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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks mit einem flüssigen oder gasförmigen Prozessmittel, das durch einen Prozesskanal zu einem Arbeitspunkt geleitet wird, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Überwiegend plattenförmige, meist metallische Werkstücke werden häufig mittels autogenem Brennschneiden geschnitten oder getrennt. Dabei findet das Schneiden des Werkstückes in einem Arbeitspunkt der Vorrichtung statt, welcher sich in direkter Verlängerung an einem Ende eines Prozesskanals befindet, durch den ein Prozessmittel zugeführt wird. Als Prozessmittel wird beispielsweise ein Brenngas-/Sauerstoffgemisch eingesetzt, mit dem das Werkstück auf die Zündtemperatur erwärmt und anschließend das Metall, vorzugsweise Stahl, oxidiert wird. Alternativ kann zum Schneiden von dünneren Werkstücken eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, verwendet werden.
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Die Vorrichtung zum Schneiden ist häufig, insbesondere beim Schneiden großer Werkstücke, fest mit einem Werkzeugwagen verbunden, der in eine Y-Richtung beweglich an einem Maschinenportal gelagert ist. Das Portal ist senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkzeugwagens, d. h. in eine X-Richtung, verfahrbar. Dies gestattet eine freie Beweglichkeit der Vorrichtung in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Werkstücks verläuft und im Folgenden auch als XY-Ebene bezeichnet wird.
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Vor Beginn eines Bearbeitungsvorgangs muss die Vorrichtung, insbesondere ihr Arbeitspunkt, relativ zu dem Werkstück positioniert werden. Dazu wird die Vorrichtung an eine Startposition gefahren, die sich in der Regel auf dem Werkstück befindet. Dies geschieht bisher meist manuell. Wenn sich die Vorrichtung an der Startposition befindet, wird der häufig automatisch ablaufende Schneidevorgang an dem Werkstück gestartet.
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Zur Erleichterung der Positionierung der Schneidvorrichtung wird in einigen Fällen bisher ein Laserpointer eingesetzt, der mit einem fest definierten Versatz (Abstand) zur Schneidvorrichtung ebenfalls an dem Werkzeugwagen befestigt wird. Der Laserpointer erzeugt einen Lichtpunkt auf dem Werkstück, der zur Positionierung so lange manuell verfahren wird, bis er sich an der oft durch eine Markierung auf dem Werkstück gekennzeichnete Startposition befindet. Anschließend wird die Vorrichtung während einer sogenannten Versatzfahrt um den Abstand zwischen dem Arbeitspunkt der Vorrichtung und dem Lichtpunkt des Laserpointers verfahren, so dass dann der Arbeitspunkt der Schneidvorrichtung an der Startposition angeordnet ist.
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Als Alternative zu einem Laserpointer wird eine neben der Schneidvorrichtung angeordnete Kamera eingesetzt, mit welcher die Positionierung der Kamera an der Startposition über ein in das Kamerabild eingeblendetes Fadenkreuz durchgeführt wird, das mit der Markierung auf dem Werkstück zur Deckung gebracht wird.
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Problematisch bei dieser Vorgehensweise ist, dass die Positionen des Lichtpunktes und des Arbeitspunktes nicht übereinstimmen. Bei der Versatzfahrt kann es zu einem Fehler kommen. Zudem kann die Lage des Arbeitspunktes auf dem Werkstück nur ermittelt werden, wenn der mechanische Versatz bekannt ist. Der Versatz muss daher im Vorhinein, also beispielsweise bei der ersten Inbetriebnahme der Vorrichtung, bestimmt werden. Ebenso hängt die Genauigkeit der Positionierung des Arbeitspunktes der Schneidvorrichtung von der Neigung des Laserpointers bzw. deren Stabilität ab.
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Aus Kostengründen ist das Werkstück meist nur wenig größer als das herauszuschneidende Produkt. So kann der Materialabfall reduziert werden. Eine fehlerhafte Positionierung an der Startposition kann unter Umständen dazu führen, dass das während der Bearbeitung vielfach automatisch ablaufende Arbeitsprogramm über die Grenzen des Werkstückes hinaus fährt und so die gefordertes Abmessungen des Produkts nicht mit den Vorgaben übereinstimmen. Daher ist eine exakte Positionierung des Arbeitspunkts der Vorrichtung an der Startposition von großer Wichtigkeit.
