenbefestigung 21 ausrichten (Schritt
S6 von 17). Dann wird der Bearbeitungskopf 11 so
abgesenkt, dass sich der Düsenstützstab 51 in
die Düsenöffnung 29 des Düsenelements 12 einpasst.
Um das Düsenelement 12 aus der Düsenbefestigung 21 zu
lösen, wird das direktwirkende Stellglied 60 der
Düsenwechslereinheit 63 aktiviert, um die bewegliche
Plattform 58 anzuheben und dadurch die Düse 22 nach
oben zu bewegen. Wenn sich die bewegliche Plattform 58 nach
oben bewegt, drückt der Düsenflansch 30 des
Düsenelements 12 den O-Ring 34 so gegen
das nachgeordnete Ende des Bearbeitungskopfelements 10,
dass sich der O-Ring 34 verformt, bis das Düsenausrichtungsteil 14 des
Düsenflanschs 30 in engen Kontakt mit dem Kopfausrichtungsteil 16 des
Bearbeitungskopfelements 10 kommt (Schritt S7 von 17).
Während sich die bewegliche Plattform 12 nach
oben bewegt, wird das Hilfsgas 20 so in den Bearbeitungskopf 11 zugeführt,
dass das durch die Düsenöffnung 29 ausgestoßene
Hilfsgas 20 jeglichen Schmutz und Staub vom Düsenwechsler 50 fortbläst
(Schritt S8 von 17). Das so in den Düsenwechsler 50 eingeblasene
Hilfsgas 20 wird durch die Gasfreisetzungsöffnungen 54 und
andere Öffnungen im Düsenwechsler 50 nach
außen abgeleitet. Während dieses Gasausblaseprozesses
dienen die Gasfreisetzungsöffnungen 54 dazu, Schwingungen
der Düsenwechslereinheit 63 zu verhindern, die
potentiell durch den Druck des Hilfsgases 20 verursacht
werden. Anschließend hört die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 damit auf,
das Hilfsgas 20 weiter zuzuführen (Schritt S9
von 17).
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Wenn
die bewegliche Plattform 58 voll nach oben gegangen ist,
wird der Drehantrieb 59 der Düsenwechslereinheit 63 aktiviert,
um die Düsenbefestigung 21 zusammen mit der Dreheinrichtung 64 so zu
drehen, dass die Düsenbefestigung 21 zur Düsenentnahmeposition
gebracht wird, an der sich die Stifte 32 der Düsenbefestigung 21 mit
den Stifteinpassöffnungen 26 im Kopfflansch 15 des
Bearbeitungskopfelements 10 ausrichten (Schritt S10 von 17).
Dann senkt das direktwirkende Stellglied 60 die bewegliche
Plattform 58 so ab, dass das Düsenelement 12 etwas
nach unten geht. In der Folge wird die auf den O-Ring 34 ausgeübte
Schubkraft gelöst, so dass dieser wieder seine normale
Form annimmt und ein Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil 16 und
dem Düsenausrichtungsteil 14 entsteht, wie in 20 gezeigt
ist. Der zwischen dem Kopfausrichtungsteil 16 und dem Düsenausrichtungsteil 14 in
diesem Düsenentnahmeprozess entstandene Zwischenraum ist
gleich dem oder größer als der Zwischenraum A,
der im zuvor erwähnten Düseneinbauprozess entsteht.
Da die Stifte 32 der Düsenbefestigung 21 an
diesem Punkt mit den Stifteinpassöffnungen 26 im
Kopfflansch 15 ausgerichtet sind, gehen die Stifte 32 nach
unten durch die Stifteinpassöffnungen 26 hindurch,
und die das Düsenelement 12 tragende Düsenbefestigung 21 löst
sich vom Bearbeitungskopfelement 10, wenn sich die bewegliche
Plattform 58 der Düsenwechslereinheit 63 absenkt.
Während die Düsenbefestigung 21 nach
unten geht, führt die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 das
Hilfsgas 20 wieder so in das Bearbeitungskopfelement 10 zu,
dass es nach unten durch den Kopfinnenkanal 23 des Bearbeitungskopfelements 10 und
in den Düsenwechsler 50 ausgestoßen wird
(Schritt S11 von 17). Das durch den Kopfinnenkanal 23 ausgestoßene
Hilfsgas 20 trifft zuerst am O-Ring 34 in der
Ringkehle 31 des Düsenelements 12 auf,
und dient dadurch dazu, den O-Ring 34 vom Bearbeitungskopfelement 10 zu
trennen, an dem der O-Ring 34 sicher anhaftet. Das so in
den Düsenwechsler 50 geblasene Hilfsgas 20 wird
durch die Gasfreisetzungsöffnungen 54 und andere Öffnungen im
Düsenwechsler 50 nach außen abgeleitet. Schließlich
hört die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 damit
auf, das Hilfsgas 20 weiter zuzuführen (Schritt
S12 von 17). Durch den vorstehend beschriebenen
Düsenentnahmevorgang kann die Düse 22 aus
dem Bearbeitungskopfelement 10 entfernt werden.
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Falls
während des Düseneinbau- oder Düsenentnahmeprozesses
Reibung zwischen dem Düsenelement 12 und der Düsenbefestigung 21 auftritt, findet
ein Verschleiß eines Teils des Düsenelements 12 und/oder
der Düsenbefestigung 21 statt. Die örtliche
Lage dieses verschleißbehafteten Teils ist kritisch, weil
sie ein Lageverhältnis zwischen der Düsenöffnung 29 des
Düsenelements 12 und eines Brennpunkts des Laserlichts 19 bestimmt.
