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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Schnittfläche an einem Bauteil, insbesondere an einem plattförmigen Bauteil wie einem Blech, wobei die Schnittfläche unter einem bestimmten, festgelegten Winkel zur Oberseite des Bauteils verläuft.
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Wenn Bauteile (Werkstücke), insbesondere Bleche, unterschiedlicher Stärke aneinander geschweißt werden sollen, wird häufig am dickeren Blech im Bereich neben der Schweißkante ein sogenannter Schärfungsschnitt angebracht. Durch den Schärfungsschnitt entsteht eine Fase neben der Schweißkante, nämlich eine Schnittfläche, die zur Oberseite oder Unterseite des Blechs unter einem bestimmten, festgelegten Winkel verläuft. Derartige Winkel betragen in der Regel zur Oberseite des Blechs etwa 20°. Nach dem Zusammenschweißen der Bleche unterschiedlicher Stärke liegt dann im Bereich der Schweißnaht keine Stufe, sondern ein weicher Übergang vor.
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Im Folgenden wird der Einfachheit halber nur die Situation betrachtet, in der der Schärfungsschnitt an der Oberseite des Bauteils erfolgt. Analog kann die Schnittfläche auch an der Unterseite des Bauteils erzeugt werden.
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Die Erzeugung einer Schnittfläche im Bereich der Kante an einem Bauteil, insbesondere an einem plattenförmigen Bauteil wie einem Blech, wird bisher im Wesentlichen manuell durchgeführt. Zur Vereinfachung und zur Reduzierung des Gewichts für den Bediener kann die Schneideinrichtung in einen kleinen Wagen eingespannt werden, der während des Schneidens auf der Oberseite des Blechs entlang rollt. Durch den Wagen erhält die Schneideinrichtung eine feste Position zur Oberseite des Bauteils bzw. zu der Fläche, auf der der Wagon rollt. Der Wagen wird dann manuell über das Blech geführt und so der Schärfungsschnitt erstellt.
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Wenn Maschinen für die Herstellung des Schärfungsschnitts eingesetzt werden, erfolgt gegebenenfalls eine Höheneinstellung und die Führung der Schnittkontur manuell, d. h. der Bediener beobachtet den Verlauf der Bauteil-Kante und lost manuell entsprechende Steuerkommandos zur Korrektur der Höhe aus. Hierdurch können eventuelle Verwerfungen des Blechs bei der Erzeugung der Schnittfläche nicht ausreichend berücksichtigt werden. Diese thermischen Verwerfungen können durch die hohen Temperaturen hervorgerufen werden, die beim Ausschneiden des Bauteils entstehen. Hieraus resultieren unerwünschte Geometriefehler und eine unregelmäßige Schnittqualität.
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Mittels der herkömmlichen Vorrichtungen können zudem nur gerade verlaufende Schnittflächen durch eine linear geradeaus verlaufende Verfahrbewegung erzeugt werden. Das bedeutet aber auch, dass das zu schärfende Bauteil exakt parallel zu dem Koordinatensystem der Vorrichtung aufgelegt werden muss und dass ausschließlich gerade Kanten geschärft werden können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen qualitativ hochwertigen Schärfungsschnitt unter Berücksichtigung einer gegebenenfalls unregelmäßigen Gesamtkontur des Bauteils erzeugt. Die Aufgabe besteht ferner darin, ein Verfahren anzugeben, das den Betrieb einer solchen Vorrichtung einfach und kostengünstig ermöglicht.
