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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zusatzachsenschneidkopf mit einem Grundkörper zur Aufnahme einer Schneidoptik, einem Düsenkörper zur Beaufschlagung eines Werkstücks mit Laserstrahlung in einer z-Richtung, einem Schlitten zur translatorischen Bewegung der Schneidoptik und des Düsenkörpers in einer x-y-Ebene und mit einer Überlastschutzvorrichtung.
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Ein Bearbeitungskopf mit einer Überlastschutzvorrichtung ist beispielsweise aus
DE 41 09 567 A1 bekannt.
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Zusatzachsenschneidköpfe werden, insbesondere im Bereich Laserschneiden, eingesetzt, wenn eine hohe Dynamik beim Schneidprozess gefordert ist. Neben den Basisachsen, entlang derer der Schneidkopf innerhalb einer Werkzeugmaschine geführt wird, weist ein Zusatzachsenschneidkopf (redundante) Zusatzachsen auf, entlang derer der Düsenkörper des Zusatzachsenschneidkopfs in einem reduzierten Bereich (einige cm) bewegt werden kann. Aufgrund ihrer kleineren Verfahrwege können Zusatzachsen sehr viel kleiner und leichter realisiert und daher mit geringerem Kraftaufwand beschleunigt werden.
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Die Bewegungen entlang der Zusatzachsen werdenden Bewegungen entlang der Basisachsen überlagert, die den gesamten Arbeitsbereich (i. A. einige Meter) überstreichen. Die koordinierte Bewegung der beiden Achsensysteme (Basisachsen und Zusatzachsen) führt insgesamt zu einer gesteigerten Dynamik des Gesamtsystems (Beschleunigungen in der Größenordnung von einigen g). Um derartige redundante Zusatzachsen zu realisieren, sind Zusatzachsenschneidköpfe vorzugsweise mit einem Kreuz-Schlittensystem versehen. Derartige Schlittensysteme bilden eine kartesische Parallelkinematik und umfassen i. A. einen äußeren Schlitten, in dem ein Mittenschlitten verfahrbar montiert ist. Im Mittenschlitten wird die Schneidoptik in x/y-Richtung (entspricht im Allgemeinen der Werkstückebene) geführt. Derartige Zusatzachsenschneidköpfe sind zwar schwerer im Vergleich zu Schneidköpfen ohne Zusatzachsen; durch die Bewegung der Schneidoptik innerhalb des Zusatzachsenschneidkopfes können jedoch Beschleunigungen bis zu 60 m/s2 erreicht werden, wodurch eine schnelle und genaue Bearbeitung von Werkstücken realisiert werden kann.
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Beim Laserschneiden treten häufig Kollisionen des Düsenkörpers des Schneidkopfes mit dem Werkstück auf, was insbesondere bei Zusatzachsenschneidköpfen ein Problem darstellt, da bei einer Kollision die Gefahr besteht, dass das im Zusatzachsenschneidkopf integrierte, filigran gebaute Schlittensystem durch Krafteinwirkung beschädigt wird.
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Für Schneidköpfe ohne redundante Zusatzachsen ist es bekannt, im Falle einer Kollision den gesamten Schneidkopf aus einer Halterung auszukoppeln, analog zu einer Skibindung. Nach kleinen Berührungen bewegt sich der Schneidkopf selbstständig an seine ursprüngliche Position zurück. Bei größeren Kollisionen kann ihn der Bediener mit einem Handgriff exakt an seinen Platz zurücksetzen.
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Zusatzachsenbearbeitungsköpfe weisen jedoch aufgrund der zusätzlichen benötigten Schlitten eine größere Masse auf als Bearbeitungsköpfe ohne Zusatzachsen. Darüber hinaus ist bei Zusatzachsenbearbeitungsköpfen eine steifere Anbindung an die Maschinenstruktur notwendig, so dass ein Überlastschutz in Form einer nachgiebigen Halterung, wie oben beschrieben, nicht realisierbar ist.
