DE102010049453A1

DE102010049453A1 - Hochdynamisch translatorisch bewegbare Einrichtung zur Zusammenführung einer energetischen Strahlwirkung und eines Hilfsmediums an einem Wirkpunkt

Info

Publication number: DE102010049453A1
Application number: DE102010049453A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2010-10-23
Filing date: 2010-10-23
Publication date: 2012-04-26
Also published as: CN203371169U; WO2012052523A1

Abstract

Hochdynamisch translatorisch bewegbare Einrichtung zur Zusammenführung einer energetischen Strahlwirkung und eines Hilfsmediums an einem Wirkpunkt mit einem in Strahlrichtung letzten strahlbeeinflussenden Element (35) und einer Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums zu besagtem Wirkpunkt (40), die in mindestens einer Achse transversal zur Strahlrichtung im Wirkpunkt (40) gemeinsam bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes letztes strahlbeeinflussendes Element (35) zur Umlenkung des besagten Strahls mittels Reflektion ausgebildet ist und eine Strahlfokussierung mittels besagtem reflektierenden Element (35) oder weiteren, diesem vorausgehenden, den Strahl beeinflussenden Elementen erfolgt. Vorzugsweise ist eine erfindungsgemäße Einrichtung Teil eines Systems zu Bewegung des Wirkpunktes (40) relativ zu einem Gesamtarbeitsraum mittels redundant überlagert bewegbarer Maschinenachsen mit passend abgestuften Bewegungsspielräumen und Beschleunigungsmöglichkeiten.

Description

Technisches Gebiet und Stand der Technik
Die Fortentwicklung neuer Materialbearbeitungs-, -verbindungs- oder -aufbauverfahren wie Laserschneiden und -schweißen, Hochgeschwindigkeitsfräsen, Rapid Prototyping oder von Nachbearbeitungsverfahren beispielsweise Härten, Beschichten oder Polieren haben zu einer wachsenden Anzahl von Maschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten ihrer Werkzeug- oder Werkstück tragenden Elemente geführt.
Werkzeuge aller Art werden im weiteren als Endeffektoren bezeichnet.
Bewegungsvorrichtungen, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, die jeweils eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Endeffektors relativ zu einem Werkstück in einer Achse eines Referenzkoordinatensystems des Arbeitsraumes der Maschine erlauben, werden im weiteren als Achsen bezeichnet.
Als Maschinenachsen werden solche Teilbewegungsvorrichtungen bezeichnet, die eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Maschinenelementes gegenüber einem in der Hierarchie der Gesamtstruktur der Maschine höher stehenden Maschinenelement erlauben, wobei die Hierarchie beim Maschinengestell als höchste Stufe beginnt und bei den Maschinenachsen zur direkten Bewegung eines Endeffektors als niedrigste Stufe endet. Achsen und Maschinenachsen können identisch sein, aber es können auch Achsbewegungen, in Bezug zum besagten Referenzkoordinatensystem, aus den Bewegungen mehrerer Maschinenachsen zusammengesetzt sein.
Damit die hohen angestrebten Geschwindigkeiten auch bei kompliziert gestalteten Werkstücken genutzt werden können, sind hohe Beschleunigungen der bewegten Elemente notwendig.
In vielen Anwendungen ist es notwendig einen Endeffektor, entweder kontinuierlich und mit möglichst hoher konstanter Relativgeschwindigkeit, an einer mindestens teilweise kompliziert geformten Kontur entlang zu führen, oder mit einer möglichst hohen Taktrate durch eine Vielzahl diskreter Positionen, auf einem Werkstück, das relativ zum besagten Endeffektor wesentlich größere Abmessungen aufweist und gewöhnlich auch eine weitaus höhere Masse besitzt.
Dies setzt eine relativ langwegige und massive Führungsstruktur voraus.
Je massiver die bewegten Elemente sind, umso höher sind die Kräfte die einerseits notwendig sind um die erwünschten hohen Beschleunigungen zu erzielen und die anderseits entsprechende Rückwirkungen auf tragende oder führende Strukturen verursachen.
Besagte Rückwirkungen führen zu unerwünschten, meist elastischen, Verformungen dieser Strukturen, was wiederum häufig zu Schwingungen auf den Resonanzfrequenzen aller beteiligten Maschinenelemente führt.
All diese Verformungen und Schwingungen führen zur Abweichung zwischen Soll- und Ist-Positionen eines Endeffektors relativ zum Werkstück.
Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um dieses Problem zu mindern. Grundsätzlich unterscheidbar sind zwei Hauptzweige, die jedoch in der konkreten Anwendung durchaus gemeinsam zum Einsatz kommen können.
Ein Zweig befasst sich mit der möglichst vorwegnehmenden oder schnell reagierenden Korrektur einer vorausberechenbaren oder festgestellten Bewegungsabweichung, also Fehlerkompensation.
Ein anderer Zweig, mit dem sich die hier vorliegende Patentanmeldung in der Hauptsache befasst, versucht die Bewegungsabweichungen von vornherein klein zu halten, also Fehlervermeidung.
Die Fehlervermeidung kennt wiederum grundsätzlich drei Unterzweige von Lösungen. 1. Stabilität, 2. Reduktion der bewegten Massen und 3. Impulsausgleich.
Fehlervermeidung durch Rigidität der Strukturen und Dämpfung von Schwingungen führt zu massiven Maschinen, die hohe Antriebskräfte benötigen, was somit hohe Anschaffungs- und Aufstellungskosten, hohen Energieverbrauch und in vielen Fällen auch hohen Verschleiß bedeutet, also zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten führt.
Diese Kosten übersteigen bei den angestrebten Beschleunigungen häufig den erzielbaren Produktivitätsvorteil.
Zur Fehlervermeidung durch Reduktion der bewegten Massen sind ebenfalls eine ganze Reihe von Lösungsansätzen bekannt.
Neben der Verwendung neuartiger Werkstoffe, beispielsweise Kohlefaserverbundstoffe, kommt es auch zum Einsatz alternativer Achskonfigurationen, wie beispielsweise Parallelkinematiken, und dort als Beispiel den sogenannten Hexapoden.
Der Grundgedanke dabei ist, dass die verschiedenen benötigten Freiheitsgrade nicht durch eine Aneinanderreihung entsprechend beweglicher Achsen erzielt werden, was in seiner Konsequenz bedeutet, dass mit der Anzahl der Achsen die benötigte Stabilität nur durch eine jeweils überproportional schnell ansteigende Maschinenmasse erzielbar ist, sondern indem meist Kinematiken, aus in der Länge veränderlichen Stäben, die überwiegend an Kardan- oder Kugelgelenken frei beweglich sind, einen Endeffektor oder ein Werkstück gemeinsam nebeneinander, also parallel, tragen und diese durch entsprechend koordinierte Längen- oder Positionsänderungen der Stäbe, mit relativ großer Freiheit im Arbeitsraum bewegbar sind.
Der Arbeitsraum einer Maschine, die Parallelkinematik verwendet, ist jedoch verhältnismäßig klein, wenn man ihn mit einer konventionellen Maschine ähnlicher Abmessungen vergleicht, insbesondere im Vergleich zu Maschinen mit bewegten Portalen.
Außerdem setzt das sehr komplexe dynamische Verhalten der veränderlichen Stäbe und dies im Zusammenspiel mit den stark belasteten Gelenken einer hoch beschleunigten und zugleich sehr exakten Bewegung Grenzen.
Es ist auch schon zur Entwicklung von Hybridformen gekommen, die sowohl traditionelle Achsanordnungen als auch Parallelkinematiken kombinieren, z. B. in der Form, dass eine traditionelle Portalmaschine eine Parallelkinematik anstelle eines mehrachsigen Schwenkkopfes trägt. Ein Beispiel hierfür ist aus US 7 357 049 B2 bekannt.
