DE102008047760B4

DE102008047760B4 - Laserbearbeitungseinrichtung und Verfahren zum Laserbearbeiten

Info

Publication number: DE102008047760B4
Application number: DE102008047760A
Authority: DE
Inventors: Thomas 75233 König; Jörg 75233 Müller
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2028-09-18
Also published as: DE102008047760A1; WO2010031378A1; CN102159358A

Abstract

Laserbearbeitungseinrichtung (1), umfassend: einen Laserbearbeitungskopf (3) zum Ausrichten eines Laserstrahls (4) auf eine Bearbeitungsstelle (B) an einem Werkstück (2), mindestens eine versetzt zu einer Strahlaustrittsöffnung (5) des Laserbearbeitungskopfs (3) angeordnete Gasdüse (7), sowie eine Bewegungseinrichtung (6) zur Bewegung der Gasdüse (7) relativ zum Laserbearbeitungskopf (3) zwischen einer werkstückfernen Parkposition (P) zum Schutz der Gasdüse (7) vor Verschmutzung und einer werkstücknahen Arbeitsposition (A) zum Aufbringen eines Gasstroms auf die Bearbeitungsstelle (B), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (7) an einem werkstückseitigen Ende einer mittels der Bewegungseinrichtung (6) linear verschiebbaren Kolbenstange (9) gebildet oder befestigt ist, welche eine Axialbohrung (11) zur Gaszuführung an die Gasdüse (7) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungseinrichtung mit einem Laserbearbeitungskopf zum Ausrichten eines Laserstrahls auf eine Bearbeitungsstelle an einem Werkstück, sowie mit mindestens einer versetzt zu einer Strahlaustrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfs angeordneten Gasdüse, sowie einer Bewegungseinrichtung zur Bewegung der Gasdüse relativ zum Laserbearbeitungskopf zwischen einer werkstückfernen Parkposition zum Schutz der Gasdüse vor Verschmutzung und einer werkstücknahen Arbeitsposition zum Aufbringen des Gasstroms auf die Bearbeitungsstelle. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks, umfassend: Ausrichten eines Laserstrahls auf eine Bearbeitungsstelle an dem Werkstück mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfs, sowie Bewegen mindestens einer versetzt zu einer Strahlaustrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfs angeordneten Gasdüse relativ zum Laserbearbeitungskopf aus einer werkstückfernen Parkposition zum Schutz der Gasdüse vor Verschmutzung in eine werkstücknahe Arbeitsposition zum Aufbringen eines Gasstroms auf die Bearbeitungsstelle.
Bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks, z. B. beim Laserschneiden, Laserschweißen oder -abtragen, werden vielfach Gase eingesetzt, die der Bearbeitungsstelle an dem Werkstück über Gasdüsen zugeführt werden. Die zugeführten Gase können zu unterschiedlichen Zwecken verwendet werden: Einerseits als so genannte Schutzgase, also Gase oder Gasgemische, welche die Luft der Atmosphäre, insbesondere Sauerstoff, verdrängen und somit die Bearbeitungsstelle vor Oxidation schützen, andererseits als Prozessgase, die über ihren Gasdruck und/oder ihre Inhaltsstoffe den Laserbearbeitungsprozess unterstützen. In manchen Fällen können beide Funktionen durch ein und dasselbe Gas erfüllt werden.
Bei der Gaszuführung kommen ebenfalls unterschiedliche Systeme zum Einsatz. So kann das Gas über eine separate Zuführungseinrichtung, die beispielsweise – aber nicht zwangsläufig – seitlich am Laserbearbeitungskopf positioniert wird, oder aber über eine den Strahlengang umschließende Zuführungseinrichtung, beispielsweise eine Koaxialdüse, bei der die Strahlaustrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfs die Düsenaustrittsöffnung bildet, auf die Bearbeitungsstelle gelenkt werden. In einer solchen koaxialen Gasdüse können Elemente zur Strahlführung und/oder -formung sowie Einrichtungen zur Prozessüberwachung vorgesehen sein.