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Aus
JP 2080192 A ist eine Düse für eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem Kollisionsschutz bekannt. Die Düse wird in einer Halteeinrichtung gehalten, wobei die Innenfläche der Halteeinrichtung und die Außenfläche der Düse die gleiche konische Form aufweisen. An einer Verbindungsstelle sind Düse und Halteeinrichtung über ein elektrisch leitendes Material verbunden. Im Falle einer Kollision wird der Kontakt der Düse mit der Innenwand der Halteeinrichtung gelöst, so dass die elektrische Verbindung unterbrochen wird. Die Laserbearbeitungsmaschine kann dann gestoppt werden, um weitere Schäden zu verhindern.
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DE 41 09 567 A1 offenbart eine Düse für eine Einrichtung zur Materialbearbeitung, die über ein sprödes Verbindungselement mit einem Anschlusskopf starr verbunden ist. Das Verbindungselement weist einen Sollbruchbereich in Form einer Ringnut auf, so dass bei einer Kollision der Düsenspitze mit einem Werkstück die Ringscheibe entlang der Ringnut bricht und sich die Düse vom Anschlusskopf löst. Der Sollbruchstellenbereich wird von einem elektrischen Leiter überquert, der im Falle einer Kollision reißt, so dass sich auf diese Weise ein Alarmsignal für die Stillsetzung der Anlage erzeugen lässt. Hierbei wird angenommen, dass durch einen Nothalt Schäden am Anschlusskopf verhindert werden.
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Eine Vorrichtung wie sie aus
DE 41 09 567 A1 bekannt ist, ist zum Schutz von Zusatzachsenschneidköpfen jedoch wegen der hohen Zusatzachsendynamik und dem empfindlichen integrierten Schlittensystem nicht ausreichend. Insbesondere bei axialen Kollisionen (Kraft auf die Düse entgegen der z-Richtung) besteht die Gefahr, dass beim Brechen des Verbindungselements im Sollbruchbereich das empfindliche Schlittensystem des Zusatzachsenschneidkopfes beschädigt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zusatzachsenschneidkopf vorzuschlagen, der einen Kollisionsschutz aufweist, mit dem schwere Schäden an dem leicht gebauten Bewegungssystem der Zusatzachsen vermieden werden können.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Zusatzachsenschneidkopf gemäß Anspruch 1 sowie eine Laserbearbeitungsmaschine gemäß Anspruch 10.
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Erfindungsgemäß ist im Zusatzachsenschneidkopf eine Überlastschutzvorrichtung integriert, die zum einen ein Sollbruchelement umfasst, durch das der Düsenkörper mit dem Schlitten lösbar und starr verbunden ist, und welches Sollbruchstellen aufweist. Zum anderen ist zwischen dem Schlitten und dem Düsenkörper zusätzlich eine Stoßdämpfungseinrichtung vorgesehen, welche eine Bewegung des Düsenkörpers gegenüber dem Schlitten entgegen der z-Richtung abdämpft.
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An dem dem Grundkörper entgegengesetzten Ende des Düsenkörpers ist eine Düse angebracht, mittels der ein Gasstrahl und der durch sie hindurchtretende Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden. Zwischen Düsenkörper, Überlastschutzvorrichtung und einem Linsenhalter der Schneidoptik besteht vorzugsweise eine starre Verbindung. Die Schneidoptik kann mittels des Schlittens, der Teil eines Schlittensystems ist, entlang der Zusatzachsen verfahren werden. Bei einer Kollision der Düse mit dem Werkstück wirkt eine Kraft auf das Sollbruchelement. Überschreitet die auf die Sollbruchstelle des Sollbruchelements wirkende Kraft einen kritischen Wert (abhängig von Material, Stärke, Ausführung der Sollbruchstellen), bricht das Sollbruchelement an den Sollbruchstellen, so dass der Düsenkörper vom restlichen Zusatzachsenschneidkopf getrennt wird. Das Sollbruchelement umfasst mindestens drei, vorzugsweise vier Sollbruchstellen, die u. a. als gekerbte Bolzen oder durch andere Kerbgeometrien realisiert sein können.
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An der Düsenspitze können verschiedene Arten von Kollisionen auftreten: seitliche Kollisionen, axiale Kollisionen oder schräge Kollisionen, z. B. mit schräg stehenden Blechen, wobei Kraftvektoren mit seitlichen und axialen Anteilen erzeugt werden.