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Als nachteilig erweist sich zudem bei der herkömmlichen Vorgehensweise auch, dass die Positionierung der Vorrichtung mehrere Schritte erfordert. Dies führt zu einer längeren Produktionszeit.
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Aus dem Dokument
DE 199 61 625 C1 ist ein Teach-In-Verfahren (Programmhilfe) für das Erstellen von Programmen einer dreidimensionalen Bearbeitung von Bauteilen bekannt, bei dem in der Bearbeitungsoptik eine Laserdiode vorgesehen ist, deren Strahlungskegel derart auf die Werkstückoberfläche projiziert wird, dass er als Kreis oder Ellipse mit einem Punkt (Arbeitspunkt) in der Mitte erscheint. Dieses Bild wird durch das Objektiv einer externen, am Gehäuse gehalterten Beobachtungskamera, die mit einem CCD-Chip ausgerüstet ist, unter einem Winkel (Triangulationswinkel) betrachtet und mittels einer mit der CCD-Beobachtungskamera gekoppelten automatischen Bildverarbeitung (PC; Videorekorder) ausgewertet. Durch Kombination von Triangulation und Bildauswertung werden die erforderlichen Informationen der Programmierhilfe erstellt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine möglichst schnelle und exakte sowie verlässliche Positionierung der Schneidvorrichtung relativ zu dem Werkstück ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Insbesondere verläuft der auf das Werkstück fallende oder von dem Werkstück kommende Lichtstrahl, der zur Positionierung des Werkstücks dient, nach der vorliegenden Erfindung zumindest abschnittsweise innerhalb des Prozesskanals, vorzugsweise in dem arbeitspunktseitigen Endabschnitt des Prozesskanals. Weiter bevorzugt verläuft der Lichtstrahl direkt durch den Arbeitspunkt der Vorrichtung. Somit gelangt der Lichtstrahl direkt zum Austrittsbereich des Prozessmittels aus dem Prozesskanal und der Nutzer kann die Positionierung des Arbeitspunktes direkt vornehmen.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht ferner darin, dass die Versatzfahrt entfällt. Insgesamt wird so eine exaktere und vor allem schnellere sowie verlässliche Positionierung der Vorrichtung an der Startposition ermöglicht. Es ist ferner von Vorteil, dass im Falle einer mangelhaften Ausrichtung der Lichtquelle oder des Lichtempfängers entlang des Prozesskanals kein Lichtpunkt oder Abbild der Oberfläche des Werkstücks erzeugt wird, da der Lichtstrahl den Prozesskanal nicht verlassen kann. Fehler bei der Ausrichtung der Lichtquelle/des Lichtempfängers setzen sich daher nicht bei der Positionierung fort.
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Als Prozesskanal wird vorliegend der Abschnitt des Kanals zur Zuführung des Prozessmittels zu dem Arbeitspunkt bezeichnet, der unmittelbar vor dem Kanalende liegt, an dem das Prozessmittel aus dem Kanal austritt und im Austrittsbereich den Arbeitspunkt ausbildet. Vorzugsweise verläuft der Prozesskanal gerade. Hierdurch wird erreicht, dass der geradlinig verlaufende Lichtstrahl ohne weitere Umlenkelemente zu dem Arbeitspunkt geleitet werden kann. Der Prozesskanal erstreckt sich vorzugsweise über mindestens 50% der Länge der Vorrichtung, besonders bevorzugt über mindestens 75% der Länge der Vorrichtung. Hierbei ist die Länge der Vorrichtung vorzugsweise die Abmessung, welche sich senkrecht zur Werkstück-Oberfläche bzw. senkrecht zur XY-Ebene erstreckt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das dem Arbeitspunkt gegenüber liegende Ende des Prozesskanals gasdicht und/oder flüssigkeitsdicht verschlossen und vorzugsweise zumindest bereichsweise transparent ausgebildet. Besonders bevorzugt wird der transparente Bereich durch eine Trennscheibe realisiert, die in an dem dem Arbeitspunkt gegenüber liegenden Ende des Prozesskanals angeordnet wird und vorzugsweise in einer entsprechenden Ausnehmung der Vorrichtung eingelegt ist. Hierdurch kann der Lichtstrahl sehr einfach gas- und/oder flüssigkeitstechnisch abgedichtet und einfach entweder in den Prozesskanal ein- oder aus diesem ausgekoppelt werden. Hierdurch kann die Lichtquelle oder den Lichtempfänger außerhalb des Prozesskanals positioniert werden, was den apparativen Aufbau bzw. die Einrichtung der Lichtquelle oder des Lichtempfängers deutlich vereinfacht.