Solche Kombinationen weisen zugleich in eine gegenüber der Parallelkinematik nahezu genau entgegengesetzte Entwicklungstendenz, also sogar in das aufeinander stapeln von noch mehr Achsen, die schon seit geraumer Zeit, beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 93/01021 A1 , bekannt geworden ist.
WO 93/01021 A1 lehrt die parallel überlagerte (redundante) Bewegung von längeren Basisachsen und kürzeren Zusatzachsen, wobei die Zusatzachsen durch ihre kleineren Wege und Spannweiten sehr viel kleiner bauen und damit leichter sind, also mit weniger Kraft zu beschleunigen.
Dies führt je nach Abwägung eher zu höheren Beschleunigungen bei gleichen Kräften, oder geringeren Rückwirkungen bei gleichen Beschleunigungen, so dass sowohl Genauigkeit, als auch Geschwindigkeit hiervon profitieren können.
Im Laufe der Zeit sind zahlreiche weitere Zusatzachskonfigurationen entwickelt worden, die auf ähnliche Weise das gleiche Ziel verfolgen.
Dies gilt auch für EP 927 596 A2 und EP 2 177 299 A1 , nur dass hier nicht zwei oder drei Maschinenachsen mit hohen Massen, als Zusatzachsen in kleinerer und leichterer Form, dupliziert werden, sondern dass eine redundant wirksame Überlagerung der Bewegung der langen Maschinenachsen, durch eine Kombination aus rotatorisch und translatorisch wirksamen Zusatzachsen erreichbar wird.
Auch hiermit können relativ hoch beschleunigte Bewegungen eines Endeffektors gegenüber dem Werkstück erzielt werden, ohne dass hierzu große Massen entsprechend beschleunigt werden müssen.
EP 1 724 054 A1 offenbart den Einsatz von Zusatzachsen mit Impulsausgleich,
als der dritten schon genannten Methode zur Fehlervermeidung, in einer besonderen orthogonalen parallelkinematischen Zusatzachsenkonfiguration, bei der jeder Zusatzachsenrichtung (dort U, V) eine den bewegten Massen entgegenwirkende Ausgleichsmasse zugeordnet ist, die mit einem eigenen Antrieb, exakt synchron und entgegen der Nutzmasse (dem Endeffektor) bewegt wird.
Dies vermindert die Rückwirkung von beschleunigten Teilmassen der Zusatzachsen auf die jeweils tragenden Strukturen zusätzlich, was nochmals erhöhte Genauigkeit und/oder Geschwindigkeit ermöglicht.
Der zum Zeitpunkt dieser Anmeldung aktuelle Stand der Technik zum Impulsausgleich bei Zusatzachsen ergibt sich, soweit dem Anmelder bekannt, aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 2010/001037 und in Verbindung mit einer Variante des Impulsausgleichs, der sogenannten Impulsentkopplung, aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 2010/001038 , beide vom Anmelder der vorliegenden Erfindung.
Allen diesen Beispielen aus dem Stand der Technik ist bei der weit überwiegenden Anzahl der Anwendungen gemeinsam, dass sich der zu bewegende Endeffektor sehr nahe am jeweiligen Wirkpunkt seiner Funktion befindet.
Dies gilt in aller Regel selbst für solche Anwendungen, deren Wirkung nicht über einen mechanischen Kontakt erfolgt, sondern beispielsweise mittels eines Lichtstrahls.
Der Grund hierfür kann sowohl in der erzielbaren Genauigkeit der Bearbeitung liegen, die bei kürzerer Distanz zwischen Wirkpunkt und Endeffektor meist besser ist, als auch durch den Zwang, am Wirkpunkt genau definierte Verhältnisse zu schaffen.
Ganz besonders trifft dies beispielsweise beim Laserschneiden zu, wo je nach Laserleistung, Materialart und -stärke ein qualitativ und ökonomisch optimales Ergebnis nur unter Zuführung von sogenannten Schneidgasen unter gut kontrollierbaren Druck- und Strömungsverhältnissen am Wirkpunkt erzielbar ist.
Dass dies mit einem Gasaustritt nahe des Wirkpunktes besser und ökonomischer gelingt, liegt für den Fachmann auf der Hand.
Weil somit Gasdüse und Austritt des Laserstrahls ohnehin im wesentlichen am gleichen Ort sein sollten, wird gewöhnlich die Fokussierungsoptik für den Laserstrahl und die Einrichtung zur Zuführung des Schneidgases in ein gemeinsames Gehäuse, den sogenannten Schneidkopf, integriert.
Solch ein Schneidkopf kann durchaus eine Masse um 5 KG oder mehr aufweisen und daher eine recht aufwendige Zusatzachsenkonfiguration erfordern, insbesondere bei angestrebten Beschleunigungen von bis zu 100 m/s² und Ruckwerten von über 50.000 m/s³.
Um diese Problematik zu reduzieren, wird in WO 2009/146697 A1 vorgeschlagen, allein die Schneiddüse zweidimensional parallel zur Werkstückoberfläche zu bewegen und die entsprechende Nachführung des Laserstrahls mittels mehrerer schwenkbarer Spiegel oder eines in mehreren Achsen schwenkbaren Spiegels zu erreichen, wobei der vorzugsweise kollimierte Laserstrahl, nach Reflektion durch den jeweils letzten besagten schwenkbaren Spiegel, mittels einer telezentrisch wirksamen Fokussierungsoptik senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet wird.
Zwar sinkt hierdurch die zu bewegende Masse in einer Zusatzachseneinheit signifikant, jedoch um den Preis einer aufwendigen und, besonders im Betrieb mit hohen Strahlleistungen im KW-Bereich problematischen Fokussierungsoptik, sowohl bezüglich optischer Stabilität und zu erwartendem Wartungsbedarf.
Bei Zusatzachseinheiten mit Bewegungsspielräumen von mehr als 10 cm in beiden Hauptachsen ist eine derartige Linsenoptik kaum mehr mit den notwendigen optischen Eigenschaften wirtschaftlich herzustellen und, wenn überhaupt, dann nur bei einem erheblichen Abstand zwischen Optik und rotierbaren Umlenkspiegeln, was entsprechend zu ungünstigen Abmessungen einer solchen Zusatzachseneinheit führt.
WO 2009/079760 A1 offenbart einen Scannerkopf zum Remote-Laserschweissen, der ebenfalls als Zusatzachseneinheit im Sinne des vorherigen Standes der Technik verwendbar ist, ähnlich wie die schon aufgeführten Laserschneidköpfe mit rotorisch bewegbaren Achsen EP 927 596 A2 und EP 2 177 299 A1 .
Eine Linearachse zum hochdynamischen Ausgleich der Bewegungsabweichungen des Wirkpunktes von einer translatorischen Bewegung entlang einer ebenen Werkstückoberfläche (oder einer beliebigen dreidimensionalen Sollkontur) ist hier jedoch über einen adaptiven Spiegel in der Fokussierungsoptik realisiert, der die Brennweite und somit den Abstand des Wirkpunktes vom Scannerspiegel bestimmt. Grundsätzlich ist eine derartige Zusatzachseneinheit auch zum Laserschneiden geeignet, jedoch nicht annähernd mit der Qualität und Geschwindigkeit, die mit einer relativ kleinräumig definierten Scheidgaszuführung und definiertem Strahlwinkel am Wirkpunkt möglich ist.
Besonders gelten die zum Stand der Technik beschriebenen Probleme für redundant bewegbare Zusatzachseinheiten, die über eine Bearbeitungsfläche von mehreren Quadratmetern hinweg zeitgleich überlagert mit langwegigen Basisachsen bewegt werden, und selbst Bearbeitungsflächen von typischerweise zwischen 10 bis 1000 Quadratzentimetern aufweisen.
Grundsätzlich treten derartige Probleme jedoch auch bei nur separat bewegbaren oder feststehende Bearbeitungseinheiten mit derartigen Bearbeitungsflächen auf.
