DE102007050878A1

DE102007050878A1 - Bearbeitungskopf, Düsenwechsler und Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007050878A1
Application number: DE102007050878A
Authority: DE
Inventors: Takashi Akiyama; Masahiko Hasegawa; Kazunobu Katase; Shigeru Yokoi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: JP2008105072A; CN101168216B; CN101168216A; JP4723456B2; US8212176B2; DE102007050878B4; US20080099452A1

Abstract

Ein Bearbeitungskopf (11) umfasst ein Bearbeitungskopfelement (10) mit einem Kopfinnenkanal (23), um Laserlicht und Hilfsgas durchzulassen, eine Düse (22) mit einem Düseninnenkanal (27), der eine Verbindung zum Kopfinnenkanal (23) herstellt, und einer Düsenöffnung (29), Stifte (32), die von einer gekrümmten Innenfläche der Düse (22) radial nach innen vorstehen, ein Stiftarretierungsteil (25), das auf der Außenseite des Bearbeitungskopfelements (10) ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil (25) Stifteinpassöffnungen (26) besitzt, ein Kopfausrichtungsteil (16), das auf einer düsenseitigen Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements (10) ausgebildet ist, ein Düsenausrichtungsteil (14), das an der Düse (22) an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse (22) mit dem Bearbeitungskopfelement (10) ausgerichtet ist, und einen O-Ring (34), der zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und der Düse (22) eingesetzt ist, um einen Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und dem Düsenausrichtungsteil (14) zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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.
2. Beschreibung des Stands der Technik
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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
Der so aufgebaute Bearbeitungskopf ermöglicht einen mühelosen Austausch der Düse.
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.
Der so aufgebaute Düsenwechsler kann die Düse mühelos austauschen.
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.
Die so aufgebaute Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung ermöglicht auch einen mühelosen Austausch der Düse.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Bearbeitungskopfs nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht des Bearbeitungskopfs von 1;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Bearbeitungskopfelements des Bearbeitungskopfs von 1;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Düsenelements einer Düse des Bearbeitungskopfs von 1;
die 5A und 5B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht einer Düsenbefestigung der Düse des Bearbeitungskopfs von 1;
6 ist eine Abbildung, die den Aufbau einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung schematisch zeigt, die den in 1 gezeigten Bearbeitungskopf verwendet;
die 7A und 7B sind Abbildungen zur Erläuterung eines potentiellen Problems, das beim Bearbeitungskopf der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung von 6 auftreten kann;
die 8A und 8B sind Abbildungen zur Erläuterung eines anderen potentiellen Problems, das beim Bearbeitungskopf der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung von 6 auftreten kann;
9 ist eine Querschnittsabbildung zur Erläuterung der vertikalen Maßgenauigkeit des Bearbeitungskopfs von 1;
die 10A, 10B und 10C sind Querschnittsabbildungen, die zeigen, wie der Bearbeitungskopf von 1 bei der Steuerung von Hilfsgasströmen arbeitet;
die 11A und 11B sind Querschnittsabbildungen, die auch zeigen, wie der Bearbeitungskopf von 1 bei der Steuerung von Hilfsgasströmen arbeitet;
die 12A und 12B sind Querschnittsabbildungen, die zeigen, wie ein O-Ring (elastisches Teil) des Maschinenkopfs von 1 funktioniert;
die 13A und 13B sind Querschnittsabbildungen, die auch zeigen, wie ein O-Ring (elastisches Teil) des Maschinenkopfs von 1 funktioniert;
14 ist eine perspektivische Ansicht eines Düsenwechslers zum Austauschen des in 1 gezeigten Bearbeitungskopfs 11;
15 ist eine Querschnittsabbildung, die den Aufbau des Düsenwechslers von 14 zeigt;