Die Druckschrift DE 102 04 993 beschreibt den ersten Fall der Gaszuführung, bei dem mindestens eine Gasdüse seitlich an einem Laserbearbeitungskopf angebracht ist. Der Laserbearbeitungskopf ist als Scannerkopf ausgebildet, d. h. der Laserstrahl kann während des Bearbeitungsprozesses auf eine beliebige Position im Arbeitsfeld der Optik gelenkt werden. Die Gasdüse kann über einen Gasdüsenantrieb bewegt werden und ist synchron zur Strahlablenkung ansteuerbar, so dass der von der Gasdüse erzeugte Gasstrahl dem Laserstrahl nachgeführt werden kann und beide an einem Punkt an der Werkstückoberfläche zusammentreffen.
Aus der WO 00/54925 ist ein Laserbearbeitungskopf mit einer koaxialen Gasdüse bekannt geworden. Dieser weist einen unteren, beweglichen Abschnitt auf, der einerseits eine Nachführung des Fokus und der Gaszuführung entsprechend der Topographie der zu bearbeitenden Oberfläche erlaubt und andererseits über ein Abstandsmesssignal an eine Kollisionsüberwachung gekoppelt ist. Der Algorithmus der Kollisionsüberwachung kann dabei auch den Betriebsmodus des Bearbeitungskopfes berücksichtigen.
In beiden oben dargestellten Fällen wird die Gasdüse im Arbeitsabstand betrieben, so dass sie Verschmutzungen und somit dem Risiko eines Zusetzens ausgesetzt ist. Dies ist insbesondere dann nicht von Vorteil, wenn die Anwendung nicht immer oder nicht in jedem Fall eine Gaszuführung erfordert. Zudem führt die Verwendung eines Abstandsensors zur Kollisionsüberwachung der Gasdüse in der Regel zu einem komplexen Aufbau und Regelalgorithmus.
In der JP 04 185 761 A ist eine Düse beschrieben, welche über den ihr zugeführten Gasdruck in Richtung Werkstückoberfläche bewegt wird. Wird die Gaszuführung unterbrochen, fährt die Düse über eine Rückstellfeder in eine Parkposition.
Die JP 04 200 891 A1 beschreibt ebenfalls eine Koaxialdüse, deren Abstand zur Werkstückoberfläche in Abhängigkeit vom durchzuführenden Bearbeitungsprozess variabel einstellbar ist.
Die DE 38 01 068 A1 offenbart einen Laserbearbeitungskopf mit einer seitlich angebrachten Flüssigkeitszuführung, die bezogen auf die Werkstückoberfläche variabel einstellbar und insbesondere verschwenkbar ist. Die Verstellung der Flüssigkeitszuführung erfolgt hierbei in axialer Richtung über die Drehachse eines Gelenks.
Die DE 42 28 740 A1 beschreibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit mehreren Bearbeitungsköpfen, die über einen pneumatischen Antrieb in eine Bearbeitungsposition verfahren werden können. Eine Gaszuführung ist dort nicht vorgesehen.
Die DE 203 05 231 U1 zeigt einen Arbeitszylinder mit verdrehsicherem Kolben.
Aus der DE 102 15 447 A1 ist eine Laserbearbeitungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bekannt geworden.