Nach dem Stand der Technik sind entweder die Fokussierungselemente gemeinsam mit der besagten Einrichtung zur Zuführung des Hilfsmediums, als Einheit über der Bearbeitungsfläche, bewegbar (Beispiel: Laserschneidkopf) oder die Abmessungen der Fokussierungselemente sind derart, dass sie die Bearbeitungsfläche der besagten Bearbeitungseinheit im wesentlichen abdecken, was zu den beschriebenen Problemen und Einschränkungen führt.
Die geschilderten Probleme treten nicht nur beim Laserschneiden auf, sondern auch bei anderen Bearbeitungsprozessen, bei denen zugleich ein energiereicher Strahl im elektromagnetischen Wellenlängenbereich von etwa 50 γm bis 100 nm im Wirkpunkt mit gasförmig, flüssigen oder pulverförmig zugeführten Hilfsmedien, nur unter mit ausreichender Genauigkeit definierten Bedingungen zum erwünschten Ergebnis führt und besagter Strahl nicht mittels einer massearmen und beschleunigungsunempfindlichen Einrichtung nahe am Wirkpunkt erzeugt werden kann.
Besagtes erwünschtes Ergebnis kann das möglichst glatte Durchtrennen entlang einer Kontur oder das punktuelle Durchbohren von Material sein, ebenso wie das definierte Abtragen, Auftragen oder Verschmelzen von Material sowie das Glätten oder ein gezieltes Strukturieren.
Das besagte zugeführte Hilfsmedium kann das gewünschte Ergebnis sowohl durch eine endotherme oder exotherme chemische oder eine katalytische Reaktion erzielen oder unterstützen, als auch mittels einer physikalischen Wirkung wie beispielsweise Druck, Strömung, Kühlung oder Abrieb.
Je nach Anwendung können verschiedene der besagten Ergebnisse, Reaktionen und Wirkungen auch gemeinsam vorkommen.
Allen derartigen Anwendungen ist nach dem Stand der Technik gemeinsam, dass eine besonders hoch beschleunigbare Bewegung der Einrichtung zur besagten Zuführung des Materials über eine eher große Bearbeitungsfläche hinweg, bei gleichzeitig in Ausrichtung und Gleichmäßigkeit aller wesentlicher Parameter konstanter und zugleich möglichst hoher Energiewirkung durch besagte Strahlen, insbesondere bei Anwendung eines fokussierten Laserstrahls, wenn überhaupt, dann nur mittels aufwendig herstellbaren und wartbaren Linsenoptiken möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es eine besonders hoch beschleunigbare Bewegung eines besagten Wirkpunktes und einer besagten Medienzuführung über eine eher große Bearbeitungsfläche hinweg, bei gleichzeitig in Ausrichtung und Gleichmäßigkeit aller wesentlicher Parameter, konstanter und zugleich möglichst hoher Energiewirkung durch besagte Strahlen, bei gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Effektivität und Flexibilität, zu erzielen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem als in Strahlrichtung letztes den Strahl beeinflussendes Element, ein den besagten Strahl mittels Reflektion umlenkendes Element vorgesehen ist und für besagtes reflektierendes Element eine translatorische Bewegung in mindestens einer Achse im wesentlichen parallel und synchron zur Bewegung besagter Medienzuführung vorgesehen ist, und eine Strahlfokussierung mittels besagtem reflektierenden Element oder weiteren, in Bezug zur Strahlrichtung, diesem vorgelagerten, den Strahl beeinflussenden, Elementen erfolgt.
Dies führt zu der Möglichkeit, jeweils passend und abhängig von angestrebten Abständen zwischen Wirkpunkt, besagter Medienzuführung und besagtem reflektierenden Element, entweder eine verhältnismäßig kompakte Einheit vorzusehen, die sowohl besagtes reflektierendes Element und besagte Medienzuführung enthält,
oder diese Elemente auf getrennte aber synchron bewegte Einheiten verteilt vorzusehen, was in jedem Fall mit geringem relativen Zusatzaufwand eine Beschleunigung besagter Einheiten erlaubt, wie es bei vergleichbarem Aufwand, nach dem Stand der Technik, nur für die besagte Medienzuführung allein vorgesehen und möglich ist.
Erfindungsgemäß wird vermieden, dass entweder eine großflächige und aufwendige Einheit zur Strahlumlenkung und -fokussierung notwendig ist oder eine separate massereiche Fokussierungseinheit hoch beschleunigt mitbewegt werden muss, die in beiden Fällen verhältnismäßig wartungsintensiv wären und sich gewöhnlich in einer Verschleiß erzeugenden und Wartungsarbeiten erschwerenden Einbaulage befinden. Zugleich wird hiermit erfindungsgemäß erreicht, dass der Abstand zwischen Wirkpunkt des besagten energiereichen Strahls und dem letzten strahlbeeinflussenden Element im Verhältnis zu den Gesamtabmessungen einer entsprechenden Einrichtung maximiert wird, wodurch mögliche negative, insbesondere thermische, Rückwirkungen auf besagtes letztes strahlbeeinflussendes Element weiter verringert werden können.
Vorzugsweise wenn eine Strahlwirkung anwendungsspezifisch durch Bündelung des Strahls mit einer relativ kurzen Brennweite zum Wirkpunkt hin angestrebt wird, kann vorgesehen sein, die benötigte Fokussierung allein durch die Strahlung bündelnde Formung der reflektierend wirkenden Oberfläche des besagten reflektierenden Elements zu erzielen.
Vorzugsweise wenn eine Strahlwirkung anwendungsspezifisch durch Bündelung des Strahls mit einer relativ langen Brennweite zum Wirkpunkt hin angestrebt wird, kann vorgesehen sein, die benötigte Fokussierung allein oder mindestens überwiegend durch entsprechende strahlformende Elemente zu erzielen, die besagtem reflektierenden Element auf dem Strahlweg vorgelagert sind.
Letzteres kann beispielsweise für eine Laserstrahlanwendung derart realisiert sein, dass auf dem weniger beschleunigten Träger einer Zusatzachseneinheit eine Kollimationseinheit bewegt wird, an deren Eingangsseite die Einkopplung eines Laserstrahls aus einer Glasfaser erfolgt und ausgangsseitig eine Aufweitung, Fokussierung und Umlenkung des Strahls mittels aus dem Stand der Technik bekannter Spiegelanordnungen
(siehe beispielsweise WO 2009/079760 A1 ) erfolgt, aber erfindungsgemäß derart abgewandelt, dass der Laserstrahl durch einen letzten ebenen Umlenkspiegel zum Wirkpunkt umgelenkt und besagter Spiegel erfindungsgemäß wesentlich translatorisch parallel und synchron zu einer ebenfalls erfindungsgemäßen Medienzuführung bewegt wird.
Durch einen adaptiven Spiegel hinter besagter Kollimationseinheit, nach besagtem Stand der Technik, wird der gewünschte Strahldurchmesser am Wirkpunkt, unter dem Ausgang einer Schneidgasdüse als erfindungsgemäßer Medienzuführung, passend zur relativen Position der translatorisch bewegbaren Umlenkspiegel nachgeführt.
Dabei ist zu beachten, dass das Verhältnis zwischen Abstand des Fokuspunktes vom bewegten Umlenkspiegel zum Abstand des Fokuspunktes vom letzten strahlformenden Element nicht so niedrig ist, dass sich schon auf einem bewegten Umlenkspiegel eine problematisch hohe Strahlkonzentration ergeben kann. Daher sollte eine nicht zu geringe Bauhöhe eines erfindungsgemäßen Schneidkopfes vorgesehen sein, auch, um trotz der translatorisch bewegbaren Umlenkspiegel, dennoch zugleich eine möglichst kleine verhältnismäßige Veränderung der Fokusweite zu ermöglichen, die technisch tendenziell weniger aufwendig beherrschbar ist.
Hierbei ist aber ein anwendungsspezifisches Optimum anzustreben, da andererseits auch eine Nachführung des Fokusabstandes über einen relativ großen Abstandsbereich, mittels sehr kleinen Veränderung in der Einstellung des besagten adaptiven Spiegels, zu Präzisionsproblemen, beispielsweise durch mechanische Unruhe oder Hysterese führt.