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;
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;
18 ist eine Querschnittsabbildung, die einen speziellen Schritt bei einem Düseneinbauprozess zeigt, der vom Düsenwechsler von 14 durchgeführt wird;
19 ist eine Querschnittsabbildung, die einen anderen speziellen Schritt im Düseneinbauprozess zeigt, der vom Düsenwechsler von 14 durchgeführt wird;
20 ist eine Querschnittsabbildung, die noch einen anderen speziellen Schritt im Düseneinbauprozess zeigt, der vom Düsenwechsler von 14 durchgeführt wird;
21 ist eine Querschnittsabbildung, die ein Problem zeigt, das auftreten kann, wenn der Düsenwechsler nicht mit einem in 14 gezeigten Düsenstützstab ausgestattet ist;
22 ist eine Querschnittsabbildung, die ein anderes Problem zeigt, das auftreten kann, wenn der Düsenwechsler nicht mit dem in 14 gezeigten Düsenstützstab ausgestattet ist;
23 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Bearbeitungskopfs nach einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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
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.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Varianten des Bearbeitungskopfs 11 der ersten Ausführungsform werden nun mit Bezug auf die 23, 24A, 24B, 25A und 25B beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-98093 [0002]

Claims

Bearbeitungskopf (11), der Folgendes umfasst: ein Bearbeitungskopfelement (10, 110) mit einem darin ausgebildeten Kopfinnenkanal (23), um einen Durchgang für Laserlicht und Hilfsgas bereitzustellen; eine Düse (22, 6, 7), die separat vom Bearbeitungskopfelement (10, 110) ausgebildet ist, wobei die Düse (22, 6, 7) einen darin ausgebildeten Düseninnenkanal (27), um eine Verbindung mit dem Kopfinnenkanal (23) herzustellen, und eine Düsenöffnung (29) besitzt, durch die das Laserlicht und das Hilfsgas auf ein Werkstück (18) gerichtet werden, wobei die Düsenöffnung (29) an einem äußersten nachgeordneten Ende der Düse (22, 6, 7) ausgebildet ist; Stifte (32, 8), die so ausgebildet sind, dass sie von einer Seitenwand der Düse (22, 6, 7) radial vorstehen; ein Stiftarretierungsteil (25, 39), das auf einer Seitenwand des Bearbeitungskopfelements (10, 110) ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil (25, 39) Stifteinpassöffnungen (26) besitzt, um zu ermöglichen, dass die Stifte (32, 8) hindurchgeführt und dann in direktem Kontakt mit und an dem Stiftarretierungsteil (25, 39) in Position arretiert angeordnet werden; ein Kopfausrichtungsteil (16), das an einer düsenseitigen Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements (10, 110) ausgebildet ist; ein Düsenausrichtungsteil (14), das an der Düse (22, 6, 7) an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse (22, 6, 7) mit dem Bearbeitungskopfelement (10, 110) ausgerichtet ist; und ein elastisches Teil (34), das zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und der Düse (22, 6, 7) in einer geschlossenen Kreisform eingepasst ist, um einen Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und dem Düsenausrichtungsteil (14) zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen.
Bearbeitungskopf (11) nach Anspruch 1, wobei die Stifte (32) von einer gekrümmten Innenfläche der Seitenwand der Düse (22) radial nach innen vorstehen, und das Stiftarretierungsteil (25) auf der Außenseite der Seitenwand des Bearbeitungskopfelements (10) ausgebildet ist.
Bearbeitungskopf (11) nach Anspruch 1, wobei die Stifte (8) von einer gekrümmten Außenfläche der Seitenwand der Düse (6) radial nach außen vorstehen, und das Stiftarretierungsteil (39) auf der Innenseite der Seitenwand des Bearbeitungskopfelements (110) ausgebildet ist.
Bearbeitungskopf (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stifte (32, 8) an zwei Stellen in einem Abstand von 180 Grad um die Seitenwand der Düse (22, 6, 7) ausgebildet sind, und die Stifteinpassöffnungen (26) an zwei Stellen in einem Abstand von 180 Grad um die Seitenwand des Bearbeitungskopfelements (10, 110) ausgebildet sind.