Dies bedeutet, dass, wenn das Düsenelement 12 und
die Düsenbefestigung 21 sich aneinander entlang
in Reibungsbewegung bewegen und das eine Teil oder beide Teile einen
Verschleiß erfahren, die Möglichkeit auftritt,
dass eine Veränderung im Lageverhältnis zwischen
der Düsenöffnung 29 und dem Brennpunkt des
Laserlichts 19 stattfindet. Zum Beispiel kann eine Veränderung
im Abstand zwischen der Düsenöffnung 29 und
dem Brennpunkt des Laserlichts 19 potentiell zu einer Herabsetzung
der Bearbeitungsgüte führen, was später
noch im Einzelnen beschrieben wird. Während des vorstehend
beschriebenen Düseneinbau- oder Düsenentnahmeprozesses
wird der O-Ring 34 so komprimiert, dass er sich verformt,
bis das Düsenausrichtungsteil 14 des Düsenflanschs 30 in
engen Kontakt mit dem Kopfausrichtungsteil 16 des Bearbeitungskopfelements 10 kommt
und als Konsequenz das Düsenelement 12 nicht mit
der Düsenbefestigung 21 in Berührung
ist. Da in diesem Zustand nur die Düsenbefestigung 21 gedreht
wird, um die Düse 22 in das Bearbeitungskopfelement 10 einzubauen
oder daraus zu entfernen, erfährt somit weder das Düsenelement 12 noch
die Düsenbefestigung 21 aufgrund zwischen diesen
bestehender Reibung einen Verschleiß. Darüber
hinaus braucht der Drehantrieb 59 während des
Düseneinbau- oder Düsenentnahmeprozesses kein
großes Drehmoment zu erzeugen. Da nur die Düsenbefestigung 21 gedreht wird,
wird auch nicht bewirkt, dass der O-Ring 34 während
des Düseneinbau- oder Düsenentnahmeprozesses an
irgendeinem nahe befindlichen Bauteil reibt. Folglich trägt
der Düseneinbau- und Düsenentnahmeprozess der
vorliegenden Ausführungsform dazu bei, die Nutzungsdauer
des O-Rings 34 zu verlängern. Aufgrund dessen,
dass die Anschläge 53 auf der Drehscheibe 56 vorgesehen
sind, kann darüber hinaus die Düsenbefestigung 21 in
eine von vorgeschriebenen Winkelpositionen gedreht werden, die sich
in bestimmten Abständen wie etwa 90 Grad befinden. Dies
dient dazu, die Notwendigkeit abzuschaffen, zu beurteilen, ob der
Düseneinbau- oder Düsenentnahmeprozess abgeschlossen
wurde. Zusätzlich erzeugt der Drehantrieb, selbst wenn
die Düsenbefestigung auf der Innenseite der Anschläge 53 mit
einer leichten Abweichung von einer gewünschten Winkelposition
angeordnet ist, das Drehmoment zur Feineinstellung der Winkelposition
der Anschläge 53. Es ist deshalb unnötig,
die Düsenbefestigung 21 in den Anschlägen 53 an
einer streng ausgerichteten Winkelposition anzusetzen.
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Obwohl 6 ein
Beispiel zeigt, bei dem die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 mit
einem einzigen Düsenwechsler 50 ausgestattet ist,
ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 kann
so modifiziert werden, dass sie mehrere Düsenwechsler umfasst,
damit die momentan eingebaute Düse 22 automatisch
durch eine geeignete Düse 22 ersetzt wird, die
je nach der Art des Laserbearbeitungsvorgangs, der als nächstes
durchgeführt werden soll, aus den mehreren Düsen 22 ausgewählt
wird. Jeder der mehreren Düsenwechsler, der zu diesem Zweck
in der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung vorgesehen ist, kann sämtliche
zuvor erwähnten Bestandteile des in 14 gezeigten
Düsenwechslers 50 umfassen. Alternativ können
die mehreren Düsenwechsler mit einem einzelnen Satz bestehend
aus der stationären Grundplatte 62, dem direktwirkendem
Stellglied 60, den Führungen 61 und der
beweglichen Plattform 58 versehen sein, die von mehreren
Sätzen des Rests der Bestandteile des Düsenwechslers 50 von 14 gemeinsam
genutzt werden.
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In
der Praxis sind die Bestandteile des Bearbeitungskopfs 11 und
Düsenwechslers 50, wie etwa das Bearbeitungskopfelement 10,
das Düsenelement 12, die Düsenbefestigung 21 und
die Düsenwechslereinheit 63 mit gewissen Schwankungen
in der Bearbeitungsgenauigkeit hergestellt. Es ist jedoch wesentlich,
dass das direktwirkende Stellglied 60 ungeachtet der Schwankungen
in der Bearbeitungsgenauigkeit sicherstellt, dass der Düsenflansch 30 in engem
Kontakt und auf zuverlässige Weise mit dem Bearbeitungskopfelement 10 angeordnet
wird. Wenn das direktwirkende Stellglied 60 die Höhe
der beweglichen Plattform 58 und somit die Höhe
der Düse 22 durch eine Positionsregelungsannäherung
beim Düseneinbau- und Düsenentnahmeprozess regelt,
kann ein Positionierungsfehler auftreten, der eine anschließende
Höheneinstellung notwendig macht. Beim Düsenwechsler 50 dieser
Ausführungsform regelt das direktwirkende Stellglied 60 die
Höhe der beweglichen Plattform 58 (der Düse 22)
durch eine Kraftregelungsannäherung. Speziell hebt das
direktwirkende Stellglied 60 die bewegliche Plattform 58 (die
Düse 22) regelbar bis zu einem Punkt an, an dem
der O-Ring 34 zusammengedrückt ist und das Düsenausrichtungsteil 14 des
Düsenflanschs 30 in engen Kontakt mit dem Kopfausrichtungsteil 16 des Bearbeitungskopfelements 10 kommt.
Bei diesem Düsenanhebevorgang trägt der O-Ring 34 ungeachtet
der Bearbeitungsgenauigkeit der diesbezüglichen Bestandteile
zur Regelung der Höhe der Düse 22 bei, so
dass das Düsenausrichtungsteil 14 auf zuverlässige
Weise mit dem Kopfausrichtungsteil 16 in engen Kontakt
kommt.