Grundsätzlich ist eine Fokusanpassung auch durch verstellbare Linsensysteme (in Bezug zur Strahlrichtung, vor dem letzten translatorisch bewegbaren Umlenkspiegel) möglich, die jedoch bei hohen Strahlleistungen bezüglich Abbildungsstabilität und Wartbarkeit Nachteile aufweisen, wie schon zum Stand der Technik ausgeführt wurde.
Hierdurch ist erkennbar, dass eine derartige, auch steuerungstechnisch eher anspruchsvolle Ausführung der Erfindung, vorzugsweise nur bei großer benötigter Brennweite vorgesehen sein sollte.
Wann immer möglich, wird daher die benötigte Fokussierung durch entsprechende Auslegung des in Strahlrichtung zuletzt genutzten Umlenkspiegels bevorzugt sein, meist auch dann, wenn dies bei relativ großer benötigter Brennweite entweder zu einer in Strahlrichtung verhältnismäßig hoch gebauten translatorisch bewegbaren Einheit führt, die sowohl den besagten Umlenkspiegel als auch die besagte Medienzuführung enthält, oder wenn hierdurch zwei getrennte aber parallel und synchron translatorisch bewegbare Einheiten notwendig werden.
Bei zwei getrennt angetriebenen Einheiten kann es sowohl vorgesehen sein, insbesondere wenn es sich bei dem am Wirkpunkt zuzuführenden Hilfsmedium um ein inertes Gas oder Luft handelt, dass sich dennoch diese beiden Einheiten parallel in einem gemeinsamen sie umschliessenden mit besagtem Medium druckbeaufschlagten Raum („Gehäuse”) bewegen, was die Anzahl der für besagte Strahlung transparenten mediendichten Übergänge („Fenster”) von Einheit zu Einheit minimiert.
In den meisten Anwendungen wird eine Zustellmöglichkeit der translatorisch bewegbaren Einheiten in Strahlrichtung gegenüber der Werkstückoberfläche vorgesehen sein. Ebenso kann eine Einstellmöglichkeit im Abstand zwischen besagtem Umlenkspiegel und besagter Schneiddüse, oder allgemeiner; zwischen besagtem reflektierenden Element und besagter Medienzuführung, vorgesehen sein.
Je nach Anwendungsbereich, notwendigem Bewegungsspielraum und Dynamik steht hier ein breites Spektrum dem Fachmann schon aus dem Stand der Technik bekannter Antriebsmöglichkeiten zur Verfügung. Beispiele sind Lineardirektantriebe, Tauchspulenantriebe oder piezoelektrische Aktoren.
Dabei ist es möglich und kann sowohl konstruktiv als auch wirtschaftlich sinnvoll sein, das Prinzip redundant überlagerter Zusatzachsen ebenso für eine derartige Zustellung zu nutzen, was einerseits zu einer hochdynamischen und, besonders zur Positionsanpassung des besagten reflektierenden Elementes, konstruktiv vergleichsweise günstig zu realisierenden Bewegungsmöglichkeit innerhalb kleiner Wege führt und andererseits erlaubt massivere und raumgreifendere Elemente für eine größere Bewegungsmöglichkeit in Strahlrichtung, in eine höhere Stufe der Gesamtachskonfiguration zu verlagern, wo sie bezüglich der Maschinendynamik nicht oder als Basisachse zumindest weitaus weniger störend in Erscheinung treten.
Die besagte vergleichsweise günstige Realisiersungsmöglichkeit ergibt sich vorzugsweise derart, dass für kleine Zustellbewegung in Strahlrichtung, parallel zur Positionsverstellung des besagten Umlenkspiegels auch andere an der Strahlformung und -umlenkung beteiligte Elemente synchron mitbewegt werden. Dies bietet sich besonders an, wenn die Anzahl der derart in ihrer Bewegung zu synchronisierenden Elemente gering ist, beispielsweise wenn lediglich noch eine Kollimationseinheit mitbewegt werden muss, um unerwünschte Brennweiten- oder Positionsverschiebungen durch derartige Bewegungen zu vermeiden.
Alternativ oder zusätzlich kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass mindestens eines der Elemente zur Strahlumlenkung oder -formung um einen kleinen Winkelbetrag schwenkbar oder über eine geringe Strecke translatorisch bewegbar ist, so dass hierdurch der vom jeweiligen Element abgehende Strahl am Wirkpunkt höher beschleunigbar über eine geringe Strecke translatorisch bewegbar ist, als besagte Medienzuführung.
Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit besagte Medienzuführung derart zu gestalten, dass eine entsprechende Strahlablenkung nicht zu einer wesentlichen Verschlechterung der Prozessqualität im Wirkpunkt führt.
Dies ist bei einer Vielzahl von erfindungsgemäß nutzbaren Anwendungen durchaus möglich, wie auch durch den Stand der Technik in DE 10 2005 027 836 A1 bekannt, in der unter anderem eine um einige mm aufgeweitete Schneiddüse vorgeschlagen wird, für eine der Hauptbewegung überlagerte hoch beschleunigte Strahlablenkung, um einige mm.
Jedoch ist in jenem Stand der Technik weder eine hochdynamische translatorische Bewegung des Umlenkspiegels vorgesehen, noch dass dieser Spiegel das einzige zur Medienzuführung parallel bewegte optischen Element darstellt, da dort explizit oder implizit von einer dem Spiegel nachfolgenden Fokussierung ausgegangen wird.
Im Zusammenwirken mit Zusatzachsen nach dem Stand der Technik, die eine redundante translatorische hoch beschleunigte Bewegung im Dezimeterbereich vorsehen, ergibt sich erfindungsgemäß eine besonders leistungsfähige und flexible dreistufig redundant überlagerte Bewegungsmöglichkeit, die neben den schon genannten Vorteilen gegenüber dem nächstliegenden Stand der Technik in WO 2009/146697 A1 und einer besseren Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Anwendungen, auch eine höhere Präzision und/oder Geschwindigkeit in der Bearbeitung zulässt, u. a. da ein erfindungsgemäßer Ablenkspiegel bei nur kurzwegigen durch hochdynamische Aktoren ausgeführten Bewegungen weitaus leichter zu kühlen und damit optisch bei hohen Strahlleistungen besser zu stabilisieren ist.
Sowohl diese Eigenschaft als auch der resultierende Aufbau führen zu längeren Wartungszyklen und gleichzeitig vereinfachter Zugänglichkeit der Einzelteile.
Aus dem zitierten Stand der Technik ist schon quantitativ ersichtlich, dass erfindungsgemäße Maschinenkonfiguration besonders für den Bereich Laserschneiden nutzbar sind, da sich die meisten konkreten Beispiele mit dieser Anwendung befassen.
So sollen sich auch die hier geschilderten konkreten Beispiele zur Anwendung der Erfindung mit diesem Gebiet befassen, was jedoch selbstverständlich nicht bedeutet, dass die beschriebenen Beispielkonzepte sich, in für den Fachmann leicht zu entwerfenden Abwandlungen, nicht auch für eine Vielzahl anderer Anwendungen eignen, die zum Teil schon zum Stand der Technik aufgeführt oder umrissen wurden.
Vorzugsweise ist die Erfindung dort vorteilhaft anwendbar, wo Bewegungsabläufe mit hohen konstanten Geschwindigkeiten entlang längerer komplex geformter Konturen erfolgen oder aus sonstigen Gründen Gesamtbewegungen über längere Strecken bei häufigen intermittierenden hohen Beschleunigungen erforderlich sind.
Eine der verbreitetesten Anwendungen des Laserschneidens ist das Schneiden von plattenförmigen Rohmaterial auf sogenannten Flachbettlaserschneidmaschinen. Die ganz überwiegende Anzahl derartiger Laserschneidmaschinen teilt sich in der Grundkonstruktion in zwei Gruppen auf:
Beiden gemeinsam ist das, meist auf einem Wechseltisch, während der Bearbeitung ortsfest im Bearbeitungsraum positionierte Material.