Bearbeitungskopf (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein vorgeordnetes Ende der Düse (22, 6, 7) ihrem nachgeordneten Ende entgegengesetzt, in dem die Düsenöffnung (29) ausgebildet ist, in einen Verbindungsabschnitt (24) des im Bearbeitungskopfelement (10, 110) ausgebildeten Kopfinnenkanals (23) eingepasst und damit verbunden ist.
Bearbeitungskopf (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Bearbeitungskopfelement (10) mit einem Kopfflansch (15) ausgestattet ist, der an einer gekrümmten Außenfläche des Bearbeitungskopfelements (10) so ausgebildet ist, dass er sich davon nach außen erstreckt, und wobei eine Unterseite des Kopfflanschs (15) als Kopfausrichtungsteil (16) dient und eine Oberseite des Kopfflanschs (15) als Stiftarretierungsteil (25) dient.
Bearbeitungskopf (11) nach Anspruch 2, wobei die Düse (22) ein Düsenelement (12) und eine Düsenbefestigung (21) umfasst, die separat voneinander ausgebildet sind, wobei das Düsenelement (12) den Düseninnenkanal (27), das Düsenausrichtungsteil (14) und die Düsenöffnung (29) besitzt; wobei das Düsenelement (12) mit einem Düsenflansch (30) ausgestattet ist, der an einer gekrümmten Außenfläche des Düsenelements (12) so ausgebildet ist, dass er sich davon nach außen erstreckt, wobei der Düsenflansch (30) eine Ringkehle (31) besitzt, die auf einer vorgeordneten Seite von diesem, die dem elastischen Teil (34) zugewandt ist, ausgebildet ist, um das elastische Teil (34) unterzubringen, wobei eine oberste Fläche des Düsenflanschs (30) das Düsenausrichtungsteil (14) bildet; und wobei die Düsenbefestigung (21) die Stifte (32) umfasst und einen allgemein rohrförmigen Aufbau besitzt, dessen nachgeordneter Endabschnitt so geformt ist, dass er ein Düsenhalterungsteil (33) bildet, um das Düsenelement (12) in engem Kontakt mit einer Unterseite des Düsenflanschs (30) in Position zu halten, wobei das Düsenhalterungsteil (33) eine Öffnung (38) besitzt, durch welche die Düsenöffnung (29) nach außen hin freiliegt, wobei die Stifte (32) von einer gekrümmten Innenfläche der Düsenbefestigung (21) über dem Düsenhalterungsteil (33) radial nach innen vorstehen.
Bearbeitungskopf (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das elastische Teil (34) ein O-Ring ist.
Düsenwechsler (50) zum Austauschen einer Düse (22, 6, 7) eines Bearbeitungskopfs (11), der Folgendes umfasst: ein Bearbeitungskopfelement (10, 110) mit einem darin ausgebildeten Kopfinnenkanal (23), um einen Durchgang für Laserlicht und Hilfsgas bereitzustellen; die Düse (22, 6, 7), die separat vom Bearbeitungskopfelement (10, 110) ausgebildet ist, wobei die Düse (22, 6, 7) einen darin ausgebildeten Düseninnenkanal (27), um eine Verbindung mit dem Kopfinnenkanal (23) herzustellen, und eine Düsenöffnung (29) besitzt, durch die das Laserlicht und das Hilfsgas auf ein Werkstück (18) gerichtet werden, wobei die Düsenöffnung (29) an einem äußersten nachgeordneten Ende der Düse (22, 6, 7) ausgebildet ist; Stifte (32, 8), die so ausgebildet sind, dass sie von einer Seitenwand der Düse (22, 6, 7) radial vorstehen; ein Stiftarretierungsteil (25, 39), das auf einer Seitenwand des Bearbeitungskopfelements (10, 110) ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil (25, 39) Stifteinpassöffnungen (26) besitzt, um zu ermöglichen, dass die Stifte (32, 8) hindurchgeführt und dann in direktem Kontakt mit und an dem Stiftarretierungsteil (25, 39) in Position arretiert angeordnet werden; ein Kopfausrichtungsteil (16), das an einer düsenseitigen Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements (10, 110) ausgebildet ist; ein Düsenausrichtungsteil (14), das an der Düse (22, 6, 7) an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse (22, 6, 7) mit dem Bearbeitungskopfelement (10, 110) ausgerichtet ist; und ein elastisches Teil (34), das zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und der Düse (22, 6, 7) in einer geschlossenen Kreisform eingepasst ist, um