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Erfolgt die Kollision seitlich (also im Wesentlichen senkrecht zur z-Richtung), z. B. mit einem hochstehenden Blechteil, ergibt sich eine Momentenbelastung auf das Sollbruchelement. Nach dem Brechen der Sollbruchstellen fällt der gesamte Düsenkörper, sowie das Teil des Sollbruchelements an dem der Düsenkörper befestigt ist, ab, wodurch der Rest des Zusatzachsenschneidkopfs, insbesondere das Schlittensystem und die Schneidoptik, geschont wird.
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Erfolgt die Kollision axial, also entgegnen der z-Richtung, wird nach dem Brechen der Sollbruchstellen der Düsenkörper in den Zusatzachsenschneidkopf hineingeschoben. Dies stellt bei Zusatzachsenschneidköpfen jedoch ein Problem dar, da durch das Hineinschieben des Düsenkörpers das empfindliche Schlittensystem des Zusatzachsenschneidkopfs beschädigt werden kann. Erfindungsgemäß wird die kinetische Energie, die ein Z-Schlitten inklusive Zusatzachsenschneidkopf bei solch einem axialen Stoß besitzt, im Inneren des Zusatzachsenschneidkopfs durch die erfindungsgemäße Stoßdämpfungseinrichtung zumindest teilweise aufgenommen, so dass auch bei axialen Kollisionen eine Beschädigung des Schlittensystems vermieden werden kann. Die Stoßdämpfungseinrichtung ist hierzu zwischen Schlittensystem und Düsenkörper angeordnet. Im Stoßdämpfer findet eine Energieumwandlung desjenigen Anteils der kinetischen Energie des Z-Schlittens in Wärmeenergie statt, der nach der Kollisionserkennung nicht schnell genug vom elektrischen Vorschubantrieb der Z-Achse abgebremst werden kann. Auf diese Weise wird die Bewegung des Düsenkörpers in Richtung Schlittensystem abgebremst und der Düsenkörper kann auf einem ausreichenden Bremsweg in den Zusatzachsenkopf eintauchen, ohne dass das Schlittensystem beschädigt wird.
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Die erfindungsgemäße Kombination des Sollbruchelements mit der Stoßdämpfungseinrichtung stellt einen sehr leichten und kompakten Überlastschutz dar und ermöglicht daher erstmals einen zuverlässigen Kollisionsschutz für Zusatzachsenschneidköpfe.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sollbruchelement als ringförmige Brechscheibe ausgebildet, wobei der Düsenkörper derart am Sollbruchelement angebracht ist, dass das Brechen der Sollbruchstellen ein Abfallen des Düsenkörpers vom Grundkörper bewirkt. Der Düsenkörper kann dann von der gebrochenen Brechscheibe demontiert und mit einer neuen Brechscheibe wieder am Zusatzachsenschneidkopf befestigt und weiter verwendet werden.
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Zur Detektion eines Bruchs des Sollbruchelements kann auf der Brechscheibe eine Leiterschleife vorgesehen sein, die über die Sollbruchstelle verläuft. Bricht das Sollbruchelement an einer Sollbruchstelle, reißt dabei an dieser Stelle auch die Leiterbahn durch. Die Unterbrechung der Leiterbahn wird durch eine geeignete Überwachungseinrichtung der Laserbearbeitungsmaschine detektiert und führt zu einem Stillsetzen der Maschinenantriebe. Dies stellt eine kostengünstige Möglichkeit dar, einen Bruch des Sollbruchelements zu erkennen.
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Vorzugsweise ist die Leiterbahn auf einer Isolationsfolie aufgebracht, welche auf der Oberfläche des Sollbruchelements befestigt, insbesondere auf der Oberfläche verklebt, ist. Alternativ hierzu kann das Sollbruchelement auch mit der Leiterbahn direkt beschichtet sein.
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Eine besonders einfache und platzsparende Möglichkeit, die Leiterbahn auf dem Sollbruchelement anzuordnen, ergibt sich, wenn die Leiterbahn mäanderförmig in Umfangsrichtung über die Brechscheibe verläuft und die Sollbruchstellen vorzugsweise radial überquert. Die Leiterbahn verläuft dann abwechselnd zwischen den Sollbruchstellen radial außerhalb bzw. innerhalb der Sollbruchstellen.