Die schon etwas traditionellere Fraktion positioniert mittels einer Gantry Anordnung aus zwei Antrieben und entsprechenden Führungen neben dem Arbeitsraum ein Portal über dem Material, meist entlang der größeren Abmessung des Bearbeitungsraums, der bei den meisten Maschinen ein horizontales Bearbeitungsfeld von 3 × 2 Metern bis zu 5 × 3 Metern umfasst und meist nur eine Höhe von einigen Zentimetern aufweist.
Da die freistehenden Führungen der auf den Portalen bewegbaren Strukturen noch etwas länger sein müssen, als das zu bearbeitende Material, entstehen so Portale mit frei tragenden Längen von 2,5 bis 3,5 Metern, die entsprechend oft insgesamt eine 3 bis 4 Meter lange -bewegbare Struktur darstellen.
Um bei solchen Maschinen eine gute Zugänglichkeit des Arbeitsraumes zu erreichen, wäre es wünschenswert die Portale mit Ständern zu bewegen, so dass die Führungen unterhalb des Arbeitsraumes angeordnet sein können. Dies wiederspricht jedoch einer hohen Maschinendynamik, durch die zusätzlichen bewegten Massen und Elastizitäten, so dass überwiegend die Führungen der Portale direkt auf der Bearbeitungsebene stattfindet.
Daher entwickelte sich mit der Zeit eine zweite Bauart, bei der die Führung des Portals über oder hinter den Bearbeitungsraum verlegt wird. Vom Kragarm der von der Rückseite des Bearbeitungsraumes her mit übereinander angeordneten Führungen gehalten wird über eine relativ breit ausgelegte zentrale Führung über dem Arbeitsraum, bis hin zu entsprechenden Kombinationen aus Einzelführungen hinter und über dem Arbeitsraum reicht das Spektrum. Besonders die zwei ersten Unterarten eignen sich nur bedingt für sehr lange Querachsen mit hohen Beschleunigungen, da mit zunehmendem Abstand des Endeffektors von der Aufhängung, störende Kräfte und Instabilitäten auftreten.
Dies gilt natürlich sinngemäß auch für die anderen insgesamt dargestellten Varianten, nur eben im gleichen Maße erst bei höheren Spannweiten.
Wie schon im Stand der Technik ausführlich beschrieben, wurde eine Lösung für diese Problematik in der Verwendung von redundant wirkenden Zusatzachsen gesehen, so dass die relativ instabilen langen Portale und Kragarme nur noch einen Bewegungsanteil mit relativ niedriger Beschleunigung bei einer Gesamtbewegung mit hoher Beschleunigung übernehmen müssen.
Dass hierbei wiederum Rückwirkungen der Zusatzachsen auf die sogenannten Basisachsen auftreten und dass auch hierfür Lösungen im Sinne des Impulsausgleiches entwickelt wurden, ist ebenfalls zum Stand der Technik schon erwähnt worden.
Bei geplanten Schneidgeschwindigkeiten von bis zu über 60 m/min also 1 m/s und Beschleunigungen der Basisachsen um 10 m/s², ergibt sich für den benötigten Bewegungsspielraum einer Zusatzachse nach einer etwas vereinfachenden Formel aus dem Stand der Technik zum Thema redundanter Zusatzachsen (ausführlich in WO 2008/148558 A1 ) S = 4 × V²/A also 4 × (1 m/s)²/10 m/s² = 40 cm.
Wie aus anderen Dokumenten zum Stand der Technik (beispielsweise WO 2008/151810 A1 oder WO 2009/027006 A1 ) bekannt, kann der Bedarf durch meist steuerungstechnische Maßnahmen reduziert werden, was effektiv bedeutet, dass üblicherweise maximal 50% des theoretischen „Worst Case”-Wertes tatsächlich benötigt werden, so dass von einem praktikablen Wert von etwa 20 cm ausgegangen werden kann. Ein Arbeitsraum mit derartigen Abmessungen in zwei Dimensionen wäre für eine Zusatzachseneinheit mit höchster Beschleunigung, von über 100 m/s², nach dem bisherigen Stand der Technik nicht wirtschaftlich sinnvoll realisierbar.
Dies gilt, etwas eingeschränkt auch für Bewegungseinrichtungen ohne redundant überlagert bewegbare Achsen, da ein voluminöser und massiver Aufbau dort weniger stört.
Abschließend sollen bezüglich der erfindungsgemäßen Lösung dieses Problems besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt und erläutert werden.
1 zeigt die Totalansicht einer Laserschneidmaschine, bestehend aus einem Maschinenbett (1) mit einer feststehenden Brücke (2) längs der in X-Richtung an einer relativ breit ausgelegten zentralen Führung über dem Arbeitsraum eine Führungseinrichtung (3), zur Bewegung einer erfindungsgemäß zu verbessernden impulsentkoppelten Zusatzachseneinheit (10) in Y-Richtung, vorgesehen ist.
2 zeigt Details einer erfindungsgemäß eingerichteten besagten Einheit (10).
3 zeigt Details eines erfindungsgemäß eingerichteten Laserschneidkopfes (21).
Zur Laserschneidmaschine in 1 gehört ein Geräteschrank (4) der die Steuerung (5) sowie nicht dargestellte Einheiten, wie Antriebsverstärker, weitere elektrische Komponenten, Laserquelle und Gasvorräte enthält.
Im Arbeitsraum (6) befindet sich ein Wechseltisch mit dem zu bearbeitenden Material.
Der Antrieb zur Bewegung der Führungseinrichtung (3) in X-Richtung erfolgt mittels eines zentral zwischen zwei Führungen in der Brücke (2) angeordneten Lineardirektantriebs, der eine maximale Beschleunigung der Einrichtung (3) von etwa 10 m/s² erlaubt, bis zu der eine praktikabel schwingungsarme Bewegung der Einrichtung (3), auch bis in die Endlagen der Y-Achse, möglich ist.
Die Bewegung der Einheit (10) entlang der Einrichtung (3) in Y-Richtung erfolgt ebenfalls mittels Lineardirektantrieben, jedoch jeweils auf beiden Seiten und eng an den gestrichelt dargestellten Führungen (11) der Einheit (10) anliegend, so dass eine Beeinträchtigung der Bewegungsfreiräume innerhalb der Einheit (10) vermieden wird.
Besagter Antrieb ermöglicht eine maximale Beschleunigung von 15 m/s² entlang besagter Einrichtung (3), und dient, zusammen mit dem Antrieb von Einrichtung (3) entlang besagter Brücke (2), als relativ niedrig beschleunigbarer Antrieb der Basisachsen.
2 zeigt eine erfindungsgemäß zu verbessernde impulsentkoppelte Zusatzachseneinheit (10) in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante.
An der schon in 1 dargestellten Führung (11) bewegbar ist die Einheit (10) mittels der Führungselemente (12).
Ein relativ niedrig beschleunigter Antrieb der Einheit (10) erfolgt mittels der aktiven Antriebselemente (13) auf der Einheit (10) und den entlang der Führung (11) angeordneten passiven Antriebselementen (14).
Eine Zusatzachse (20) zur hoch beschleunigbaren Bewegung des Laserschneidkopfes (21), enthält Führungen (22) als auch Antriebe (23) zur Bewegung des Laserschneidkopfes (21) in X-Richtung.
Details des erfindungsgemäß eingerichteten Laserschneidkopfes (21) zeigt 3.
Die Zusatzachse (20) wird mittels der Führungselemente (15) auf der Einheit (10) geführt und mittels der Antriebe (16), als hoch beschleunigbares Antriebssystem, gegenüber dem äußeren Teil der besagten Einheit (10) angetrieben, der, in dieser besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung, auch als Ausgleichsmasse zur Impulsentkopplung genutzt wird.