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Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere eine Schneideinrichtung, beispielsweise einen Plasmabrenner oder einen Autogenbrenner, auf, die fest auf einem entlang einer XY-Ebene und entlang einer zu der XY-Ebene senkrechten Z-Richtung verfahrbaren Schlitten angeordnet ist, ferner aufweisend einen Höhensensor und/oder einen Kontursensor, wobei der Höhensensor das Oberseitenprofil des Bauteils und der Kontursensor die Kontur einer Seitenfläche oder einer Seitenkante des Bauteils erfasst, wobei die Position des Schlittens in Z-Richtung abhängig von dem erfassten Oberseitenprofil und/oder die Position des Schlittens in der XY-Ebene, vorzugsweise einschließlich dessen Ausrichtung, abhängig von der erfassten Kontur der Seitenfläche steuer- oder regelbar ist.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird automatisch die Höhe des Bauteils über die Erfassung des Oberseitenprofils in einem bestimmten, vorgegebenen Abstand von der geplanten Schweißkante ermittelt und abhängig davon der Schlitten entsprechend angepasst in Z-Richtung verfahren, so dass thermische Verwerfungen oder andere Unebenheiten an der Oberseite des Bauteils bei der Erzeugung der Schnittfläche berücksichtigt werden, da die Schneideinrichtung mit dem Schlitten bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich wird mittels des Kontursensors die Kontur der Seitenfläche neben der geplanten Schweißkante oder die Kontur der geplanten Schweißkante des Bauteils erfasst und abhängig von der Kontur der Seitenfläche oder Seitenkante die Position des Schlittens in der XY-Ebene derart verändert, dass der Schlitten und damit die Schneideinrichtung immer einen bestimmten, vorgegebenen Abstand in der XY-Ebene von der geplanten Schweißkante aufweisen. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit einer Ausrichtung des Bauteils beim Auflegen auf eine Unterlage und der Schärfungsschnitt wird exakt entlang der Kontur des Bauteils geführt, auch wenn diese Unregelmäßigkeiten oder Krümmungen aufweist.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt auch einen Ausrichtung der Schneideinrichtung in der XY-Ebene derart, dass die Schneideinrichtung immer exakt quer zur Werkstückkante ausgerichtet ist.
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Durch diese Maßnahmen wird die Schnittqualität wesentlich erhöht und es können jetzt auch Bauteile, insbesondere Bleche, geschärft werden, die eine beliebige Kontur auch mit Krümmungen, aufweisen.
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Unter dem Begriff Ausrichtung des Schlittens in der XY-Ebene wird der Drehwinkel des Schlittens um eine in Z-Richtung verlaufende Achse verstanden. Die Ausrichtung des Schlittens ist deshalb von Bedeutung, da die Schneideinrichtung, die insbesondere als Schneidbrenner ausgebildet sein kann, in der Regel eine Vorzugsrichtung hat. Der Schneidbrenner soll für eine optimale Schnittqualität so ausgerichtet sein, dass seine Vorzugsrichtung (z. B. Längsachse der Brennerflamme) senkrecht zu dem jeweiligen Abschnitt der geplanten Schweißkante verläuft.
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Die Schneideinrichtung ist auf dem Schlitten in einem bestimmten, festgelegten Winkel zur Oberseite des Bauteils ausgerichtet, um den Schärfungsschnitt mit dem entsprechenden Winkel erzeugen zu können. Der Schlitten wird vorzugsweise so angeordnet und eingerichtet, dass in dessen Koordinatensystem die XY-Ebene parallel zur Oberseite des Bauteils und die Z-Richtung senkrecht hierzu verlaufen.
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Einfach und kostengünstig kann der Höhensensor entweder als kapazitiver Sensor oder als mechanischer Tastsensor ausgebildet sein. Insbesondere ein kapazitiver Sensor ist von Vorteil, da dieser berührungslos arbeitet.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist der Kontursensor mindestens zwei Führungsrollen auf, die an dem Schlitten angeordnet sind und die zur Erfassung der Kontur der Seitenfläche oder der Seitenkante an dieser entlang geführt werden. Mittels der beiden Führungsrollen folgt der Schlitten der Kontur der jeweiligen Seitenfläche neben der geplanten Schweißkante oder der Kontur der Schweißkante, wobei die Seitenfläche oder die Seitenkante als Referenz zur Erzeugen des Schärfungsschnitts dient. Diese Seitenfläche neben der geplanten Schweißkante kann im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite des Bauteils verlaufen oder aber unter einem beliebigen anderen Winkel zur Oberseite.
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Um der Kontur der Seitenfläche oder der Seitenkante folgen zu können, werden mindestens zwei Führungsrollen, vorzugsweise unter einer vorgegebenen Andruckkraft, gegen die Seitenfläche oder Seitenkante gepresst. Hierbei muss die Kraft der Masse des Bauteils angepasst werden, um das Bauteil auf dem Arbeitstisch nicht zu verschieben. Bei schweren, für diese Anwendungen üblichen Bauteilen ist eine Kraft von vorzugsweise ca. 200 N geeignet. Zur Erzeugung der Andruckkraft wird beispielsweise eine Seilzugeinrichtung oder ein motorisch kraftgeregelter Antrieb verwendet. Die Andruckkraft wirkt vorzugsweise in eine Richtung quer zur unten erläuterten Drehachse des Schlittens, welche in Z-Richtung verläuft.
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Alternativ können die Führungsrollen auch an einer von dem Schlitten separaten Einrichtung angeordnet sein. Die Verschiebebewegung der Einrichtung kann in diesem Fall detektiert und an den Schlitten zur Positionseinstellung in der XY-Ebene übertragen werden.