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Nun
wir der Arbeitsablauf der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 mit
dem so aufgebauten Bearbeitungskopf 11 beschrieben. Die
Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 wird zum Heißschneiden
des durch die Klemmvorrichtung 2 am XY-Tisch 3 festgehaltenen
Werkstücks 18 unter Verwendung des Laserlichts 19 verwendet.
Die Laseroszillatoreinheit 5 der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 erzeugt das
Laserlicht 19 durch einen Prozess, der als Laseroszillation
bekannt ist. Das Laserlicht 19 wird vom Reflexionsspiegel 9 zum
Bearbeitungskopf 11 reflektiert und durch die im Bearbeitungskopf 11 vorgesehene
Fokussierlinse 13 so fokussiert, dass das Werkstück 18 ungefähr
am Brennpunkt des Laserlichts 19 geschnitten wird. Die
Hilfsgaszufuhreinheit 17, die in der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 vorgesehen
ist, beaufschlagt das Hilfsgas 20 mit Druck. Das druckbeaufschlagte
Hilfsgas 20 wird aus dem Bearbeitungskopf 11 zum
Werkstück 18 hin ausgestoßen, um Schmutz
oder geschmolzenes Material des Werkstücks 19,
das während des Laserschneidvorgangs entsteht, fortzublasen.
Der XY-Tisch 3 (die Bewegungsvorrichtung) bewegt das Werkstück 18 in der
horizontalen Ebene in der x- und y-Achsenrichtung, und zwar so,
dass ein bestimmter Teil des Werkstücks 18, der
geschnitten werden soll, sich genau unterhalb des Bearbeitungskopfs 11 befindet. Auch
wird die Höhe (vertikale Position) des Bearbeitungskopfs 11 durch
einen (nicht gezeigten) z-Achsen-Servomotor eingestellt, um die
genaue Anordnung des Brennpunkts des Laserlichts 19 in
Bezug auf das Werkstück 18 zu optimieren. Wie
bereits zuvor erwähnt, ist die Bewegungsvorrichtung der
Erfindung nicht auf die Anordnung beschränkt, in welcher der
XY-Tisch 3 das Werkstück 18 in der horizontalen Ebene
bewegt, sondern kann auch eine Anordnung sein, um das Bearbeitungskopfelement 10 horizontal zu
bewegen, oder eine Anordnung, um den XY-Tisch 3 und den
Bearbeitungskopf 11 in Bezug auf die x- und y-Achsenrichtungen
anderweitig zu bewegen.
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In 7A ist
ein Idealzustand gezeigt, der sich normalerweise während
eines Laserbearbeitungsvorgangs beobachten lässt, bei dem
die Strömungsrichtung des ausgestoßenen Hilfsgases 10 mit der
optischen Achse des Laserlichts 19 übereinstimmt.
Während das Werkstück 18 durch Hitze
des Laserlichts 19 geschnitten wird, bläst das
Hilfsgas 20 das geschmolzene Material des Werkstücks 18 nach unten
fort. Wenn die Konzentrizität zwischen dem Bearbeitungskopfelement 10 und
der Düse 22 beeinträchtigt ist, ist die
Strömungsrichtung des ausgestoßenen Hilfsgases 20 nicht
genau mit der optischen Achse des Laserlichts ausgerichtet, wie
in 7B gezeigt ist, und als Konsequenz kann das Hilfsgas 20 auf
einem ungewünschten Teil des Werkstücks 18 oder
sogar auf einem ungeeigneten Bereich unterhalb des Werkstücks 18 auftreffen.
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Wenn
die Strömungsrichtung des Hilfsgases 20 wie vorstehend
erwähnt gestört ist, kann das geschmolzene Material
des Werkstücks 18, das im Idealzustand des Laserbearbeitungsvorgangs
durch das Hilfsgas 20 fortgeblasen wird, an der Düsenöffnung 29 anhaften,
was an dieser eine Ansammlung von Rückständen 35 schafft,
und die so entstandenen Rückstände 35 können
das Werkstück 18 als Ergebnis eines Kontakts mit
diesem beschädigen. Eine andere Möglichkeit, die
aus einer Ansammlung von Rückständen 35 am
Werkstück 18 entstehen kann, besteht darin, dass
die am Werkstück 18 anhaftenden Rückstände 35 nur
ungleichmäßig entfernt werden können,
was zur Bildung eines Grats 36 oder zur Entwicklung eines
Defekts 37 wie etwa einer krumm bearbeiteten Fläche
führt. Wenn der Abstand zwischen der Düsenöffnung 29 und
dem Werkstück 18 kleiner ist als ein in 8A gezeigter
idealer Abstand, tritt insofern ein Risiko auf, als das Werkstück 18 oder
das Düsenelement 12 als Ergebnis direkten Kontakts
zwischen diesen Schaden nimmt. Wenn der Abstand zwischen der Düsenöffnung 29 und
dem Werkstück 18 größer ist
als der wie in 8B gezeigte ideale Abstand,
tritt hingegen eine große Menge des Hilfsgases 20 zwischen
der Düse 22 und dem Werkstück 18 aus,
was potentiell die Unmöglichkeit, die Rückstände 35 ausreichend
vom Werkstück 18 zu entfernen, wie auch eine sich
ergebende Entstehung des Grats 36 und eine Herabsetzung
der Bearbeitungsgüte bewirkt.
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Wie
aus der vorstehenden Erörterung zu erkennen sein wird,
muss der Bearbeitungskopf 11 mit hoher Genauigkeit in einer
optimalen Höhe vom Werkstück 18 angeordnet
werden. Nachstehend wird die vertikale Maßgenauigkeit des
Bearbeitungskopfs 11 beschrieben, die in der vorliegenden
Erfindung erforderlich ist. Die Höhe des Bearbeitungskopfs 11 wird
normalerweise so eingestellt, dass der Brennpunkt des Laserlichts 19 auf
einer Oberfläche des Werkstücks 18 liegt.