Aufgabe der Erfindung
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Laserbearbeiten der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass auf einfache Weise ein Schutz der Gasdüse erfolgen kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Laserbearbeitungseinrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Gasdüse an einem werkstückseitigen Ende einer mittels der Bewegungseinrichtung linear verschiebbaren Kolbenstange gebildet oder befestigt ist, die eine Axialbohrung zur Gaszuführung an die Gasdüse aufweist Durch die Bewegungseinrichtung kann die Gasdüse aus ihrer Arbeitsposition in eine zurückgezogene Parkposition verbracht werden, die weit genug von der Bearbeitungsstelle am Werkstück entfernt ist, um die Gasdüse vor Verschmutzung zu schützen oder zumindest die Verschmutzung der Gasdüse zu reduzieren. Die Bewegung zwischen Arbeitsposition und Parkposition kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Gasdüse an einem Hebelarm angebracht werden, der zur Bewegung der Gasdüse eine Dreh- bzw. Kippbewegung ausführt. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Bewegung der Gasdüse in einer linearen Verschiebebewegung herausgestellt, da diese präzise und mit hoher Geschwindigkeit erfolgen kann. Eine solche Bewegung ist insbesondere bei einer koaxialen Gasdüse vorteilhaft, da die Linearverschiebung in der Regel keine Auswirkungen auf die Strahlführung hat. Die Bewegungseinrichtung kann auf unterschiedliche Weise angetrieben werden, z. B. mit mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungseinrichtung erfüllt die Kolbenstange eine Doppelfunktion, da sie einerseits zur Zuführung des Gases über die zentrische Bohrung dient und andererseits für die Verschiebebewegung in einem pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Zylinder geführt werden kann. Die Gasdüse ist hierbei im Anschluss zur Kolbenstange angeordnet und kann je nach Anwendung unterschiedlich ausgeführt oder von der Kolbenstange selbst gebildet werden. Aufgrund dieser kompakten Bauform kann die Störkontur der Gasdüse bzw. der Bewegungseinrichtung auf ein Minimum reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Laserbearbeitungseinrichtung eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Bewegung der Gasdüse in Abhängigkeit von einem an der jeweiligen Bearbeitungsstelle durchzuführenden Bearbeitungsprozess und/oder in Abhängigkeit vom Gasfluss durch die Gasdüse.
Die Gasdüse kann hierbei in der Parkposition verweilen, bis der Laserbearbeitungskopf eine Bearbeitungsstelle am Werkstück erreicht hat, an der ein Bearbeitungsprozess durchgeführt werden soll, der eine Gaszuführung erfordert. Die Information hierüber kann die Steuerungseinheit der Bahnplanung der Laserbearbeitungsmaschine bzw. dem zugehörigen NC-Programm entnehmen. Muss der Gasfluss aktiviert werden, wird die Gasdüse in ihre Arbeitsposition bewegt, das Prozess- oder Schutzgas eingeschaltet und die Laserbearbeitung unter Zuführung des Gases vorgenommen. Nach Beendigung des Laserbearbeitungsvorgangs wird die Gasdüse wieder in Ihre Parkposition zurückgefahren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung der Gasdüsenbewegung auch an Signale gekoppelt sein, die eine Information über den Gasfluss enthalten, d. h. die Gasdüsenbewegung bzw. die Gasdüsenpositionierung und der Gasfluss durch die Gasdüse stehen in direktem Zusammenhang. Wird beispielsweise der Gasfluss ausgeschaltet, so wird auch die Gasdüse eingefahren. Umgekehrt kann eine ausgefahrene Gasdüse als Bedingung für das Einschalten des Gasflusses vorgegeben werden. Die Steuerung der Gaszuführungsbewegung mittels der Gasdüse erfolgt somit besonders bevorzugt sowohl auf Basis von Signalen über die Position des Laserbearbeitungskopfes an dem Werkstück als auch auf Basis von Gasflusssignalen, wobei insbesondere das Ein- bzw. Ausschalten des Gasflusses und die Bewegung der Gasdüse miteinander gekoppelt sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Bewegungseinrichtung einen doppelt wirkenden Pneumatikzylinder zur Führung der Kolbenstange auf. Mittels des doppelt wirkenden Pneumatikzylinders kann eine Bewegung sowohl von der Parkposition in die Arbeitsposition als auch in umgekehrter Richtung erfolgen. Weiterhin kann durch geeignete Wahl der Druckverhältnisse in dem Pneumatikzylinder die Gasdüse nicht nur an den Endpunkten der Verfahrbewegung der Kolbenstange in dem Zylinder, sondern auch an Zwischenpositionen festgestellt werden, so dass insbesondere die Lage der Arbeitsposition ggf. in Abhängigkeit vom gewählten Bearbeitungsprozess variiert werden kann. Durch die Einstellung des pneumatischen Drucks kann zudem ein Kollisionsschutz – in Richtung Gasdüse –, d. h. ein Nachgeben der Gasdüse, wenn diese auf ein Hindernis trifft, realisiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Kolbenstange zur verdrehsicheren Führung mindestens eine nicht radialsymmetrische Außenkontur auf. Die Außenkontur kann zur Führung der Kolbenstange in dem Pneumatikzylinder oder in einem zur Führung Gasdüse vorgesehenen Gehäuse dienen.