einen Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und dem Düsenausrichtungsteil (14) zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen; wobei der Düsenwechsler (50) umfasst: einen Düsenstützstab (51), der in die Düsenöffnung (29) der Düse (22, 6, 7) eingepasst ist und dadurch die Düse (22, 6, 7) stützt; und eine Düsenwechslereinheit (63), die unter Bedingungen, in denen der Düsenstützstab (51) in die Düsenöffnung (29) der Düse (22, 6, 7) eingepasst ist, einen Düseneinbauprozess, bei dem die Düsenwechslereinheit (63) die Düse (22, 6, 7) dreht und bewirkt, dass die Stifte (32, 8) durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen (26) des Bearbeitungskopfelements (10, 110) hindurchgehen und am Stiftarretierungsteil (25, 39) arretiert werden, sowie einen Düsenentnahmeprozess durchführt, bei dem die Düsenwechslereinheit (63) die Düse (22, 6, 7) dreht und bewirkt, dass die Stifte (32, 8) durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen (26) des Bearbeitungskopfelements (10, 110) hindurchgehen, um die Düse (22, 6, 7) davon zu lösen.
Düsenwechsler (50) zum Austauschen einer Düse (22) eines Bearbeitungskopfs (11), der Folgendes umfasst: ein Bearbeitungskopfelement (10) mit einem darin ausgebildeten Kopfinnenkanal (23), um einen Durchgang für Laserlicht und Hilfsgas bereitzustellen; die Düse (22), die separat vom Bearbeitungskopfelement (10) ausgebildet ist, wobei die Düse (22) einen darin ausgebildeten Düseninnenkanal (27), um eine Verbindung mit dem Kopfinnenkanal (23) herzustellen, und eine Düsenöffnung (29) besitzt, durch die das Laserlicht und das Hilfsgas auf ein Werkstück (18) gerichtet werden, wobei die Düsenöffnung (29) an einem äußersten nachgeordneten Ende der Düse (22) ausgebildet ist; Stifte (32) die so ausgebildet sind, dass sie von einer Seitenwand der Düse (22) radial vorstehen; ein Stiftarretierungsteil (25), das auf einer Außenseite einer Seitenwand des Bearbeitungskopfelements (10) ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil (25) Stifteinpassöffnungen (26) besitzt, um zu ermöglichen, dass die Stifte (32) hindurchgeführt und dann in direktem Kontakt mit und an dem Stiftarretierungsteil (25) in Position arretiert angeordnet werden; ein Kopfausrichtungsteil (16), das an einer düsenseitigen Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements (10) ausgebildet ist; ein Düsenausrichtungsteil (14), das an der Düse (22) an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse (22) mit dem Bearbeitungskopfelement (10) ausgerichtet ist; und ein elastisches Teil (34), das zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und der Düse (22) in einer geschlossenen Kreisform eingepasst ist, um einen Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und dem Düsenausrichtungsteil (14) zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen; wobei die Düse (22) ein Düsenelement (12) und eine Düsenbefestigung (21) umfasst, die separat voneinander ausgebildet sind, wobei das Düsenelement (12) den Düseninnenkanal (27), das Düsenausrichtungsteil (14) und die Düsenöffnung (29) besitzt; wobei das Düsenelement (12) mit einem Düsenflansch (30) ausgestattet ist, der an einer gekrümmten Außenfläche des Düsenelements (12) so ausgebildet ist, dass er sich davon nach außen erstreckt, wobei der Düsenflansch (30) eine Ringkehle (31) besitzt, die auf einer vorgeordneten Seite von diesem, die dem elastischen Teil (34) zugewandt ist, ausgebildet ist, um das elastische Teil (34) unterzubringen, wobei eine oberste Fläche des Düsenflanschs (30) das Düsenausrichtungsteil (14) bildet; und wobei die Düsenbefestigung (21) die Stifte (32) umfasst und einen allgemein rohrförmigen Aufbau besitzt, dessen nachgeordneter Endabschnitt so geformt ist, dass er ein Düsenhalterungsteil (33) bildet, um das Düsenelement (12) in engem Kontakt mit einer Unterseite des Düsenflanschs (30) in Position zu halten, wobei das Düsenhalterungsteil (33) eine Öffnung (38) besitzt, durch welche die