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Vorzugsweise endet die Leiterbahn an Kontaktstellen, welche über federnde Kontaktstifte mit einer Überwachungseinrichtung kontaktiert ist.
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Das Sollbruchelement ist vorzugsweise aus einem spröd brechenden Material, insbesondere aus gehärtetem Blech, Glas, Keramik oder Kunststoff gefertigt. Eine plastische Verformung des Sollbruchelements ohne Bruch und eine damit verbundene ungewollte Änderung der Düsenausrichtung z. B. durch leichte Kollisionen, kann somit vermieden werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs ist eine Federungseinrichtung zur Abfederung einer Bewegung des Düsenkörpers entgegen der z-Richtung relativ zum Schlittensystem vorgesehen. Die Federungseinrichtung wirkt unterstützend zur Stoßdämpfereinrichtung, indem sie die aufgrund eines Stoßes auftretende Bewegung des Düsenkörpers entgegen der z-Richtung in eine Bewegung in z-Richtung umwandelt. in Kombination mit der erfindungsgemäßen Stoßdämpfungseinrichtung kann die Federungseinrichtung im Gegensatz zu bekannten Überlastschutzsystemen mit Federungen klein dimensioniert werden, was die Verwendung einer Federungseinrichtung in einem Zusatzachsenschneidkopf erst ermöglicht.
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Bei einer speziellen Ausführungsform ist die Stoßdämpfungseinrichtung über eine im Schlitten in z-Richtung beweglich geführte Schiebehülse mit dem Düsenkörper kontaktiert. Die Schiebehülse wird im Schlitten des Schlittensystems geführt und überträgt die kinetische Energie des Z-Schlittens über den Düsenkörper auf die Stoßdämpfungseinrichtung. Diese Energieübertragung kann direkt oder aber auch indirekt über weitere Bauteile des Zusatzachsenschneidkopfs erfolgen.
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Bei einem axialen Stoß auf die Düse schiebt der Düsenkörper über den Linsenhalter die Schiebehülse gegen die Stoßdämpfungseinrichtung und ev. gegen die Federungseinrichtung, wodurch der Stoß abgefangen wird ohne das Schlittensystem zu beschädigen.
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Zur Überwachung des Abstands zwischen Düse und Werkstück ist bei einer bevorzugten Ausführungsform im Düsenkörper eine Abstandssensorik vorgesehen, die mittels federnder Kontaktstifte mit einer Steuerung für die Bewegung des Zusatzachsenschneidkopfs in z-Richtung verbunden ist. Die Abstandssensorik kann so ausgestaltet sein, dass Düse und Werkstück eine Kapazität bilden, deren kapazitiver Widerstand ein Maß für den Abstand der Düse zum Werkstück ist. Entspricht der Abstand nicht dem gewünschten Sollabstand, kann der Schneidkopf entsprechend entlang der z-Richtung verfahren werden. Die Kontaktstifte sind in der Schiebehülse integriert und gegen Kontaktflächen im Düsenkörper radial innerhalb der Sollbruchstellen des Sollbruchelements abgestützt, so dass beim Abreißen des Düsenkörpers die Signalverbindung zur Abstandssensorik gelöst wird, Bei Laserbearbeitungsköpfen besteht oftmals die Möglichkeit, das Werkstück während der Werkstückbearbeitung mit Schneidgas zu beaufschlagen. Die Schneidgaszufuhr erfolgt durch die Düse. Aufgrund der begrenzten Öffnung der Düse, entsteht ein Schneidgasdruck innerhalb des Düsenkörpers. Auf das Sollbruchelement wirkt daher der Schneidgasdruck entgegen der z-Richtung. Die auf das Sollbruchelement wirkende Kraft ist daher nicht nur abhängig von der Stärke und der Richtung der Kollision, sondern auch vom im Düsenkörper herrschenden Schneidgasdruck. Bei hohem Schneidgasdruck wird demnach eine geringere Kraft benötigt, um ein Brechen der Sollbruchstellen zu provozieren. Das Sollbruchelement wird also während einer Schneidgasbeaufschlagung bereits bei schwächeren Kollisionen der Düse mit dem Werkstück brechen als wenn der Zusatzachsenschneidkopf ohne Schneidgasbeaufschlagung betrieben wird. Darüber hinaus besteht bei Beaufschlagung des Werkstücks mit Schneidgas die Gefahr, dass der Linsenhalter vom Düsenkörper abhebt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs ist daher eine Vorrichtung zum Beaufschlagen des Werkstücks mit einem Schneidgas durch den Düsenkörper vorgesehen, wobei aufgrund des Schneidgasdrucks im Düsenkörper eine Kraft entgegen der z-Richtung auf das Sollbruchelement wirkt, wobei zur Verringerung der durch den Schneidgasdruck auf die Federungseinrichtung wirkenden Kraft eine Kompensationseinrichtung zum Beaufschlagen der Schiebehülse mit einer in z-Richtung wirkenden Gegenkraft vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die Druckkraft auf den Linsenhalter bzw. die Schiebehülse, zumindest teilweise kompensiert werden. Somit können relativ schwache Rückstellfedern verwendet werden, welche den Linsenhalter bzw. die Schiebehülse gegen den Düsenkörper drücken, wodurch eine platzsparende Auslegung der Rückstellfedern bei variabler Schneidgasbeaufschlagung ermöglicht wird.