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In Weiterentwicklung der Erfindung ist es vorgesehen, dass an dem dem Arbeitspunkt gegenüber liegenden Ende des Prozesskanals ein Umlenkelement angeordnet ist. Als Umlenkelement kann z. B. ein Strahlteiler oder ein Spiegel mit Loch eingesetzt werden. Hierdurch kann zusätzlich zu der Lichtquelle oder dem Lichtempfänger eine Messeinrichtung, z. B. ein Flammensensor, eingesetzt werden, welche an dem dem Arbeitspunkt gegenüber liegenden Ende des Prozesskanals angeordnet ist und den Prozesskanal und/oder den Arbeitspunkt überwacht. Mittels des Flammensensors wird insbesondere der Schneidvorgang im Arbeitspunkt überwacht.
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Desweiteren erscheint vorteilhaft, einen seitlich in den Prozesskanal einmündender Zuführungskanal vorzusehen, durch den das Prozessmittel in den Prozesskanal einleitbar ist. Hierdurch kann einerseits der Lichtstrahl über den geradlinigen Prozesskanal ohne Hindernisse den Arbeitspunkt oder den Lichtempfänger erreichen und andererseits das Prozessmittel dem Arbeitspunkt über den Prozesskanal direkt zugeführt werden. Der Zuführungskanal mündet hierbei unterhalb des dem Arbeitspunkt gegenüber liegenden Endes des Prozesskanals in den Prozesskanal ein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
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Es zeigen schematisch:
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1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks, die an einem Maschinenportal angeordnet ist, in einer Ansicht von oben,
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2 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 1 in einem Längsschnitt,
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3 das dem Arbeitspunkt gegenüber liegende Ende der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 in einem Längsschnitt,
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4 den Kopf der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 in einem Längsschnitt,
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5 einen Adapter zum Einschrauben in den Brennerkopf gemäß 4 in einem Längsschnitt und
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks in einem Längsschnitt.
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Das in den 1 bis 5 gezeigte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Schneiden eines Werkstücks, das in diesem Fall als Autogenbrenner ausgebildet ist, ist an einem Werkzeugwagen 2 befestigt, der sich entlang eines Maschqinenportals 3 in Y-Richtung bewegen kann. Das Maschinenportal 3 ist in X-Richtung beweglich, da das Maschinenportal 3 auf zwei parallel in X-Richtung verlaufende Maschinenlaufbahnen 4 verschiebbar ist.
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Das beim autogenen Brennschneiden notwendige Brenngas-/Sauerstoffgemisch, das im Folgenden allgemein als gasförmiges Prozessmittel bezeichnet wird, gelangt durch einen geraden Prozesskanal 6 zu dem Arbeitspunkt 10. Der Arbeitspunkt 10 ist unterhalb einer Heizdüse angeordnet, welche durch die konische Düsenkappe 8 an deren arbeitspunktseitigen Ende ausgebildet wird, wobei die Heizdüse am arbeitspunktseitigen Ende des Prozesskanals 6 vorgesehen ist. Mit dem Brenngas, beispielsweise Acetylen oder Propan, wird das Werkstück (nicht dargestellt) lokal auf die Zündtemperatur erhitzt. Ferner oxidiert der unter hohem Druck aus der Heizdüse austretende Sauerstoff das darunter liegende metallische Werkstück in dem Arbeitspunkt 10 und das Oxid des Metalls (Schneidschlacke) wird von dem nachfolgend zugeführten Prozessmittel aus der durch das Schneiden entstandenen Fuge geblasen.