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Besonders bevorzugt ist, wenn der Schlitten um eine Drehachse in Z-Richtung und damit vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Bauteils drehbar gelagert ist, wobei die Ausrichtung des Schlittens in der XY-Ebene vorzugsweise derart mittels Drehung um die Drehachse einstellbar ist, dass die Schneideinrichtung die Schnittfläche im Wesentlichen mit einer Vorzugsrichtung senkrecht zu der Seitenkante erzeugt.
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Durch die zuvor beschriebene drehbare Lagerung des Schlittens um die Drehachse wird eine exakte Ausrichtung der Schneideinrichtung quer zur Kante der Seitenfläche bewirkt. Hierdurch werden Geometriefehler vermieden und eine regelmäßige Schnittqualität erzeugt. Insbesondere bei Erfassung der Kontur der Seitenfläche oder Seitenkante und exakter Ausrichtung der Schneideinrichtung mittels der erläuterten drehbaren Lagerung kann auch bei unregelmäßiger Geometrie eines Bauteils, beispielsweise mit Bögen oder Winkeln, eine Schärfung mit hoher Schnittqualität erfolgen, da der Schlitten und dessen Ausrichtung der Bauteilgeometrie exakt folgen kann.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Drehachse des Schlittens derart ausgebildet, dass sie zeitweise blockiert werden kann. Hierdurch kann dann, wenn der Kontur des Bauteils nicht gefolgt werden soll, z. B. am Ende einer Kontur des Bauteils, eine Verdrehung des Schlittens verhindert werden. In diesem Fall wird eine im Wesentlichen geradlinige Verschiebung des Schlittens und somit eine gerade verlaufende Schnittfläche erzielt, so dass der Schnitt beispielsweise am Bauteilende nicht verschmiert.
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Die Aufgabe wird außerdem auch durch ein Verfahren gelöst, wobei die Schneideinrichtung auf einem entlang einer XY-Ebene und einer zu der XY-Ebene senkrechten Z-Richtung verfahrbaren Schlitten angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Position des Schlittens in Z-Richtung abhängig von dem mit einem Höhensensor erfassten Oberseitenprofil des Bauteils gesteuert oder geregelt und/oder die Position des Schlittens in der XY-Ebene, vorzugsweise einschließlich dessen Ausrichtung, abhängig von der Kontur einer mit einem Kontursensor erfassten Seitenfläche oder Seitenkante des Bauteils gesteuert oder geregelt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung eines Schärfungsschnitts ohne Geometriefehler und mit einer regelmäßigen Schnittqualität.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
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Es zeigen schematisch:
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1 einen Querschnitt durch zwei miteinander verschweißte Bauteile unterschiedlicher Stärke,
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2 Querschnitte von Bauteilen mit verschiedenen Schärfungsschnitten,
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Bauteil in einer Ansicht von der Seite,
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von oben,
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5 Richtungen von Schärfungsschnitten an verschieden ausgerichteten Bauteilen,
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6 einen ersten Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens in drei Schnitten a), b), c),
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7 einen zweiten Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens in drei Schritten a), b), c) und schließlich
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8 ein zu 7 alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in drei Schritten a), b), c).
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1 zeigt ein erstes Blech 1 und ein an das erste Blech 1 angeschweißte zweite Blech 2 im Querschnitt, wobei das erste Blech 1 dicker ist als das zweite Blech 2. Wenn solche Bleche mittels einer Schweißnaht 4 verbunden werden, dann wird eine flache Fase (Schnittfläche) 5 an dem stärkeren Bleche (in diesem Fall an dem ersten Blech 1) angebracht, so dass ein weicher Übergang zwischen den beiden Blechen 1, 2 erfolgt. Die Schnittfläche 5 wird nach dem nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren an der Oberseite 6 des ersten Blechs 1 erzeugt. Die Schnittfläche 5 verläuft unter einem bestimmten, festgelegten Winkel zur Oberseite 6 des Blechs 1 von beispielsweise 20°.