Düsenöffnung (29) nach außen hin freiliegt, wobei die Stifte (32) von einer gekrümmten Innenfläche der Düsenbefestigung (21) über dem Düsenhalterungsteil (33) radial nach innen vorstehen; wobei der Düsenwechsler (50) umfasst: einen Düsenstützstab (51), der in die Düsenöffnung (29) der Düse (22) eingepasst ist und dadurch die Düse (22) stützt; und eine Düsenwechslereinheit (63), die unter Bedingungen, in denen der Düsenstützstab (51) in die Düsenöffnung (29) der Düse (22) eingepasst ist und dann die Düse (22) gegen das Bearbeitungskopfelement (10) gedrückt wird, um das dazwischen eingesetzte elastische Teil (34) so zusammenzudrücken, dass das Düsenausrichtungsteil (14) in direkten Kontakt mit dem Kopfausrichtungsteil (16) kommt und die Unterseite des Düsenflanschs (30) von der Düsenbefestigung (21) getrennt wird, einen Düseneinbauprozess durchführt, bei dem die Düsenwechslereinheit (63) nur die Düsenbefestigung (21) dreht, bewirkt, dass die Stifte (32) der Düsenbefestigung (21) durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen (26) des Bearbeitungskopfelements (10) hindurchgehen und am Stiftarretierungsteil (25) arretiert werden, und dann eine auf das elastische Teil (34) ausgeübte Schubkraft löst, wodurch ein normaler Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und dem Düsenausrichtungsteil (14) entsteht, sowie einen Düsenentnahmeprozess durchführt, bei dem die Düsenwechslereinheit (63) nur die Düsenbefestigung (21) so dreht, dass die Stifte (32) durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen (26) des Bearbeitungskopfelements (10, 110) hindurchgehen, um die Düse (22) davon zu lösen.
Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung (1), die Folgendes umfasst: einen Bearbeitungskopf (11), der umfasst: ein Bearbeitungskopfelement (10, 110) mit einem darin ausgebildeten Kopfinnenkanal (23), um einen Durchgang für Laserlicht und Hilfsgas bereitzustellen; eine Düse (22, 6, 7), die separat vom Bearbeitungskopfelement (10, 110) ausgebildet ist, wobei die Düse (22, 6, 7) einen darin ausgebildeten Düseninnenkanal (27), um eine Verbindung mit dem Kopfinnenkanal (23) herzustellen, und eine Düsenöffnung (29) besitzt, durch die das Laserlicht und das Hilfsgas auf ein Werkstück (18) gerichtet werden, wobei die Düsenöffnung (29) an einem äußersten nachgeordneten Ende der Düse (22, 6, 7) ausgebildet ist; Stifte (32, 8), die so ausgebildet sind, dass sie von einer Seitenwand der Düse (22, 6, 7) radial vorstehen; ein Stiftarretierungsteil (25, 39), das auf einer Seitenwand des Bearbeitungskopfelements (10, 110) ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil (25, 39) Stifteinpassöffnungen (26) besitzt, um zu ermöglichen, dass die Stifte (32, 8) hindurchgeführt und dann in direktem Kontakt mit und an dem Stiftarretierungsteil (25, 39) in Position arretiert angeordnet werden; ein Kopfausrichtungsteil (16), das an einer düsenseitigen Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements (10, 110) ausgebildet ist; ein Düsenausrichtungsteil (14), das an der Düse (22, 6, 7) an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse (22, 6, 7) mit dem Bearbeitungskopfelement (10, 110) ausgerichtet ist; und ein elastisches Teil (34), das zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und der Düse (22, 6, 7) in einer geschlossenen Kreisform eingepasst ist, um einen Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und dem Düsenausrichtungsteil (14) zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen; eine Laseroszillatoreinheit (5), um das Laserlicht zu erzeugen, das in den Bearbeitungskopf (11) geleitet werden soll; eine Hilfsgaszufuhreinheit (17), um das Hilfsgas zuzuführen, das in den Bearbeitungskopf (11) eingespeist werden soll; einen Tisch (3), auf dem das Werkstück (18) angeordnet wird; und eine Bewegungsvorrichtung, um die Position eines festgelegten Punkts des Tischs (3) in Bezug auf die Position des Bearbeitungskopfelements (10, 110) einzustellen.
Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung (1) nach Anspruch 11, die darüber hinaus Folgendes umfasst: einen Düsenwechsler (50) zum Austauschen der Düse (22, 6, 7) des Bearbeitungskopfs (11), wobei der Düsenwechsler (50) umfasst: einen Düsenstützstab (51), der in die Düsenöffnung (29) der Düse (22, 6, 7) eingepasst ist und dadurch die Düse (22, 6, 7) stützt; und eine Düsenwechslereinheit (63), die unter Bedingungen, in denen der Düsenstützstab (51) in die Düsenöffnung (29) der Düse (22) eingepasst ist, einen Düseneinbauprozess durchführt, bei dem die Düsenwechslereinheit (63) die Düse (22, 6, 7) dreht und bewirkt, dass die Stifte (32, 8) durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen (26) des Bearbeitungskopfelements (10, 110) hindurchgehen und am Stiftarretierungsteil (25, 39) arretiert werden, sowie einen Düsenentnahmeprozess durchführt, bei dem die Düsenwechslereinheit (63) die Düse (22, 6, 7) dreht und bewirkt, dass die Stifte (32, 8) durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen (26) des Bearbeitungskopfelements (10, 110) hindurchgehen, um die Düse (22, 6, 7) davon zu lösen; wobei die Bewegungsvorrichtung die relative Position des Bearbeitungskopfelements (10, 110) und des Düsenwechslers (50) einstellt.
Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung (1), die Folgendes umfasst: einen Bearbeitungskopf (11), der umfasst: ein Bearbeitungskopfelement (10) mit einem darin ausgebildeten Kopfinnenkanal (23), um einen Durchgang für Laserlicht und Hilfsgas bereitzustellen; eine Düse (22), die separat vom Bearbeitungskopfelement (10) ausgebildet ist, wobei die Düse (22) einen darin ausgebildeten Düseninnenkanal (27), um eine Verbindung mit dem Kopfinnenkanal (23) herzustellen, und eine Düsenöffnung (29) besitzt, durch die das Laserlicht und das Hilfsgas auf ein Werkstück (18) gerichtet werden, wobei die Düsenöffnung (29) an einem äußersten nachgeordneten Ende der Düse (22) ausgebildet ist; Stifte (32), die so ausgebildet sind, dass sie von einer Seitenwand der Düse (22) radial nach innen vorstehen; ein Stiftarretierungsteil (25), das auf einer Außenseite einer Seitenwand des Bearbeitungskopfelements (10) ausgebildet ist, wobei das Stiftarretierungsteil (25) Stifteinpassöffnungen (26) besitzt, um zu ermöglichen, dass die Stifte (32) hindurchgeführt und dann in direktem Kontakt mit und an dem Stiftarretierungsteil (25) in Position arretiert angeordnet werden; ein Kopfausrichtungsteil (16), das an einer düsenseitigen Stirnfläche des Bearbeitungskopfelements (10) ausgebildet ist; ein Düsenausrichtungsteil (14), das an der Düse (22) an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Düse (22) mit dem Bearbeitungskopfelement (10) ausgerichtet ist; und ein elastisches Teil (34), das zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und der Düse (22) in einer geschlossenen Kreisform eingepasst ist, um einen Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und dem Düsenausrichtungsteil (14) zur gegenseitigen Ausrichtung zu schaffen; wobei die Düse (22) ein Düsenelement (12) und eine Düsenbefestigung (21) umfasst, die separat voneinander ausgebildet sind, wobei das Düsenelement (12) den Düseninnenkanal (27), das Düsenausrichtungsteil (14) und