Mit Bezug auf 9 wird ein Abstand 44 zwischen
der Düsenöffnung 29 am nachgeordneten
Ende des Düsenelements 12 und der Oberfläche
des Werkstücks 18 dadurch ermittelt, dass ein Abstand 40 zwischen
der in den Bearbeitungskopf 11 eingebauten Fokussierlinse 13 und
des Stiftarretierungsteils 25 des Kopfflanschs 15,
ein Abstand 41 zwischen unteren Enden der Stifte 32 der
Düsenbefestigung 21 und einer Oberfläche
des Düsenhalterungsteils 33 von dieser (oder der
Unterseite des Düsenflanschs 30), ein Abstand 42 zwischen
der Unterseite des Düsenflanschs 30 (oder der
Oberfläche des Düsenhalterungsteils 33 der
Düsenbefestigung 21) und der Düsenöffnung 29 am
nachgeordneten Ende des Düsenelements 12 von einem
Abstand 43 zwischen der Fokussierlinse 13 und
dem Brennpunkt abgezogen werden. Der Abstand 43 zwischen
der Fokussierlinse 13 und dem Brennpunkt, und der Abstand 40 zwischen
der Fokussierlinse 13 und dem Stiftarretierungsteil 25 des
Kopfflanschs 15 sind vorbestimmt und bleiben auch dann
unverändert, wenn die Düse 22 ausgetauscht
wird. Somit ist der Abstand 44 zwischen der Düsenöffnung 29 am
nachgeordneten Ende des Düsenelements 12 und der
Oberfläche des Werkstücks 18 durch zwei
Parameter bestimmt, und zwar den Abstand 41 zwischen den
unteren Enden der Stifte 32 und der Oberfläche
des Düsenhalterungsteils 33 (oder der Unterseite
des Düsenflanschs 30) und den Abstand 42 zwischen
der Unterseite des Düsenflanschs 30 (oder der
Oberfläche des Düsenhalterungsteils 33 der
Düsenbefestigung 21) und der Düsenöffnung 29 am
nachgeordneten Ende des Düsenelements 12.
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Wenn
die Anzahl an Bestandteilen nicht so groß ist wie beim
Bearbeitungskopf 11 der ersten Ausführungsform,
variiert die Summe der zuvor erwähnten Abstände 41 und 42 auch
dann nicht so sehr, wenn Maß- und Positionsschwankungen
aller dieser Bestandteile zusammenkommen, so dass Schwankungen,
die im Abstand 44 zwischen der Düsenöffnung 29 und
der Oberfläche des Werkstücks 18 auftreten
können, ziemlich gering sind. Ein tatsächlicher
Bereich von Schwankungen bei diesem Abstand 44 ist bei
weitem kleiner als ein Bereich zulässiger Fehler im Abstand 44 zwischen
der Düsenöffnung 29 und der Oberfläche
des Werkstücks 18. Speziell wenn die Düse 22,
die das Düsenelement 12 und die Düsenbefestigung 21 umfasst,
durch einen anderen Typ ersetzt wird, darf eine Schwankung im Abstand 44 zwischen
der Düsenöffnung 29 und der Oberfläche
des Werkstücks 18, um eine qualitativ hochwertige
Bearbeitung sicherzustellen, 0,6 mm nicht überschreiten.
Da es nur zwei Bestandteile (d. h. das Düsenelement 12 und
die Düsenbefestigung 21) gibt, die sich auf die örtliche
Lage des Brennpunkts auswirken, müssen diese beiden Bestandteile jeweils
mindestens mit einer Maßtoleranz von 0,3 mm hergestellt
werden. Diese Maßtoleranz fällt in den Bereich
von für gewöhnlich erforderlichen Maßtoleranzen
und lässt sich ohne Weiteres erzielen. Es ist deshalb möglich,
den Bearbeitungskopf 11 wieder so zusammenzusetzen, dass
der Abstand 44 zwischen der Düsenöffnung 29 und
der Oberfläche des Werkstücks 18 im Wesentlichen
gleich zum zuvor erwähnten idealen Abstand wird. Da die
Düse 22 und das Bearbeitungskopfelement 10 aneinander
arretiert werden, indem im vorstehend beschriebenen Aufbau des Bearbeitungskopfs 11 die
Stifte 32 der Düsenbefestigung 21 am
Stiftarretierungsteil 25 des Kopfflanschs 15 eingehakt
werden, ist es möglich, den in 7A gezeigten
Idealzustand der Laserbearbeitung und keine wie in 8A und 8B gezeigten
unerwünschten Zustände zu schaffen, und zwar ohne
die vertikale Positionierung der Düse 22 nach
deren Austausch einstellen zu müssen.
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Nachstehend
wird erörtert, wie viele Stifte 32 vorgesehen
werden sollten, um die zuvor erwähnten vorteilhaften Wirkungen
der vorliegenden Erfindung hervorzurufen. Wenn die Düsenbefestigung 21 mit nur
einem Stift 32 versehen ist, tritt die Möglichkeit auf,
dass die Düse 22 zusammen mit der Düsenbefestigung 21 aufgrund
des Drucks des Hilfsgases kippt. In der vorstehenden Erörterung
wird davon ausgegangen, dass jeder Stift 32 ausreichend
dick ist und somit eine Durchbiegung des Stifts 32, die
durch den Druck des Hilfsgases 20 verursacht wird, vernachlässigbar
ist. Wenn zum Beispiel das vorgeordnete Ende 28 des Düsenelements 12 einen
Außendurchmesser von 14,98 mm hat, und der Verbindungsabschnitt 24 des
Bearbeitungskopfelements 10 einen Innendurchmesser von
15,02 mm hat, wodurch ein Zwischenraum von 0,04 mm dazwischen entsteht,
beträgt ein berechneter höchster Kippwinkel der
Düse 22 4,18 Grad. Wenn man davon ausgeht, dass
das zu bearbeitende Werkstück 18 25 mm dick ist,
bewirkt dieser Kippwinkel der Düse 22, dass das Laserlicht 19 und
das Hilfsgas 20 horizontal an der Unterseite des Werkstücks 18 um
1,83 mm abweichen. Dies würde die Konzentrizität
zwischen dem Bearbeitungskopfelement 10 und der Düse 22 beeinträchtigen
und zu einer Herabsetzung der Bearbeitungsgüte führen.