Die Erfindung ist auch verwirklicht in einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem zum Bewegen der Gasdüse eine Kolbenstange linear verschoben wird, an deren werkstückseitigem Ende die Gasdüse gebildet oder befestigt ist, wobei die Kolbenstange eine Axialbohrung zur Gaszuführung an die Gasdüse aufweist. Wie oben dargestellt, erfolgt das Bewegen der Gasdüse hierbei bevorzugt gesteuert, und zwar in Abhängigkeit von einem an der jeweiligen Bearbeitungsstelle durchzuführenden Bearbeitungsprozess und/oder in Abhängigkeit vom Gasfluss durch die Gasdüse.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigen:
1a, b schematische Darstellungen einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungseinrichtung mit einer Gasdüse in einer Parkposition (a) und in einer Arbeitsposition.
1a, b zeigen eine Laserbearbeitungseinrichtung 1 zur Bearbeitung eines rohrförmigen Werkstücks 2, welche einen Laserbearbeitungskopf 3 zum Ausrichten eines durch eine Strahlaustrittsöffnung 5 des Laserbearbeitungskopfs 3 hindurch tretenden Laserstrahls 4 auf eine Bearbeitungsstelle B an dem Werkstück 2 umfasst. Die Laserbearbeitungseinrichtung 1 umfasst weiterhin eine Bewegungseinrichtung 6, die an dem Laserbearbeitungskopf 3 fixiert ist und die zur Bewegung einer Gasdüse 7 zwischen einer werkstücknahen Arbeitsposition A und einer werkstückfernen Parkposition P dient.
Die Bewegungseinrichtung 6 weist einen doppelt wirkenden Pneumatikzylinder 8 auf, in dem eine durchgehende Kolbenstange 9 geführt ist, an deren werkstückseitigem Ende die Gasdüse 7 angebracht ist. Zur Zuführung eines Gases von einem werkstückfernen Gasanschluss 10 zur Gasdüse 7 ist die Kolbenstange 9 hohl ausgeführt, d. h. sie weist zentrische Axialbohrung 11 auf. Die Bewegungseinrichtung 6 weist weiterhin zwei Anschlüsse 12a, 12b zur Gaszuführung an zwei einander gegenüber liegenden Enden des Pneumatikzylinders 8 auf, die durch einen an der Kolbenstange 9 vorgesehene Kolbenwirkfläche in Form einer Scheibe 13 voneinander getrennt werden. Die Kolbenstange 9 weist mantelseitig eine quadratische Außenkontur zur Führung in einem Gehäuse 14 der Bewegungseinrichtung 6 auf, in dem der Pneumatikzylinder 8 angeordnet ist. Durch die quadratische Außenkontur wird eine Verdrehsicherung gebildet, die eine hohe Wiederholgenauigkeit bei der Bewegung der Kolbenstange 9 gewährleistet.