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Als Kompensationseinrichtung sind vorzugsweise pneumatische Ausgleichskolben im Schlitten vorgesehen, die mit dem Schneidgasdruck beaufschlagt werden. Die Druckentlastungskolben sind vorzugsweise symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse der Brechscheibe angeordnet.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schlitten um einen Mittenschlitten eines Kreuz-Schlittensystems.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs;
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2a eine dreidimensionale Darstellung des Sollbruchelements aus dem Zusatzachsenschneidkopf aus 1;
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2b einen Detailausschnitt einer Sollbruchstelle und einer Kontaktstelle des Sollbruchelements aus 2a;
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3 eine zweidimensionale Schnittdarstellung durch einen Teil des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs;
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4 eine zweidimensionale Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs durch Kontaktstifte und Schneidgaszuführung;
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5a eine zweidimensionale Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs durch einen Druckentlastungskolben; und
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5b einen Schnitt entlang A-A durch den Druckentlastungskolben aus 5a.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Zusatzachsenschneidkopf 1 mit einem Grundkörper 2 und einem Düsenkörper 3 gezeigt. In dem Grundkörper 2 sind optische Elemente einer Schneidoptik zur Führung und Fokussierung eines Laserstrahls und ein Schlittensystem mit einem Mittenschlitten 4 (s. 3) zur Führung der Schneidoptik entlang mindestens einer Richtung senkrecht zu einer z-Richtung (Zusatzachsen) untergebracht.
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Als Überlastschutz wird ein klein und leicht bauendes, kostengünstiges und leicht austauschbares Sollbruchelement 5 verwendet, das bei einer radialen oder axialen Kollision bei einer definierten maximalen Kollisionskraft bricht und in unmittelbarer Nähe der am stärksten kollisionsgefährdeten Stelle zwischen Düsenkörper 3 und Grundkörper 2 angeordnet ist.
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2a zeigt eine detaillierte Darstellung des Sollbruchelements 5, das hier als ringförmige Brechscheibe ausgebildet ist, die einen äußeren Ring 5a und einen inneren Ring 5b aufweist. Der Düsenkörper 3 ist an inneren Befestigungspunkten 6 des inneren Rings 5b starr mit dem Sollbruchelement 5 verbunden. An radial weiter außen, im Bereich des äußeren Rings 5a angeordneten äußeren Befestigungspunkten 7 wird das Sollbruchelement 5 am Mittenschlitten 4 befestigt. Die Verbindung des Sollbruchelements 5 mit dem Düsenkörper 3 und dem Mittenschlitten 4 sind so ausgestaltet, dass Sollbruchelement 5, Düsenkörper 3 und Mittenschlitten 2 mechanisch starr aber lösbar miteinander verbunden sind, so dass das Sollbruchelement 5 auf einfache Weise ausgetauscht werden kann. Das Sollbruchelement 5 weist im gezeigten Beispiel vier Sollbruchstellen S auf, die so ausgelegt sind, dass sie bei einer bestimmten Kraft- oder Momentenbelastung brechen, die vom Bewegungssystem der Zusatzachsen, insbesondere vom Mittenschlitten 4 noch toleriert werden kann. Die Sollbruchstellen 8 sind hier als Einkerbungen mit verringerter Materialdicke ausgeführt, wie in 2b gezeigt.