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In 2 werden verschiedenen Varianten von Schärfungsschnitten gezeigt. 2a) zeigt analog zur 1 eine Schnittfläche 5 an der Oberseite 6 des Blechs 1, d. h. zwischen Oberseite 6 und einer Seitenfläche 9. In 2c) ist eine Schnittfläche 5' an der Unterseite 6' des Blechs 1 dargestellt, welche zwischen Seitenfläche 9 und Unterseite 6' verläuft. 2b) umfasst sowohl einen Schärfungsschnitt an der Oberseite 6 als auch einen Schärfungsschnitt an der Unterseite 6' des Blechs 1.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Höhenverstellung gezeigt. Die Schnittfläche 5 wird durch einen entlang des Pfeils 11 ausgerichtete Schneideinrichtung (nicht dargestellt) erzeugt. Die Schneideinrichtung ist auf einem nicht dargestellten Schlitten befestigt, der mittels einer Höhenverstelleinrichtung 13 in Z-Richtung verfahrbar ausgebildet ist. An der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner ein Höhensensor 15 vorgesehen, der in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel als kapazitiver Sensor ausgeführt ist. Der Höhensensor 15 erfasst das Profil der Oberseite 6 des Bauteils 1 in einem bestimmten, vorgegebenen Abstand von der zwischen Seitenfläche 9 und Oberseite 6 des Bauteils ausgebildeten Kante 19 berührungslos.
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Alternativ kann der Höhensensor 13 als mechanischer Tastsensor mit einem Tastfuß ausgebildet sein.
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Die von dem Höhensensor 13 erfasste Höheninformation von der Oberseite 6 dient zur Einstellung der Position des Schlittens in Z-Richtung mittels der Höhenverstelleinrichtung 13. Hierzu werden die von dem Höhensensor 15 ermittelten Daten über das Profil der Oberseite 6 über die Übertragungsverbindung 17 an die Höhenverstelleinrichtung 13 weitergegeben. Diese verarbeitet diese Daten und ermittelt daraus die Sollposition des Schlittens in Z-Richtung und somit der auf diesem festangeordneten Schneideinrichtung, die dann zur entsprechenden Steuerung oder Regelung der Höhe des Schlittens und somit der Schneideinrichtung über bekannte Verfahren dient. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren werden automatisch Unebenheiten an der Oberseite des Blechs 1, beispielsweise thermische Verwerfungen, erkannt und bei der Positionierung des Schlittens und damit der Schneideinrichtung berücksichtigt.
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5 zeigt das Blech 1 in zwei verschiedenen schrägen Anordnungen. Es wird angestrebt, dass die durch jeweils den Pfeil 11 gezeichnete Ausrichtung der Schneideinrichtung jeweils senkrecht zur der Kante 19 des Bauteils 1 erfolgt. Ferner ist es erforderlich, dass die Schneideinrichtung in einem bestimmten, fest vorgegebenen Abstand von der Kante 19 geführt wird. Nur bei einer konsequenten senkrechten Anordnung entlang des gesamten gewünschten Profils in dem fest vorgegebenen Abstand von der Kante 19 wird eine gleichbleibende Qualität des Schärfungsschnitts erreicht.
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In den 4 und 6 bis 8 ist dargestellt, wie diese Ausrichtung der Schneideinrichtung senkrecht zur Kante 19 in einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist hierfür einen Kontursensor auf, der insbesondere durch mindestens zwei an dem Schlitten 20 angeordnete Führungsrollen 21, 22 umfasst. Der Schlitten 20 ist ferner um eine Drehachse 25 senkrecht zur Oberseite 6 des Bauteils 1 drehbar gelagert, wobei die Oberseite 6 im Wesentlichen parallel zur XY-Ebene im Koordinatensystem des Schlittens 20 verläuft. Der Pfeil 11 kennzeichnet die Vorzugsrichtung der nicht dargestellten, fest auf dem Schlitten 20 angeordneten Schneideinrichtung.
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Wird nun, wie in 6 dargestellt, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Schlitten 20 in Richtung Bauteil 1 mit Kante 19 verfahren (6a)) so berührt zunächst beispielsweise die erste Führungsrolle 21 die die Kante 19 ausbildende Seitenfläche 9 (siehe 6b)) und wird gegen diese gedrückt. Aufgrund der drehbaren Lagerung des Schlittens 20 dreht sich dieser nun um seine Drehachse 25 so weit, bis auch die zweite Führungsrolle 22 an der Seitenfläche 9 des Bauteils 1 anliegt (siehe 6c)). Nun kann die auf dem Schlitten 20 fest angeordnete Schneideinrichtung (nicht dargestellt) mit der Erzeugung der Schnittfläche für den Schärfungsschnitt beginnen. Pfeil 11 zeigt dabei die Richtung, in die die Schneideinrichtung hinsichtlich der Kante 19 ausgerichtet ist. Hierdurch wird erreicht, dass die Schneideinrichtung senkrecht zur Kante 19 ausgerichtet und in einem bestimmten, fest vorgegebenen Abstand von der Kante 19 angeordnet ist. Der Abstand der Schneideinrichtung von der Kante 19 wird dabei von dem Radius der Führungsrollen 21, 22 und dem Abstand der Drehachsen der Führungsrollen 21, 22 von der Schneideinrichtung bestimmt.