Um solch eine durch den Druck des Hilfsgases 20 herbeigeführte
Herabsetzung der Konzentrizität zwischen dem Bearbeitungskopfelement 10 und
der Düse 22 zu verhindern, muss unbedingt der
Zwischenraum zwischen dem vorgeordneten Ende 28 des Düsenelements 12 und
dem Verbindungsabschnitt 24 des Bearbeitungskopfelements 10 verkleinert
werden. Dies erfordert eine hohe Genauigkeit bei den Formen der
Bestandteile des Bearbeitungskopfs 11, was zu einer Zunahme
ihrer Herstellungskosten führt.
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Dieses
Problem, das mit dem vorstehend beschriebenen Einzelstiftaufbau
zusammenhängt, bei dem die Düsenbefestigung 21 nur
mit einem einzigen Stift 32 ausgestattet ist, kann ohne
Weiteres überwunden werden, indem die zuvor erwähnten
zwei Stifte 32 vorgesehen werden, die von der allgemein zylindrischen
Seitenwand der Düsenbefestigung 21 in einem Abstand
von 180 Grad radial nach innen vorstehen. Das Vorsehen der beiden
Stifte 32 dient dazu, zu verhindern, dass die Düsenbefestigung 21 und
die Düse 22 aufgrund des Drucks des Hilfsgases 20 kippen,
und somit die Konzentrizität zwischen dem Bearbeitungskopfelement 10 und
der Düse 22 und ein Normalzustand der Laserbearbeitung
aufrechterhalten bleiben. Dieser Zweistiftaufbau erfordert keine
hohe Genauigkeit bei den Formen der Bestandteile des Bearbeitungskopfs 11,
was es möglich macht, die Bestandteile zu niedrigen Kosten
herzustellen.
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Als
Nächstes wird erörtert, wie dick die Stifte 32 sein
sollten. Wenn man davon ausgeht, dass der Druck des Hilfsgases 30 3
MPa beträgt, eine Fläche, die den Druck des Hilfsgases 20 aufnimmt,
gleich einem Kreis ist, der vom Durchmesser her 20 mm misst, und
jeder Stift 32 eine Scherfestigkeit τ gleich 1000
MPa hat, besteht ein Verhältnis zwischen der Scherbelastung
P und dem Durchmesser d der Stifte 32, das ausgedrückt
wird durch
P = (Π × d2/4) × τ.
Da es zwei Stifte 32 gibt, ist (3 × Π × 202/4)/2 = (Π × d2/4) × 1000, und somit ist d = 0,77 mm.
Daraus folgt, dass jeder Stift 32 vom Durchmesser her 0,8
mm oder darüber betragen sollten. Aus der vorstehenden
Erörterung ist zu erkennen, dass ohne Weiteres handelsübliche
Stifte mit Kleinstdurchmesser (1,0 mm) sich als Stift 32 für
die Düsenbefestigung 21 verwenden lassen, aber
immer noch eine ausreichende Festigkeit bereitstellen, um den Druck
des Hilfsgases 20 zu widerstehen.
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Die
Düse 22 und das Bearbeitungskopfelement 10 werden
durch eine Kombination der beiden Stifte 32, die diagonal
in einem Abstand von 180 Grad angeordnet sind, aneinander arretiert,
und der O-Ring 34 ist ganz um das Bearbeitungskopfelement 10 und
das Düsenelements 12 herum gleichmäßig zusammengedrückt.
Dieser Aufbau der Erfindung stellt sicher, dass die Düse 22 ohne
irgendein Risiko des Kippens oder Vibrierens fest am Bearbeitungskopfelement 10 befestigt
ist.
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Nachstehend
wird mit Bezug auf die 10A, 10B und 10C beschrieben,
wie die abfallende Fläche 10a des Bearbeitungskopfelements 10 und
die abfallende Fläche 12a des Düsenelements 12 beim
Regeln von Hilfsgasströmen funktionieren. Die abfallende
Fläche 10a des Bearbeitungskopfelements 10 und
die abfallende Fläche 12a des Düsenelements 12 sind
so ausgebildet, dass sie im vorher beschriebenen Entnahmeprozess
der Düse 22 aus dem Bearbeitungskopfelement 10 ideale
Strömungen des Hilfsgases 20 erzeugen. Genauer ausgedrückt
wird das Hilfsgas 20 durch den Kopfinnenkanal 23 zum
O-Ring 34 hin ausgestoßen, der fest am Bearbeitungskopfelement 10 anhaftet.
Das auf den O-Ring 34 auftreffende Hilfsgas 20 dient
dazu, diesen vom Bearbeitungskopfelement 10 zu trennen.
Beim Aufbau des Bearbeitungskopfs 11, bei dem das Bearbeitungskopfelement 10 die
abfallende Fläche 10a und das Düsenelement 12 die
abfallende Fläche 12a besitzt, wie in 10A gezeigt ist, strömt das Hilfsgas 20 gegen
einen oberen Teil des O-Rings 34. Dies macht es möglich,
sowohl die Düse 22 als auch den O-Ring 34 vom
Bearbeitungskopfelement 10 zu entfernen.