Die Beschleunigungsrückwirkung aus der Bewegung des Laserschneidkopfes (21) entlang der Führungen (22) durch die Antriebe (23) innerhalb der Zusatzachse (20), wird in dieser besonderen Ausführungsvariante über besagte Führungselemente (15) auf den äußeren Teil der Einheit (10) übertragen, und von Ausgleichsmassen (24) kompensiert, die entlang der Führungen (25) mittels Antrieben (26) bewegbar sind.
Zur besseren Erkennbarkeit sind die hier vorzugsweise aktiven Anteile der Antriebe (16) und (26) zusätzlich auf der Außenseite der Einheit (10) dargestellt.
Eine tiefergehende Erklärung zu den Details und weitere bevorzugte Alternativen solcher und ähnlicher Zusatzachskonfigurationen, können den schon zuvor zum Stand der Technik aufgeführten internationalen Patentanmeldungen PCT/DE 2010/001037 und PCT/DE 2010/001038 entnommen werden.
Dort wird ausführlich gezeigt, wie mittels Impulsausgleich und/oder Impulsentkopplung leistungsfähige Zusatzachskonfigurationen realisierbar sind, die sich somit besonders als Grundlage für eine erfindungsgemäße Einrichtung eignen.
Im vorliegenden Beispiel wurde eine Variante gewählt, in der die erfindungsgemäß niedrige Masse des Laserschneidkopfes (21) besonders zum Tragen kommt, indem auf einen inneren Impulsausgleich der Zusatzachseneinheit (20) verzichtet wird, und somit eine besonders hohe Beschleunigung und Nutzung des impulsentkoppelten Bewegungsspielraumes der Zusatzachseneinheit (20) entlang der Y-Achse innerhalb der Einheit (10), entsprechend PCT/DE 2010/001038 erzielt wird.
Entsprechend PCT/DE 2010/001037 erfolgt dann ein Impulsausgleich zur Beschleunigung des Laserschneidkopfes (21) auf der die Zusatzachse (20) tragenden Einheit (10).
Der Bewegungsspielraum für den hochbeschleunigbaren Antrieb in Y-Richtung beträgt etwa 27 cm, der jedoch gegenüber dem festen Koordinatensystem der Maschine durch die entgegengesetzte Bewegung von Nutzlast und Ausgleichsmasse, die hier als das etwa 3 fache der Nutzlast angenommen sei, auf etwa 20 cm begrenzt wird.
Die Zusatzachse (20) verfügt in X-Richtung über einen Bewegungsspielraum von etwa 24 cm, der ohne Abstriche auch effektiv verfügbar ist, womit unter Anwendung der bekannten Auslegungsregeln, für beide Achsen eine weitgehend konstante Schneidgeschwindigkeit von bis zu 100 m/min nutzbar ist und, vorzugsweise unter Verwendung leistungsfähiger Lineardirektantriebe, in Verbindung mit erfindungsgemäß massearmen Laserschneidköpfen, in beiden Achsen Beschleunigungen von bis zu etwa 150 m/s² erzielbar sind.
Mit besonders starken, dann auch relativ kostspieligeren, Permanentmagneten auf der jeweils bewegten Antriebsseite, eisenlosen Spulen auf der aktiven Antriebsseite sowie weitgehender Kohlefaserverbundbauweise der Zusatzachse (20) und eines erfindungsgemäßen Laserschneidkopfes (21), dürften auch Beschleunigungen von über 200 m/s² erzielbar sein.
In diesem Beispiel wird dem Laserschneidkopf (21) durch einen planen Umlenkspiegel (29) ein Laserstrahl zugeführt, der durch eine Kollimationseinheit (28) zuvor aufgeweitet und parallel ausgerichtet wurde. Besagter Kollimationseinheit (28) wird der Laserstrahl durch ein Lichtleiterkabel zugeführt, das aus einer Laserquelle, beispielsweise einem Faserlaser, gespeist wird, die sich im besagten Geräteschrank (4) befindet.
Durch eine derartige Aufteilung der optischen Elemente ergeben sich wesentliche Vorteile:

a. Der erfindungsgemäß eingerichtete Schneidkopf (21) ist massearm und daher mit wenig Antriebskraft hoch beschleunigbar.
b. Die Zuführung des Lichtleiterkabels zur Kollimationseinheit (28) ist nicht den extremen Beschleunigungen des Schneidkopfes (21) und der Zusatzachse (20) ausgesetzt.
c. Durch Integration aller strahllenkenden Bauteile in die Einheit (10) wird dennoch eine hohe Genauigkeit der relativen Ausrichtung ermöglicht.

Um eine Anpassung des Fokuspunktes an das zu bearbeitende Material auf dem Wechseltisch im Arbeitsraum (6) zu ermöglichen, ist in diesem Beispiel eine parallele Höhenverstellung sowohl für des Spiegel innerhalb des Laserschneidkopfes (21) als Auch für die Kollimationseinheit (28) vorgesehen, die durch einen doppelte Line am unteren Rand dieser Elemente in 2 angedeutet ist.
Details hierzu werden in 3 zu Laserschneidkopf (21) erläutert und gelten sinngemäß auch für die Kollimationseinheit (28).
Der plane Umlenkspiegel (29) ist vorzugsweise nicht bewegbar, sondern in der Höhe der nutzbaren Spiegelfläche angepaßt.
Eine besonders bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen Laserschneidkopfes (21) wird abschließend, in 3, als schematisierter Schnitt in der X/Z-Ebene dargestellt.
Einige für die Erläuterung der Erfindung nicht oder kaum interessanten Elemente wurden hier bewusst nicht dargestellt, sind aber der Grund für Freiräume in der Darstellung, die somit zu entsprechenden Anpassungen der dargestellten Elemente führen können.
Der Laserschneidkopf besteht aus drei zueinander beweglichen Einheiten; dem in der X-Achse geführten und in der Z-Achse unbeweglichen Hauptteil (31), an dem oben ein in der Z-Achse bewegbares Spiegelgehäuse (33) und unten eine unabhängig vom Spiegelgehäuse (33) in der Z-Achse bewegbare Schneiddüse (41) angebracht sind. Diese Einheiten sind so aneinander angepasst geformt und derart abgedichtet, beispielsweise mittels nicht dargestellter Dichtwülste an den Übergangskanten, dass sie ein gemeinsames Gehäuse bilden, durch das Luft oder andere reaktionsarme und für die jeweilige Wellenlänge des Laserstrahls (30) ausreichend optisch neutrale Gase, auch unter einem Druck von einigen Bar, zur Schneiddüse (41) geführt werden kann.
Wie schon zur 2 angedeutet, ist das Spiegelgehäuse (33) um etwa ±5 mm in der Z-Achse gegenüber dem Hauptteil (31) bewegbar.
Die Lager und Führungen (32), zwischen der rohrartigen Verlängerung (39) des Spiegelgehäuses (33) und dem Hauptteil (31) dienen diesem Zweck.
Entweder in diese Elemente mindestens teilweise integriert, beispielsweise als linearer Antrieb mit relativ hohem Haltemoment, oder separat, vorzugsweise an die rohrartige Verlängerung des Spiegelgehäuses (39) angreifend, ist ein Antrieb hierfür vorgesehen. Die Ansprüche an diesen Antrieb sind bezüglich der Dynamik eher gering, da, im Gegensatz zu sehr hoch beschleunigten Bewegungen in der X/Y-Ebene, bei nahezu allen denkbaren Anwendungen in der Z-Achse, nur relativ geringe Beschleunigungen notwendig sind.
Der Laserstrahl (30) tritt senkrecht durch ein Fenster (34), vorzugsweise einer Quarzscheibe, in besagtes Gehäuse ein, so dass denkbare Qualitätsminderungen des Laserstrahls durch Medienübergänge minimiert werden.
Der konkave Umlenkspiegel (35) ist vorzugsweise asphärisch, für eine besonders hohe Fokussierungsqualität und Minimierung von Abweichungen bei Auslenkungen, geformt.