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Um einen Andruck des Schlittens 20 gegen die Kante 19 bzw. die Seitenfläche 9 während des gesamten Schärfungsschnitts zu gewährleisten, wird über eine Seilzugeinrichtung (mechanisches Prinzip: Gewicht an Seilzug mit fester Rolle) oder alternativ über einen motorischen kraftgeregelten Antrieb eine Kraft erzeugt, die den Schlitten 20 im Drehpunkt 25 vertikal zur Zeichnungsebene in 6 und 7 stets in Richtung Kante 19 bzw. Seitenfläche 9 (siehe Pfeil 11) drückt.
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In 7 ist ein Bauteil mit einer krumm verlaufenden Kante 19 und einer Ecke 26 gezeigt. Durch die drehbare Lagerung des Schlittens 20 um die Drehachse 25 folgt der Schlitten 20 der Kontur der Seitenfläche 9 bzw. der Kante 19 und erzeugt dadurch einen Schärfungsschnitt ohne Geometriefehler, auch entlang der Rundung in den Positionen 7a) und 7b). In 7c) ist die Situation an einer Kante des Bauteils dargestellt. Voraussetzung für das sichere Folgen der Kontur ist, dass der Winkel zwischen dem Lot auf der Seitenfläche 9 bzw. der Kante 19 des Bauteils und der Richtung der Andruckkraft (d. h. Richtung des Pfeils 11) des Schlittens 20 nicht mehr als etwa 45° beträgt.
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An der Ecke 26 in der Kante 19 des Bauteils 1 ergibt sich durch die Lage der Schneideinrichtung zwischen den beiden Führungsrollen 21, 22 ein geringfügiger Konturverschliff des Schärfungsschnitts an der Stelle der Ecke 26, der aber in den meisten Fällen akzeptabel ist.
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Am Ende des gewünschten Schärfungsschnitts am Bauteil 1 soll die erfindungsgemäße Vorrichtung der Kontur nicht mehr folgen. Hierfür ist von Vorteil, wenn die Drehachse 25 zu einem Zeitpunkt kurz vor Ende des gewünschten Schnitts, d. h. in vielen Fällen kurz vor Ende des Bauteils 1, wie in 8b) gezeigt, durch eine entsprechende Blockiereinrichtung 27 blockiert wird. Das Blockieren kann elektromechanisch oder pneumatisch erfolgen, vorzugsweise durch flächiges Anpressen eines Bremsbelages radial von außen auf die Drehachse oder in axialer Richtung auf geeignete Flächen der Ober- oder Unterseite des Schlittens. Hierdurch kann sich der Schlitten 20 und mit diesem die Schneideinrichtung nicht mehr verdrehen, sondern der Schlitten 20 fährt geradlinig ohne Änderung der Ausrichtung über das Bauteilende hinaus (siehe 8c)). Eine Verschmierung des Schärfungsschnitts an dessen Ende wird hierdurch vermieden und eine gleichbleibende Schnittqualität entlang der gesamten Schnittfläche erreicht.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren können sehr einfach und kostengünstig fehlerhafte Schärfungsschnitte vermieden und die Qualität des Schärfungsschnitts deutlich erhöht werden. Da die Anpassung an die Kontur des Bleches sowohl in Höhenrichtung als auch im Bereich der XY-Fläche automatisch erfolgt und eine Ausrichtung des Bauteils vor Beginn des Schärfungsschnitts entfällt, wird für derartige Schärfungsschnitte auch weniger Zeit benötigt, was ebenfalls zur Reduktion der Kosten beiträgt.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl einen Höhensensor als auch einen Kontursensor, insbesondere mit den Führungsrollen und der drehbaren Lagerung des Schlittens mit einer Drehachse senkrecht zur Oberseite des Blechs, auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Blech
- 2
- zweites Blech
- 4
- Schweißnaht
- 5, 5'
- Schnittfläche (Fase)
- 6, 6'
- Oberseite bzw. Unterseite des Blechs 1
- 9
- Seitenfläche
- 11
- Pfeil
- 13
- Höhenverstelleinrichtung
- 15
- Höhensensor
- 17
- Verbindungsleitung
- 19
- Seitenfläche
- 20
- Schlitten
- 21
- erste Führungsrolle
- 22
- zweite Führungsrolle
- 25
- Drehachse
- 26
- Ecke
- 27
- Blockiereinrichtung