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Die Vorrichtung zum Schneiden 1 umfasst ein Hauptrohr 7, in dem der hohlzylinderförmige Prozesskanal 6 angeordnet ist. An dem dem Arbeitspunkt 10 abgewandten Ende des Prozesskanals 6 ist in der Vorrichtung 1 eine zentrische Bohrung 13 vorgesehen, in die eine runde Trennscheibe 12 eingelassen ist. Zur gasdichten Abdichtung des Prozesskanals 6 nach oben ist (sind) unterhalb und ggf. auch oberhalb der Trennscheibe 12 jeweils ein O-Ring 14, 18 vorgesehen, welche(r) in einer entsprechenden Nut 20, 25 in der jeweiligen Andruckfläche angeordnet ist (sind). Ferner ist oberhalb der transparenten Trennscheibe 12, welche beispielsweise aus Glas besteht, ein Lichtadapter 16 vorgesehen, der zur Befestigung einer Laser-Lichtquelle (z. B. ein Laserpointer, im Folgenden kurz: Laser) 5 dient. Der Laser 5 ist in den Lichtadapter 16 vorzugsweise eingeschraubt. Hierfür enthält Lichtadapter 16 ein Innengewinde 24.
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Der Kopf (Brennerkopf) 15 der Vorrichtung 1 weist eine durchgehende Bohrung 21 auf, deren erster Abschnitt 19 zur Aufnahme des Prozesskanals 6 dient und deren zweiter Abschnitt 22 eine umlaufende Nut 20 zur Aufnahme des O-Rings 14 vorsieht. Der Lichtadapter 16 ist mit seinem Außengewinde 23 in den oberen, dem Arbeitspunkt 10 abgewandten Abschnitt 22 der Bohrung 21, insbesondere in das dort angeordnete Innengewinde 17, eingeschraubt. Der Lichtadapter 16 kann an seiner Außenseite wahlweise als Sechskant oder mit einer geriffelten Oberfläche ausgeführt sein, abhängig davon ob das Einschrauben des Lichtadapters 16 in den Brennerkopf 15 mittels Schraubenschlüssel oder per Hand, d. h. ohne Werkzeug, erfolgen soll.
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Der Prozesskanal 6 ist geradlinig ausgeführt und steht senkrecht zur Oberfläche des nicht gezeigten Werkstücks bzw. zur XY-Ebene. Der Laser 5 ist in der Verlängerung des Prozesskanals 6 derart montiert, dass sein Lichtstrahl 11 durch die transparente Trennscheibe 12 entlang der Längsachse des Prozesskanals 6 verläuft, am unteren Ende des Prozesskanals 6 austritt und einen Lichtpunkt auf dem nicht gezeigten Werkstück erzeugt. Da der Lichtpunkt exakt in der Verlängerung des Prozesskanals 6 liegt, ist die Position des Lichtpunkts mit dem Arbeitspunkt 10 des Werkzeugs identisch. Es kann daher die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks bei der Positionierung mittels Maschinenportal 3 und Werkzeugwagen 2 derart parallel zur XY-Ebene verfahren werden, bis der durch den Laser 5 erzeugte Lichtpunkt und somit auch der Arbeitspunkt 10 auf der gewünschten Startposition des Werkstücks liegt. Anschließend wird der automatische Ablauf des Schneidens des Werkstücks mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gestartet und die Bearbeitung durchgeführt. Eine Versatzfahrt wie beim anfangs geschilderten Stand der Technik ist nicht erforderlich.
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Dem hohlzylindrischen Prozesskanal 6 wird das gasförmige Prozessmittel über einen seitlich in den Prozesskanal 6 mündenden, abschnittsweise schräg verlaufenden Zuführungskanal 9 zugeführt.
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Aufgrund der Anordnung des durch den Laser 5 erzeugten Lichtpunkts im Arbeitspunkt 10 der Vorrichtung zum Schneiden 1 ist die Einrichtung des Werkzeugs ohne Berücksichtigung von Versatz möglich. Ferner können Fehler aufgrund einer ungenauen Montage des Lasers zu keiner fehlerhaften Positionierung der Schneidevorrichtung 1 führen, da im Falle einer mangelhaften Ausrichtung des Lasers 5 kein Lichtpunkt erzeugt wird. In diesem Fall wird der Lichtstrahl 11 an den Wänden des Prozesskanals 6 reflektiert.