Besagte Auslenkungen werden in diesem Beispiel durch, um insgesamt etwa 1 mm auslenkbare sowie präzise und hochdynamisch steuerbare, Tauchspulenantriebe (37) erzeugt, die in 3 nur für die Bewegung des Wirkpunktes (40) in X-Richtung, im Wirkraum (48), dargestellt sind.
Besagte Antriebe (37) werden einerseits mit dem Spiegelträger (36) und andererseits mit dem Spiegelgehäuse (33) vorzugsweise derart gerichtet elastisch verbunden und so angesteuert, dass sich, bei besagten geringen Auslenkungen, eine quasi-kardanische Aufhängung des Umlenkspiegels (35) ergibt.
Insgesamt ergibt sich somit für die hier dargestellte Beispielanwendung der Erfindung in den Hauptbewegungsachsen X und Y eine dreifach redundant überlagerte Bewegung des Laserstrahls am Wirkpunkt (40), wobei

1. Basisachsen durch niedrig beschleunigte Bewegung, von maximal etwa 10 bis 15 m/s², der Einheiten (3) und (10) im gesamten Arbeitsraum,
2. Zusatzachsen durch höher beschleunigte Bewegung, von bis zu etwa 150 m/s², innerhalb der Einheit (10) in einem beweglichen Quadrat von etwa 20 × 20 cm, und
3. eine Strahlablenkung mittels Umlenkspiegel (35) durch am Wirkpunkt (40) erzielbare Höchstbeschleunigungen von bis zu etwa 1000 m/s², in einem Quadrat von etwa 12 × 12 mm, realisiert werden.

Durch einen stabilen Aufbau, insbesondere der gesamten Einheit (10), und Anwendung schneller Laserinterferometrie zwischen Spiegelgehäuse (33) oder Hauptteil (31) und Spiegelträger (36), kann eine zugleich extrem dynamische und genaue Führung des fokussierten Laserstrahls (30) im Wirkpunkt (40) erzielt werden.
Durch eine leicht entfernbare Abdeckung (38) über dem Spiegel (35), kann dieser leicht vom Spiegelträger (36) abgenommen werden.
Die Kühlung des Spiegels (35) erfolgt ebenfalls über den Spiegelträger.
Die Zuführung des Schneidgases zum Wirkraum (48) erfolgt über die Schneiddüse (41), die ähnlich wie das Spiegelgehäuse (33) gegenüber dem Hauptteil (31) bewegbar ist.
Die Lager und Führungen (42), zwischen der Schneiddüse (41) und dem Hauptteil (31) dienen diesem Zweck. Es gibt jedoch auch wesentliche Unterschiede, einerseits bezüglich der Genauigkeitsanforderungen, die hier relativ niedrig sind, da eine Bewegung unterhalb des Millimeterbereiches in den meisten Anwendungen kaum eine Auswirkung hat, aber andererseits auch ein weitaus größerer Bewegungsspielraum von einigen cm sinnvoll ist. So bietet es sich hier an, auch wegen des hohen Haltemomentes, einen einfachen linearen Schrittmotorantrieb, entweder mindestens teilweise integriert in Elemente der Lager und Führungen (42) oder separat zwischen Schneiddüse (41) und Hauptteil (31), vorzusehen.
In diesem Beispiel ist ein Bewegungsspielraum von 30 mm in der Z-Achse vorgesehen, um bei ausgeschalteter Laserquelle, beispielsweise für Materialwechsel, einen ausreichenden Abstand zwischen Schneiddüse (41) und Wechseltisch erzielen zu können.
Die in 3 gezeigte Schneiddüse (41) setzt sich, neben ihrem fest eingebauten Hauptteil, aus zwei weiteren austauschbaren Elementen zusammen.
An dem Hauptteil ist unmittelbar ein Adapter (44) angebracht, der das Düsenende (45) trägt. Der Adapter (44) dient dazu, den Strömungsverlauf des Schneidgases passend zur jeweiligen Anwendung und dem hierfür notwendigen Querschnitt am Düsenende (45) zu beeinflussen und stellt zugleich eine möglichst sichere und dennoch schnell handhabbare Verbindung zum Düsenende (45) her, das vorzugsweise als kostengünstiges Austauschteil ausgebildet sein sollte, um Kosten durch Verschleiß und Schäden zu minimieren, die überwiegend nahe des Wirkpunktes (40) auftreten.
Selbstverständlich muss besagtes Düsenende (45) zum jeweiligen Adapter (44) passend gestaltet sein.
Der Bedarf für unterschiedliche Düsenquerschnitte über dem Wirkraum (48) kann sich beispielsweise daraus ergeben, dass je nach Anwendung das Arbeitsfeld, das durch Bewegung des Spiegels (35) im Wirkraum (48) maximal erreichbar ist, nicht ausgenutzt werden muss und somit der Gasverbrauch durch einen engeren Düsenquerschnitt vermindert werden kann.
Darüber hinaus kann durch weitere Ausgestaltungen des Adapters (44) erreicht werden, dass auch Hilfsmedien, zumindest zusätzlich, zum Schneiden eingesetzt werden können, die das Gehäuse des Laserschneidkopfes (21) nicht ohne Fehler oder Schäden zu verursachen, durchströmen können.
Dies gilt analog auch für das Düsenende (45), wo derartige Ausgestaltungen vorzugsweise dann vorgesehen sein können, wenn ein sinnvolles oder notwendiges Hilfsmedium, zwangsläufig oder mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zu einem hohen Verschleiß oder Schäden an einem aufwendiger zu fertigenden und/oder auzutauschenden Adapter (44) führen würden.
Auch sensorische Elemente können in alle Teile der Schneiddüse (41) integriert sein.
Gerade gegenüber hoch beschleunigten Strahlablenkungen mittels schwenkbarer Spiegel, bei denen der Strahl durch eine aufwendige Optik zum Wirkpunkt umgelenkt und fokussiert wird, fallen die Vorzüge der Erfindung, angesichts der hier beispielhaft schrittweise dargestellten Variante besonders ins Auge, da derartige Strahlablenkungen nach dem Stand der Technik für die Schneiddüse dennoch einen eigenen Antrieb benötigen, der entweder keine besonders flexible Anpassung der Schneiddüse an die jeweiligen Anwendungen erlaubt, oder, schon ohne besagte optischen Elemente, ähnlich aufwendig wird wie eine erfindungsgemäße Ausführung, so dass der Einsatz aufwendiger und empfindlicher optischer Elemente, wie dort benötigt, angesichts der vorliegenden Erfindung als weitgehend unwirtschaftlich erscheint, zumal diese optischen Elemente den Bewegungsspielraum entsprechender Achsen, durch einen nahezu exponentiell mit den Abmessungen steigenden Aufwand, stark einschränken.
Die Erfindung ermöglicht vergleichbare, und, durch Einführung einer dritten Redundanzstufe in der Bewegung des Strahls, sogar weitaus höhere Leistung, bei einer ungleich höheren Flexibilität in der Anpassbarkeit bezüglich unterschiedlichen Anwendungserfordernissen.
Selbst wenn in bestimmten Anwendungen diese Flexibilität nicht erforderlich ist, ergeben sich wirtschaftliche Vorteile durch die Erfindung, sowohl im Einsatz, wegen der Möglichkeit des robusten und wartungsfreundlichen Aufbaus, und auch in der Produktion derartiger Maschinen oder entsprechender Teileinrichtungen, da weitgehend gleichartige Maschinen und Einrichtungen für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar sind und somit in höherer Stückzahl gefertigt werden können.
Die Erfindung ist auch in Einrichtungen vorteilhaft einsetzbar, in denen der Wirkpunkt gegenüber einem Werkteil vorzugsweise nicht kontinuierlich sondern von Punkt zu Punkt bewegt wird, wenn hohe Geschwindigkeiten bei zugleich minimaler Schwingungsanregung der Maschinenstrukturen erzielt werden sollen, beispielsweise um besonders präzise punktförmige Bearbeitungen oder punktuelle Messungen bei hohem Durchsatz auszuführen.