Die Bewegungseinrichtung 6 verfügt weiterhin über (nicht gezeigte) Ein- und Ausgänge für die Kommunikation mit einer Steuerungseinheit 15, die in dem Laserbearbeitungskopf 1 oder an anderer Stelle in einer (nicht gezeigten) Laserbearbeitungsmaschine untergebracht sein kann, an welcher die Laserbearbeitungseinrichtung 1 gebildet ist. Die Steuerungseinheit 15 berücksichtigt für die Bewegung der Gasdüse 7 Positionssignale des Laserbearbeitungskopfs 1 und/oder Gasflusssignale durch die Gasdüse 7, die von einer (nicht gezeigten) Gaszuführungseinrichtung zur Zuführung des Gases an den Gasanschluss 10 bereitgestellt werden.
In der in 1a gezeigten Darstellung wird an dem Werkstück 2 ein Schweißprozess durchgeführt, bei dem kein Aufbringen eines (Prozess-)gases an die Bearbeitungsstelle B mit Hilfe der Gasdüse 7 erforderlich ist. Die Prozessgas-Zuführung ist daher ausgeschaltet und die Kolbenstange 9 in ihre werkstückferne Endstellung zurückgezogen, welche der Parkposition P der Gasdüse 7 entspricht. Erreicht der Laserbearbeitungskopf 3 bei seiner Bewegung entlang des Werkstücks 2 eine Position, an der ein Gasfluss zur Bearbeitungsstelle B erfolgen soll, z. B. wenn wie in 1b gezeigt ein Bohrprozess an dem Werkstück 2 stattfindet, wird die Kolbenstange 9 ausgefahren und die Gasdüse 7 in ihre Arbeitsposition A gebracht. Der Beginn der Bewegung der Kolbenstange 9 kann schon vor dem Erreichen der Bearbeitungsstelle 5 durch den Laserbearbeitungskopf 1 eingeleitet werden, falls durch die beim Ausfahren der Kolbenstange 9 erzeugte Verzögerung der Bearbeitungsprozess verlangsamt werden sollte. Das für den Bohrprozess benötigte Gas, z. B. Stickstoff, wird jedoch in der Regel erst bei ausgefahrener Kolbenstange 9 zugeschaltet, d. h. wenn die Gasdüse 7 sich bereits ihrer Arbeitsposition A befindet. Es versteht sich, dass alternativ auch eine Zuschaltung des Gases während des Ausfahrens der Kolbenstange 9 erfolgen kann. Sobald durch die Gasdüse 7 ein Gasstrom auf die Bearbeitungsstelle 5 aufgebracht wird, wird der Laserstrahl 4 zugeschaltet und der Laserbearbeitungsprozess, im vorliegenden Fall der Bohrprozess, durchgeführt. Es versteht sich, dass die Bewegung der Gasdüse 7 in die Arbeitsposition A und die Aktivierung des Gasflusses auch erst während eines Laserbearbeitungsprozesses erfolgen kann, wenn beispielsweise vorherige Abschnitte des Prozesses ohne Gasfluss durchgeführt werden können. Wird der Gasfluss nach Beendigung der Bearbeitungsaufgabe ausgeschaltet, so wird die Kolbenstange 9 zurückgezogen und die Gasdüse 7 kehrt in ihre Parkposition A zurück. Das Ausschalten des Gasflusses kann dabei als zwingende Bedingung für das Einfahren der Kolbenstange 9 vorgegeben werden.
Bei dem oben beschriebenen Bearbeitungsprozess können weiterhin verschiedene Abbruchsituationen definiert werden. Insbesondere kann das Ausschalten des Gasflusses nicht nur notwendige Voraussetzung für das Einfahren der Kolbenstange 9 sein, sondern vielmehr kann das Einfahren oder zumindest das Verharren der Gasdüse in einer (Zwischen-)Position auch zwingende Konsequenz aus der Abschaltung des Gasflusses sein. So ist es günstig, bei einer „Not-Halt”-Situation mit der damit verbundenen Abschaltung des Gasflusses durch die Gasdüse 7 die Ansteuerung des Pneumatikzylinders 8 in ihrem momentanen Zustand zu belassen, d. h. die Bewegung der Kolbenstange 7 in einer Zwischenposition zwischen der Parkposition P und der Arbeitsposition A anzuhalten. Die Kolbenstange 9 verharrt dann in ihrer momentanen Stellung und wird beim Neustart der Laserbearbeitungseinrichtung 1 zunächst wieder in die sichere Parkposition A verfahren.