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Alternativ zu einem Laser 5 kann an dessen Stelle auch eine Kamera vorgesehen sein, deren Bildsensor durch den Prozesskanal 6 auf das Werkstück 7 blickt und über ein in das Kamerabild eingeblendetes Fadenkreuz eine Positionierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht. Das Fadenkreuz wird dabei so lange verschoben, bis es mit einer auf dem Werkstück vorhandenen Markierung zur Deckung gebracht ist. Auch bei dieser Variante der vorliegenden Erfindung ist eine exakte Montage der Kamera erforderlich, so dass das eingeblendete Fadenkreuz auf dem Werkstück ”gesehen” wird. Bei einer fehlerhaften Ausrichtung der Kamera mit dem Prozesskanal 6 werden die vom Werkstück kommenden und von der Kamera empfangenen Lichtstrahlen seitlich, d. h. von den Wänden des Prozesskanals reflektiert und derart abgelenkt, dass das Bild der Werkstückoberfläche nicht oder nicht vollständig zur Kamera übertragen wird.
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Bei einer in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1' ist an dem dem Arbeitspunkt 10 abgewandten Ende des Prozesskanals 6 ein Flammensensor 28 vorgesehen, welcher eine optische Messeinrichtung zur Überwachung der Autogenflamme darstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Laser 29 seitlich am Brennerkopf 15 angeordnet und der Lichtstrahl 30 wird über einen am oberen Ende des Prozesskanals 6 oberhalb der Trennscheibe 12 angeordneten Strahlteiler 27 in den Prozesskanal 6 hinein gelenkt. Das von der im Arbeitspunkt 10 gebildeten Flamme zurück kommende Licht während des Schneidens des Werkstücks wird über den Prozesskanal 6, die transparente Trennscheibe 12 und durch den Strahlteiler 27 hindurch auf den Flammensensor 28 geleitet.
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Alternativ kann die Anordnung von Laser 29 und Flammensensor 28, die in 6 gezeigt ist, auch umgekehrt erfolgen, so dass der Laser 29 geradlinig in den Prozesskanal 6 einstrahlt und das von der Flamme zurückkommende Licht über den Strahlteiler 27 auf den Flammensensor, der seitlich angeordnet ist, geführt wird. In diesem Fall kann anstelle eines Strahlteilers 27 auch ein gelochter Spiegel eingesetzt werden. Der Durchmesser des Lochs durch den Spiegel wird dem Durchmesser des Lichtstrahls 30 Lasers 29 angepasst. Da die gesamte Strahlungsenergie des Lasers 29 auf den Durchmesser des Lochs im Spiegel gebündelt ist, geht in diesem Fall keine Laserleistung über Reflexion wie bei Nutzung eines Strahlteilers 27 verloren. Die von der Flamme zurück kommende Lichtleistung ist weitgehend homogen über die gesamte Apertur des als Lichtleiter wirkenden Prozesskanals 6 verteilt. Der gelochte Spiegel wird also die gesamte, von der Flamme ausgesandte Lichtleistung zum Flammensensor 28 umlenken abzüglich eines kleinen Anteils aufgrund der Lochung des Spiegels. Durch Verwendung eines gelochten Spiegels sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Lichtverluste in beiden Strahlrichtungen geringer als bei der Verwendung eines Strahlteilers 27 einzuschätzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Vorrichtung zum Schneiden
- 2
- Werkzeugwagen
- 3
- Maschinenportal
- 4
- Maschinenlaufbahn
- 5, 29
- Laser
- 6
- Prozesskanal
- 7
- Hauptrohr
- 8
- Düsenkappe
- 9
- Zuführungskanal
- 10
- Arbeitspunkt
- 11, 30
- Lichtstrahl
- 12
- Trennscheibe
- 13
- Montagebohrung
- 14, 18
- O-Ring
- 15
- Brennerkopf
- 16
- Lichtadapter
- 17
- Innengewinde am Brennerkopf 15
- 19
- Bohrung zur Aufnahme des Prozesskanals 6
- 20
- umlaufende Nut zur Aufnahme des O-Rings 14
- 21
- durchgängige Bohrung in Brennerkopf 15
- 22
- Bohrung zur Aufnahme des Lichtadapters
- 23
- Außengewinde zum Einschrauben in den Brennerkopf 15
- 24
- Innengewinde zur Aufnahme des Lasers 5
- 25
- umlaufende Nut in Lichtadapter 15 zur Aufnahme des O-Rings 18
- 26
- Außenseite
- 27
- Strahlteiler
- 28
- Flammensensor