Hieraus ist ersichtlich, dass die Erfindung vorteilhaft für eine Vielzahl kaum abschließend aufzählbarer Anwendungen einsetzbar ist, in einer für den Fachmann jeweils leicht erkennbar abwandelbaren Form.
Die Art der Haupt- oder Basisachsen von Maschinen die entsprechend der Erfindung realisierbar sind, können sehr vielfältig sein.
Sowohl Systeme mit bewegten Portalen, fahrbaren oder schwenkbaren Ständern, mit feststehendem oder bewegbarem Material, als auch verschiedene auf Drehgelenken basierende Kinematiken, wie beispielsweise sechsachsige Industrieroboter oder beliebige parallelkinematische Konfigurationen können die Basisachsen bilden.
Zusatzachsen zur Bewegung des Endeffektors können vorteilhaft sowohl von einem feststehenden Gestell gegenüber einem bewegten Werkstück oder von jeder sonstigen zur relativ langwegigen Bewegung gegenüber dem Werkstück geeigneten Basis getragen werden.
Angetrieben werden Haupt- und Basisachsen gewöhnlich durch Direktantriebe in Form von Linearantrieben, Hohlwellenmotoren, Zahnstangentriebe oder mittels Kugelgewindespindeln. Je nach anwendungspezifischen Anforderungen, benötigtem Bewegungsspielraum der Gesamtmaschine und zu bewegenden Massen könne auch andere elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch wirksame Antriebe erfindungsgemäß genutzt werden.
Beispielsweise eine Werkzeugmaschine kann erfindungsgemäß für den Schiff- oder Flugzeugbau zum Bearbeiten größter Bauteile in höchster Detailkomplexität vorteilhaft konzipiert werden, oder für eher alltägliche Dimensionen, beispielsweise in der Größe von Autokarosserien, Waschmaschinen oder Platinen für elektronischen Schaltungen, bis hinunter in die Dimensionen von wenigen Millimetern, für
die Abmessungen eines zu bearbeitenden Werkstückes in der Mikrosystemtechnik oder Elektronik, wie beispielsweise in der Produktion von Solarzellen.
Die Grundproblematik – die Größe eines möglichst ununterteilten Arbeitsraumes im Verhältnis zu den zu berücksichtigenden Details einerseits und immer höhere Mess- oder Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei zugleich hoher Genauigkeit nimmt tendenziell immer mehr zu und damit zugleich der Bedarf für höchstmögliche Beschleunigungen.
Dies ermöglicht die Erfindung in höherem Maße als es nach dem bisherigen Stand der Technik für Bearbeitungsmaschinen mit oder ohne Zusatzachsen möglich war.
Bearbeitungsmethoden für die sich eine erfindungsgemäße Maschine besonders eignet, sind das Schweißen, Schneiden, Gravieren, Markieren, Aufbringen von komplexen Konturen und Strukturen auf Materialien, wie Blech, Kunststoff, Glas, Keramik, Holz und Textilien.
Ebenso ist das Rapid Prototyping eine geeignete Anwendung, insbesondere Verfahren in denen Schichten zugeschnitten, Material kleinräumig aufgetragen wird oder aus sonstigen Gründen mit einer im wesentlichen senkrecht zum Material ausgerichteten Energie- oder Materialeinbringung gearbeitet werden muss.
Ferner sind das präzise Bearbeiten kleinster Strukturen oder das präzise Auf- und Abtragen feinster Details mit hoher Geschwindigkeit genauso mögliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung, wobei diese nur als Beispiele zu verstehen sind und keine in irgend einer Weise abschließende Aufzählung von Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung darstellen sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7357049 B2 [0022]
WO 93/01021 A1 [0023, 0024]
EP 927596 A2 [0027, 0042]
EP 2177299 A1 [0027, 0042]
EP 1724054 A1 [0029]
DE 2010/001037 [0031, 0107, 0110]
DE 2010/001038 [0031, 0107, 0109]
WO 2009/146697 A1 [0039, 0074]
WO 2009/079760 A1 [0042, 0058]
DE 102005027836 A1 [0072]
WO 2008/148558 A1 [0087]
WO 2008/151810 A1 [0088]
WO 2009/027006 A1 [0088]

Claims

Hochdynamisch translatorisch bewegbare Einrichtung zur Zusammenführung einer energetischen Strahlwirkung und eines Hilfsmediums an einem Wirkpunkt enthaltend mindestens 1. ein, in Bezug zur Strahlrichtung, letztes strahlbeeinflussendes Element (35) und 2. eine Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums zu besagtem Wirkpunkt (40), für die in mindestens einer Achse transversal zur Strahlrichtung im Wirkpunkt (40), eine im wesentlichen parallele und synchrone besagte translatorische Bewegung vorgesehen ist, wobei besagte Bewegung sowohl mittels getrennter Antriebe für beide Teile (35, 41), als auch mittels eines Antriebes (16, 23) für eine beide Teile gemeinsam tragende Teilstruktur (31) der erfindungsgemäßen Gesamteinrichtung (21), vorgesehen sein kann, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes letztes strahlbeeinflussendes Element (35) zur Umlenkung des besagten Strahls mittels Reflektion ausgebildet ist, und eine Strahlfokussierung mittels besagtem reflektierenden Element (35) oder weiteren, in Bezug zur Strahlrichtung, diesem vorausgehenden, den Strahl beeinflussenden Elementen (28, 29) erfolgt.
Einrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagte mindestens eine Achse, transversal zur Strahlrichtung im Wirkpunkt (40), relativ zur Ausdehnung eines Gesamtarbeitsraums (6) nur eine kurzwegige Bewegung ermöglicht, die mindestens teilweise redundant ist, zu mindestens einer Achsrichtung einer die besagte Einrichtung (21), relativ zu besagtem Gesamtarbeitsraum (6), bewegenden Vorrichtung (1, 2, 3), wobei besagter Gesamtarbeitsraum (6) sowohl ruhend als auch mittels besagter Vorrichtung (1, 2, 3) bewegbar sein kann.
Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Fokussierung allein durch eine die Strahlung bündelnde Ausführung des besagten reflektierenden Elements (35) erzielt wird.
Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Fokussierung vorzugsweise allein oder mindestens teilweise durch strahlformende Elemente (28, 29) erzielt wird, die besagtem reflektierenden Element (35), in Bezug zur Strahlrichtung, vorgelagert sind.
Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch bei zwei getrennt angetriebenen besagten Teilen 1. und 2. vorgesehen ist, dass sich beide Teile parallel in einem gemeinsamen sie umschließenden, mit einem gasförmigen Medium druckbeaufschlagbaren Raum (Gehäuse) bewegen, derart dass besagtes gasförmiges Medium im wesentlichen nur durch besagte Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums austreten kann.
Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Antriebe (37) für besagtes reflektives Element (35) in mindestens einer translatorischen oder rotatorischen Achse, für eine kurzwegigere und höher beschleunigbare Bewegung des Wirkpunktes (40) vorgesehen sind.
Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug zur Strahlrichtung, vor einer Einheit aus besagtem reflektiven Element (35) und gegebenenfalls weiteren reflektiven Elementen (29), die eine Auslenkung des Strahls im Arbeitsraum erlauben, mindestens ein strahllenkendes Element (28, 29) mit mindestens einem translatorisch oder rotatorisch wirksamen Antrieb, für eine kurzwegigere und höher beschleunigbare Bewegung des Wirkpunktes, vorgesehen ist.
Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Laserschneiden, eine Schneiddüse (41) aufweist, als besagte Einrichtung zur Zuführung eines Hilfsmediums, die derart ausgeführt ist, dass der Laserstrahl am Wirkpunkt (40) einen passenden Bewegungsspielraum als Wirkraum (48) zur besagten kurzwegigeren und höher beschleunigbaren Bewegung aufweist.