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Zur Überwachung der Sollbruchstellen 5 verläuft eine Leiterschleife 9 über die Sollbruchstellen 5. Im gezeigten Beispiel ist die Leiterschleife 9 mäanderförmig über die Sollbruchstellen 8 geführt, so dass die Leiterschleife 9 abwechselnd radial innerhalb und radial außerhalb der Sollbruchstellen 8 verläuft. Die Leiterschleife 9 ist an Kontaktstellen 10 kontaktiert, die mittels federnder Kontaktstifte 11 (s. 4) mit einer Überwachungseinrichtung der Werkzeugmaschine, die mit dem erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopf 1 betrieben wird, verbunden ist. Bricht das Sollbruchelement 5 an einer Sollbruchstelle 8, reißt an dieser Stelle auch die Leiterbahn 9 durch. Die Unterbrechung der Leiterbahn 9 wird durch die Überwachungseinrichtung detektiert und führt zu einem Stillsetzen der Maschinenantriebe. Nach dem Brechen der Sollbruchstellen 8 fällt der gesamte Düsenkörper 3 sowie der am Düsenkörper 3 befestigte innere Ring 5b des Sollbruchelements 5 ab. Beim Abfallen des Düsenkörpers 3 wird automatisch die Signalverbindung zu einer im Düsenkörper 3 integrierten Abstandssensorik gelöst. Die Verbindung zwischen der im Düsenkörper 3 integrierten Abstandssensorik und einer Abstandsregeleinrichtung der Werkzeugmaschine kann ebenfalls mittels federnden Kontaktstiften 12 realisiert sein, wie in 4 gezeigt, wobei der Kontakt durch Ausnehmungen 21 (2a) im Sollbruchelement 5 hindurch erfolgt.
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3 zeigt eine Innenansicht des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs mit dem erfindungsgemäßen Sollbruchelement 5. Im Betrieb des Zusatzachsenschneidkopfs 1 wird ein Laserstrahl über eine Linse 15 durch einen Linsenhalter 14 in den Düsenkörper 3 und durch eine Düse 13 auf das Werkstück geleitet. Der Mittenschlitten 4 ist über das Sollbruchelement 5 mit dem Düsenkörper 3 verbunden. Im Bereich einer zentralen Ausnehmung des Sollbruchelements 5 grenzt der Düsenkörper 3 direkt an dem Linsenhalter 14 an. Ein Dichtring 22 dichtet den Übergang an der Trennfläche zwischen Düsenkörper 3 und Linsenhalter 14 ab. Eine Krafteinwirkung entgegen der z-Richtung auf den Düsenkörper 3 bewirkt direkt eine Krafteinwirkung auf den Linsenhalter 14 und somit indirekt (über den Linsenhalter 14) auch auf den Mittenschlitten 4. Da es sich bei dem Mittenschlitten 4 um ein empfindliches Teil handelt, soll eine Krafteinwirkung auf den Mittenschlitten 4 durch Stöße jedoch möglichst vermieden werden.
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Bei einem seitlichen Stoß wird das Bewegungssystem des Zusatzachsenschneidkopfs 1 durch Abfallen des Düsenkörpers 3 geschont. Eine eventuell auftretende durch Verkippen des Düsenkörpers 3 hervorgerufene Bewegungskomponente entgegen der z-Richtung kann mittels einer Federungseinrichtung mit Rückstellfedern 16 in eine Bewegung in z-Richtung, also vom Grundkörper des Zusatzachsenschneidkopfs 1 weg, umgewandelt werden.