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Wenn
die abfallende Fläche 12a am Düsenelement 12 nicht
ausgebildet ist, sondern nur, wie in 10B gezeigt,
die abfallende Fläche 10a am Bearbeitungskopfelement 10 ausgebildet
ist, wird eine glatte Strömung des Hilfsgases 20,
wie dargestellt, im Bearbeitungskopfelement 10 unterbrochen,
was es schwierig macht, dass das Hilfsgas 20 ordnungsgemäß auf
den O-Ring 34 strömt, und potentiell der O-Ring 34 sicher
am Bearbeitungskopfelement 10 haften bleibt. Ist hingegen
die abfallende Fläche 10a am Bearbeitungskopfelement 10 nicht
ausgebildet, sondern nur die abfallende Fläche 12a am
Düsenelement 12 ausgebildet, wie in 12C gezeigt ist, strömt das Hilfsgas 20 wahrscheinlich,
wie dargestellt, in einen Bereich unterhalb des O-Rings 34,
wodurch der O-Ring 34 potentiell sicher am Bearbeitungskopfelement 10 haften
bleibt. Aus der vorstehenden Erörterung sollte klar sein,
dass die abfallende Fläche 10a des Bearbeitungskopfelements 10 und
die abfallende Fläche 12a des Düsenelements 12 zusammen
bei der Regelung der Hilfsgasströme wirkungsvoll arbeiten.
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Als
Nächstes wird mit Bezug auf 11A und 11B beschrieben, wie die allgemein zylindrische
abfallende Fläche 23a des im Bearbeitungskopfelement 10 ausgebildeten
Kopfinnenkanals 23, die allgemein zylindrische abfallende
Fläche 27a des Düseninnenkanals 27 und
die gekrümmte Fläche 29a, welche die
im Düsenelement 12 ausgebildete Düsenöffnung 29 umschließt,
und die an der Düsenbefestigung 21 ausgebildete
gekrümmte Fläche 21b bei der Regelung
von Hilfsgasströmen funktionieren. Wie in 11A gezeigt ist, haben die allgemein zylindrische
abfallende Fläche 23a des Kopfinnenkanals 23 und
die allgemein zylindrische abfallende Fläche 27a des
Düseninnenkanals 27, die im Bearbeitungskopfelement 10 bzw.
den Düsenelement 12 ausgebildet sind, allgemein
stromlinienförmige Querschnittsumrisslinien, um einen stetigen Übergang zwischen
den beiden abfallenden Flächen 23a, 27a bereitzustellen.
Dieser Aufbau dient dazu, eine Störung von Hilfsgasströmen
in der Düse 22 zu verhindern und dadurch einen
gewünschten Grad an Bearbeitungsgüte aufrechtzuerhalten.
Die gekrümmte Fläche 29a, die um die
Düsenöffnung 29 ausgebildet ist, und
die gekrümmte Fläche 21b, die an der
Düsenbefestigung 21 ausgebildet ist, haben auch
allgemein stromlinienförmige Querschnittsumrisslinien, um
einen stetigen Übergang zwischen den beiden gekrümmten
Flächen 21b, 29a zu bieten. Dieser Aufbau
dient dazu, Störungen von Strömungen des Hilfsgases 20,
die vom Werkstück 18 zurück abprallen,
und von abgeschmolzenen Stücken des Werkstücks 18 zu
verhindern, die vom Hilfsgas 20 forttransportiert werden.
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Wenn
die den Kopfinnenkanal 23 bildende Innenwandfläche
des Bearbeitungskopfelements 10 beispielsweise zu einer
wie in 11B gezeigten gestuften Fläche 23b ausgebildet
ist, kann diese den glatten Strom des Hilfsgases 20 unterbrechen
und eine Störung der Hilfsgasströmungen erzeugen,
was es unmöglich macht, den gewünschten Grad an
Bearbeitungsgüte zu erzielen.
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Wenn
zusätzlich der nachgeordnete Endabschnitt der Düsenbefestigung 21 so
geformt ist, dass er eine wie in 11B gezeigte
horizontale Fläche 21c bildet, können
die Strömungen des Hilfsgases 20, die vom Werkstück 18 zurück
abprallen, und der abgeschmolzenen Stücke des Werkstücks 18, die
vom Hilfsgas 20 forttransportiert werden, gestört werden,
was es unmöglich macht, den gewünschten Grad an
Bearbeitungsgüte zu erzielen. Aus der vorstehenden Erörterung
sollte klar sein, dass die allgemein zylindrische abfallende Fläche 23a des
im Bearbeitungskopfelement 10 ausgebildeten Kopfinnenkanals 23,
die allgemein zylindrische abfallende Fläche 27a des
Düseninnenkanals 27 und die gekrümmte
Fläche 29a, welche die im Düsenelement 12 ausgebildete
Düsenöffnung 29 umgibt, und die an der Düsenbefestigung 21 ausgebildete
gekrümmte Fläche 21b bei der Regelung
der Hilfsgasströmungen wirksam zusammenarbeiten.
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Mit
Bezug auf die 12A, 12B, 13A und 13B wird
nachstehend beschrieben, wie die abfallende Fläche 31a der
Ringkehle 31 und der darin eingesetzte O-Ring 34 (das
elastische Teil) zusammenwirken. Wenn die gekrümmte Innenfläche
der Außenwand der Ringkehle 31 anstatt der abfallenden
Fläche 31a eine vertikale Fläche 31b bildet,
kann der O-Ring 34 zwischen dem Kopfausrichtungsteil 16 und
dem Düsenausrichtungsteil 24, wenn er wie in 12A gezeigt zusammengedrückt ist, in
der Ringkehle 31 eingeklemmt sein. Sollte diese Situation
eintreten, kommen das Düsenelement 12 und das
Bearbeitungskopfelement 10 nicht miteinander in engen Kontakt.