Es versteht sich, dass neben der oben beschriebenen Prozessführung auch andere Möglichkeiten bestehen die Bewegung der Gasdüse 7 in vorteilhafter Weise mit dem Ein- bzw. Ausschalten des Gasflusses zu kombinieren. Auch kann anders als in 1a, b gezeigt die Gasdüse koaxial zum Laserstrahl ausgerichtet sein, so dass die Düsenaustrittsöffnung der Gasdüse die Strahlaustrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfs bildet.

Claims

Laserbearbeitungseinrichtung (1), umfassend: einen Laserbearbeitungskopf (3) zum Ausrichten eines Laserstrahls (4) auf eine Bearbeitungsstelle (B) an einem Werkstück (2), mindestens eine versetzt zu einer Strahlaustrittsöffnung (5) des Laserbearbeitungskopfs (3) angeordnete Gasdüse (7), sowie eine Bewegungseinrichtung (6) zur Bewegung der Gasdüse (7) relativ zum Laserbearbeitungskopf (3) zwischen einer werkstückfernen Parkposition (P) zum Schutz der Gasdüse (7) vor Verschmutzung und einer werkstücknahen Arbeitsposition (A) zum Aufbringen eines Gasstroms auf die Bearbeitungsstelle (B), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (7) an einem werkstückseitigen Ende einer mittels der Bewegungseinrichtung (6) linear verschiebbaren Kolbenstange (9) gebildet oder befestigt ist, welche eine Axialbohrung (11) zur Gaszuführung an die Gasdüse (7) aufweist.
Laserbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Steuerungseinheit (15) zur Steuerung der Bewegung der Gasdüse (7) in Abhängigkeit von einem an der jeweiligen Bearbeitungsstelle (B) durchzuführenden Bearbeitungsprozess und/oder in Abhängigkeit vom Gasfluss durch die Gasdüse (7).
Laserbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Bewegungseinrichtung (6) einen doppelt wirkenden Pneumatikzylinder (8) aufweist, in dem die Kolbenstange (9) geführt ist.
Laserbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kolbenstange (9) zur verdrehsicheren Führung eine nicht radialsymmetrische Außenkontur aufweist.
Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks (2), umfassend: Ausrichten eines Laserstrahls (4) auf eine Bearbeitungsstelle (B) an dem Werkstück (2) mittels eines Laserbearbeitungskopfs (3), Bewegen mindestens einer versetzt zu einer Strahlaustrittsöffnung (5) des Laserbearbeitungskopfs (3) angeordneten Gasdüse (7) relativ zum Laserbearbeitungskopf (3) aus einer werkstückfernen Parkposition (P) zum Schutz der Gasdüse (7) vor Verschmutzung in eine werkstücknahe Arbeitsposition (A) zum Aufbringen eines Gasstroms auf die Bearbeitungsstelle (B), dadurch gekennzeichnet, dass zum Bewegen der Gasdüse (7) eine Kolbenstange (9) linear verschoben wird, an deren werkstückseitigem Ende die Gasdüse (7) gebildet oder befestigt ist, wobei die Kolbenstange (9) eine Axialbohrung (11) zur Gaszuführung an die Gasdüse (7) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter umfassend: Steuern der Bewegung der Gasdüse (7) in Abhängigkeit von einem an der jeweiligen Bearbeitungsstelle (B) durchzuführenden Bearbeitungsprozess und/oder in Abhängigkeit vom Gasfluss durch die Gasdüse (7).