die Düsenöffnung (29) besitzt; wobei das Düsenelement (12) mit einem Düsenflansch (30) ausgestattet ist, der an einer gekrümmten Außenfläche des Düsenelements (12) so ausgebildet ist, dass er sich davon nach außen erstreckt, wobei der Düsenflansch (30) eine Ringkehle (31) besitzt, die auf einer vorgeordneten Seite von diesem, die dem elastischen Teil (34) zugewandt ist, ausgebildet ist, um das elastische Teil (34) unterzubringen, wobei eine oberste Fläche des Düsenflanschs (30) das Düsenausrichtungsteil (14) bildet; und wobei die Düsenbefestigung (21) die Stifte (32) umfasst und einen allgemein rohrförmigen Aufbau besitzt, dessen nachgeordneter Endabschnitt so geformt ist, dass er ein Düsenhalterungsteil (33) bildet, um das Düsenelement (12) in engem Kontakt mit einer Unterseite des Düsenflanschs (30) in Position zu halten, wobei das Düsenhalterungsteil (33) eine Öffnung (38) besitzt, durch welche die Düsenöffnung (29) nach außen hin freiliegt, wobei die Stifte (32) von einer gekrümmten Innenfläche der Düsenbefestigung (21) über dem Düsenhalterungsteil (33) radial nach innen vorstehen; eine Laseroszillatoreinheit (5), um das Laserlicht zu erzeugen, das in den Bearbeitungskopf (11) geleitet werden soll; eine Hilfsgaszufuhreinheit (17), um das Hilfsgas zuzuführen, das in den Bearbeitungskopf (11) eingespeist werden soll; einen Tisch (3), auf dem das Werkstück (18) angeordnet wird; und eine Bewegungsvorrichtung, um die Position eines festgelegten Punkts des Tischs (3) in Bezug auf die Position des Bearbeitungskopfelements (10, 110) einzustellen.
Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung (1) nach Anspruch 13, die darüber hinaus Folgendes umfasst: einen Düsenwechsler (50), der umfasst: einen Düsenstützstab (51), der in die Düsenöffnung (29) der Düse (22) eingepasst ist und dadurch die Düse (22) stützt; und eine Düsenwechslereinheit (63), die unter Bedingungen, in denen der Düsenstützstab (51) in die Düsenöffnung (29) der Düse (22) eingepasst ist und dann die Düse (22) gegen das Bearbeitungskopfelement (10) gedrückt wird, um das dazwischen eingesetzte elastische Teil (34) so zusammenzudrücken, dass das Düsenausrichtungsteil (14) in direkten Kontakt mit dem Kopfausrichtungsteil (16) kommt und die Unterseite des Düsenflanschs (30) von der Düsenbefestigung (21) getrennt wird, einen Düseneinbauprozess durchführt, bei dem die Düsenwechslereinheit (63) nur die Düsenbefestigung (21) dreht, bewirkt, dass die Stifte (32) der Düsenbefestigung (21) durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen (26) des Bearbeitungskopfelements (10) hindurchgehen und am Stiftarretierungsteil (25) arretiert werden, und dann eine auf das elastische Teil (34) ausgeübte Schubkraft löst, wodurch ein normaler Zwischenraum zwischen dem Kopfausrichtungsteil (16) und dem Düsenausrichtungsteil (14) entsteht, sowie einen Düsenentnahmeprozess durchführt, bei dem die Düsenwechslereinheit (63) nur die Düsenbefestigung (21) so dreht, dass die Stifte (32) durch die jeweiligen Stifteinpassöffnungen (26) des Bearbeitungskopfelements (10, 110) hindurchgehen, um die Düse (22) davon zu lösen; wobei die Bewegungsvorrichtung die relative Position des Bearbeitungskopfelements (1) und des Düsenwechslers (50) einstellt.