Erfindungsgemäß ist die Ringkehle 31 durch
die nach innen abfallende Fläche 31a so umschlossen,
dass sich der O-Ring 34 mehr oder weniger nach innen verformt,
wenn er wie in 12B gezeigt zusammengedrückt
wird, und das Düsenelement 12 und das Bearbeitungskopfelement 10 kommen
in engen Kontakt miteinander. Auf diese Weise werden das Düsenausrichtungsteil 14 des
Düsenelements 12 und das Kopfausrichtungsteil 16 des Bearbeitungskopfelements 10 in
direktem Kontakt miteinander gehalten, wobei der O-Ring 34 jeglichen dazwischen
bestehenden Zwischenraum dicht verschließt.
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Wenn
die Ringkehle 31 die vertikale Fläche 31b besitzt,
bewirkt der Druck des Hilfsgases 20, wenn es der Düse 22 zugeführt
wird, dass sich der O-Ring 34, wie in 13A dargestellt, verformt. In der Folge tritt
das Hilfsgas 20 auf eine unregelmäßige Weise
aus, und diese Unregelmäßigkeit im Hilfsgasaustritt
kann zu einer Störung von Hilfsgasströmungen in
der Düse 22 führen, die potentiell eine
Herabsetzung der Bearbeitungsgüte verursachen. Im Vergleich
tritt das Hilfsgas beim Aufbau der vorliegenden Erfindung, bei dem
die Ringkehle 31 von der nach innen abfallenden Fläche 31a umschlossen
ist, auch dann nicht aus, wenn der O-Ring 34 sich aufgrund des
Drucks des Hilfsgases 20 verformt, so dass die Hilfsgasströmungen
in der Düse 22 nicht gestört werden und
der gewünschte Grad an Bearbeitungsgüte erzielt
werden kann. Aus der vorstehenden Erörterung sollte klar
sein, dass die abfallende Fläche 31a der Ringkehle 31 und
der darin eingesetzte O-Ring 34 (das elastische Teil) beim
Verhindern eines Hilfsgasaustritts und Regeln der Hilfsgasströmungen wirksam
zusammenarbeiten.
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Varianten
des Bearbeitungskopfs 11 der ersten Ausführungsform
werden nun mit Bezug auf die 23, 24A, 24B, 25A und 25B beschrieben.
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23 ist
eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfs nach einer Variante
der ersten Ausführungsform der Erfindung, in der Elemente,
die gleich denjenigen der ersten Ausführungsform sind, mit
denselben Bezugszeichen versehen sind und eine Beschreibung solcher
Elemente nachstehend nicht noch einmal erfolgt. Der Bearbeitungskopf
dieser in 23 gezeigten Variante unterscheidet
sich dadurch vom Bearbeitungskopf 11 der ersten Ausführungsform,
dass der O-Ring 34 in eine Ringkehle 45 eingesetzt
ist, die auf einer Unterseite des Bearbeitungskopfelements 10 ausgebildet
ist. Bei dem so aufgebauten Bearbeitungskopf kann ein vorgeordnetes
Ende 28 eines Düsenelements 12 in Reibungsbewegung
entlang des O-Rings 34 gleiten, wenn das vorgeordnete Ende 28 des
Düsenelements 12 in einen Verbindungsabschnitt 24 des
Bearbeitungskopfelements 10 eingesteckt wird. Jedoch ist
der Bearbeitungskopf dieser Variante ansonsten genauso aufgebaut
wie der Bearbeitungskopf 11 der ersten Ausführungsform
und erzielt auch dieselben vorteilhaften Wirkungen wie bislang beschrieben.
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24A und 24B sind
eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines
Bearbeitungskopfs nach einer anderen Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung, in der Elemente, die gleich denjenigen der ersten
Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen
sind und eine Beschreibung solcher Elemente nachstehend nicht noch
einmal erfolgt. Der Bearbeitungskopf dieser Variante unterscheidet
sich dadurch vom Bearbeitungskopf 11 der ersten Ausführungsform,
dass eine Düse 6 ein einziges Düsenelement 12 umfasst
und zwei Stifte 8 von einer gekrümmten Außenfläche
eines vorgeordneten Endes 28 der Düse 6 radial
nach außen vorstehen. Zusätzlich sind an einer
Innenfläche eines Verbindungsabschnitts 24 eines
Bearbeitungskopfelements 110 als Kehlen hergestellte Stiftarretierungsteile 30,
in denen die Stifte 8 arretiert werden, sowie (nicht gezeigte)
Stifteinpassöffnungen ausgebildet, die eine Verbindung
zu den Stiftarretierungsteilen herstellen.
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In
dieser Variante der ersten Ausführungsform wird die Düse 6 mit
dem Bearbeitungskopfelement 110 wie nachstehend beschrieben
zusammengebaut. Zuerst werden die Stifte 8 der Düse 6 in
die Stifteinpassöffnungen eingesteckt, die im Bearbeitungskopfelement 110 ausgebildet
sind, wodurch das vorgeordnete Ende 28 der Düse 6 in
das Bearbeitungskopfelement 110 eingepasst wird. Als Nächstes wird
die Düse 6 so gedreht, dass sich die Stifte 8 drehen
und sich in die Stiftarretierungsteile 39 (Kehlen) des
Bearbeitungskopfelements 110 einpassen. An diesem Punkt
bildet die Düse 6 mit dem Bearbeitungskopfelement 110 ein
Paar. Bei der Entnahme der Düse 6 aus dem Bearbeitungskopfelement 110 wird
der vorstehend beschriebene Düseneinbauprozess umgekehrt.
Beim Bearbeitungskopf dieser Variante kann das Bearbeitungskopfelement 110 in
Reibungsbewegung entlang des O-Rings 34 gleiten, wenn die
Düse 6 im Düseneinbau- und Düsenentnahmeprozess
gedreht wird. Nichtsdestoweniger ist der Bearbeitungskopf dieser
Variante ansonsten genauso aufgebaut wie der Bearbeitungskopf 11 der ersten
Ausführungsform und erzielt auch dieselben vorteilhaften
Wirkungen wie bislang beschrieben.
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25A und 25B sind
eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines
Bearbeitungskopfs nach noch einer anderen Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung, in der Elemente, die gleich denjenigen der ersten
Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen
sind und eine Beschreibung solcher Elemente nachstehend nicht noch
einmal erfolgt. Der Bearbeitungskopf dieser Variante zeichnet sich
dadurch aus, dass eine Düse 7 verwendet wird,
die so aufgebaut ist, als wären das Düsenelement 12 und die
Düsenbefestigung 21 der ersten Ausführungsform
zu einem einzelnen Körper zusammengefasst. Die Düse 7 besitzt
ein flanschartiges Teil 30, das wie dargestellt sowohl
als Düsenflansch als auch Düsenhalterungsteil
dient. Beim Bearbeitungskopf dieser Variante kann ein Bearbeitungskopfelement 10 in Reibungsbewegung
entlang des O-Rings 34 gleiten, wenn die Düse 7 im
Düseneinbau- und Düsenentnahmeprozess gedreht
wird. Nichtsdestoweniger ist der Bearbeitungskopf dieser Variante
ansonsten genauso aufgebaut wie der Bearbeitungskopf 11 der ersten
Ausführungsform und erzielt auch dieselben vorteilhaften
Wirkungen wie bislang beschrieben.
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Die
Düsen 22 (6, 7) der ersten Ausführungsform
und deren in den 1, 23, 24A, 24B, 25A und 25B gezeigten
Varianten werden entsprechend den Bearbeitungserfordernissen selektiv
verwendet. Wenn zum Beispiel die Bearbeitungserfordernisse häufig
variieren, was einen häufigen Düsenaustausch erforderlich
macht, kann die Düse 22 der ersten Ausführungsform
(1) gewählt werden, deren O-Ring 34 (elastisches
Teil) weniger anfällig für Verschleiß ist.
Im Fall, dass häufige Düsenschäden auftreten,
wäre die Düse 22 von 23 eine
gute Wahl, die zu minimalen Kosten hergestellt werden kann. Falls
es notwendig ist, einen klein bemessenen Bearbeitungskopf zu verwenden, eignet
sich die Düse 6 von 24A und 24B am besten, die nur ein Bestandteil (d. h.
das Düsenelement 12) enthält. Falls der
Bearbeitungskopf nicht klein bemessen zu sein braucht und keinen
häufigen Düsenaustausch erforderlich macht, dann
wäre die Düse 7 von 25A und 25B geeignet,
deren Bestandteile zu minimalen Kosten hergestellt werden können.
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Da
die Bearbeitungsköpfe der ersten Ausführungsform
und deren Varianten alle aus geringen Anzahlen an Bestandteilen
hergestellt sind, die sich auf die örtliche Lage des Brennpunkts
auswirken, ist es möglich, die Düsen und auch
die Bearbeitungsköpfe mit hochgenauer Präzision
unter minimalen Positionierungsfehlern auszutauschen. Erfindungsgemäß wird
das vorgeordnete Ende 28 der Düse 22 (6, 7)
so in den Verbindungsabschnitt 24 des Bearbeitungskopfelements 10 (110)
eingepasst, dass das Bearbeitungskopfelement 10 (110)
und die Düse 22 mit einem hohen Grad an dazwischen
bestehender Konzentrizität wieder zusammengebaut werden
können und sich somit die Strömungsrichtung des
Hilfsgases 20 mit der optischen Achse des Laserlichts 19 mit
hoher Genauigkeit ausrichtet. Da die Düse 22 (6, 7)
mittels der Stifte 32 (8) am Bearbeitungskopfelement 10 (110)
befestigt ist, ist es möglich, den idealen Abstand zwischen
der Düsenöffnung 29 und dem Werkstück 18 wieder
herzustellen. Dies dient dazu, die Notwendigkeit abzuschaffen, die
vertikale Positionierung der Düse 22 (6, 7)
bei deren Austausch einstellen zu müssen. Hinzu kommt noch,
dass die Verwendung der beiden Stifte 32 (8) sicherstellt,
dass die mit dem Bearbeitungskopfelement 10 (110)
ein Paar bildende Düse 22 (6, 7)
aufgrund des Drucks des Hilfsgases 20 nicht kippt. Dieser
Zweistiftaufbau erfordert keine hohe Genauigkeit bei den Formen
der Bestandteile des Bearbeitungskopfs, was es möglich macht,
die Bestandteile zu niedrigen Kosten herzustellen. Obwohl die Bearbeitungsköpfe
der ersten Ausführungsform und deren Varianten den O-Ring 34 als
elastisches Teil verwenden, das zwischen die Düse 22 (6, 7)
und das Bearbeitungskopfelement 10 (110) eingesetzt
werden soll, ist die Erfindung nicht auf diesen Aufbau beschränkt.
Anstelle des O-Rings 34 kann jede andere Art von elastischem
Teil verwendet werden, das dieselbe Funktion erfüllt wie
der O-Ring 34 der ersten Ausführungsform. Obwohl
darüber hinaus der Düsenwechsler 50,
wie in 6 gezeigt, als integrales Teil der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 aufgebaut
ist, ist die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Es erübrigt sich, zu erwähnen, dass der Düsenwechsler
separat von der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung vorgesehen werden
kann.
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Obwohl
die Erfindung bislang mit Bezug auf deren bevorzugte Ausführungsform
beschrieben wurde, werden für die Fachleute auf diesem
Gebiet zahlreiche Modifizierungen und Änderungen offensichtlich
sein, ohne vom Umfang und Aussagegehalt dieser Erfindung abzuweichen,
und es sollte klar sein, dass diese nicht auf die hier dargelegte
veranschaulichende Ausführungsform beschränkt
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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