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Bei einer axialen Kollision (Stoß entgegen der z-Richtung) wird nach dem Brechen der Sollbruchstellen 8 der Düsenkörper 3 in den Grundkörper 2 hineingeschoben und kann eine Beschädigung des Linsenhalters 14 und des Mittenschlittens zur Folge haben. Die im Falle eines axialen Stoßes auftretende Krafteinwirkung entgegen der z-Richtung ist erheblich größer als bei einem seitlichen Stoß gleicher Stärke, so dass zum Abfedern der Bewegung entgegen der z-Richtung entsprechend stärkere und größere Federelemente zum Einsatz kommen müssten, um den Stoß abzufangen. Dies ist jedoch aus Platzgründen in einem Zusatzachsenschneidkopf nicht möglich. Um eine Übertragung der kinetische Energie eines solchen axialen Stoßes auf den Mittenschlitten trotzdem zu vermeiden, ist im Mittenschlitten 4 des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs 1 daher eine Stoßdämpfungseinrichtung mit mehreren Stoßdämpfungselementen 17 angeordnet, welche zumindest einen Teil der durch den Stoß hervorgerufenen kinetische Energie des Düsenkörpers 3 in Wärmeenergie umwandelt, bevor eine Energieübertragung vom Düsenkörper 3 auf den Mittenschlitten 4 erfolgt. Die durch den Stoß hervorgerufene Bewegung des Düsenkörpers 3 entgegen der z-Richtung bewirkt also zunächst das Brechen des Sollbruchelements 5. Der aus dem Sollbruchelement 5 herausgelöste Düsenkörper wird gegen den Linsenhalter 14 gedrückt, der in einer entlang der z-Richtung beweglichen Schiebehülse 18 gelagert ist. Die Schiebehülse wird gegen die Rückstellfedern 16 sowie gegen die Stoßdämpfungselemente 17 geschoben, so dass der Stoß gegenüber dem Mittenschlitten 4 abgedämpft wird. Auf diese Weise kann der Mittenschlitten 4 des Zusatzachsenschneidkopfs 1 auch bei Kollisionen mit großer axialer Kraftkomponente vor Beschädigung geschützt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das reproduzierbare Brechen der Sollbruchstellen 8 des Sollbruchelements 5 in unterschiedlichen Betriebsmodi des Zusatzachsenschneidkopfs 1. So kann beispielsweise beim Laserschneiden während des Bearbeitungsprozesses ein Schneidgas 19 (je nach den Anforderungen Sauerstoff, Luft oder Stickstoff) zugeführt werden, um den Schneidprozess zu unterstützen. In 4 ist eine solche Schneidgaszufuhr dargestellt. Das Schneidgas 19 wird über eine Schneidgaszuleitung 23 unterhalb der Linse 15 in den Zusatzachsenschneidkopf 1 geleitet und strömt entlang des Linsenhalters 14 in den Düsenkörper 3 und tritt durch die Düse 13 mit dem Laserstrahl aus. Durch die Zuführung des Schneidgases 19 wird eine Druckkraft auf den Linsenhalter 14 ausgeübt. Wenn die Rückstellfedern 16 nicht stark genug ausgebildet sind, besteht die Gefahr, dass der Linsenhalter vom Düsenkörper abhebt.
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Um dies zu verhindern, weist die in 5a gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs 1 eine Kompensationseinrichtung in Form von pneumatischen Ausgleichskolben 20 im Mittenschlitten 4 auf. Die Ausgleichskolben 20 werden ebenfalls mit dem Schneidgasdruck beaufschlagt und erzeugen eine Gegenkraft in z-Richtung auf den Linsenhalter 14 bzw. die Schiebehülse 18, so dass ein Ausgleich zwischen dem vom Düsenkörper 3 ausgehenden Druck und vom im Grundkörper 2 angeordneten Ausgleichskolben 20 ausgehenden Druck bewirkt wird.
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5b zeigt einen Querschnitt durch den Zusatzachsenschneidkopf 1 entlang der Ebene A-A. In der hier gezeigten Ausführungsform sind acht Ausgleichskolben 20 in einer zweizähligen Symmetrie im Mittenschlitten 4 angeordnet. Je nach konkretem Aufbau des Mittenschlittens 4 kann auch eine mehrzählige Symmetrie vorgesehen sein. Durch die symmetrische Anordnung wird eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung gewährleistet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopf ist ein kompakter und leichter Überlastschutz realisiert durch die Kombination eines leicht austauschbaren, kostengünstigen Sollbruchelements mit einem im Grundkörper integrierten Stoßdämpfungselement. Durch Vorsehen einer Kompensationseinrichtung wird darüber hinaus eine platzsparende Auslegung der Rückstellfedern bei variabler Schneidgasbeaufschlagung ermöglicht. Des Bewegungssystem des erfindungsgemäßen Zusatzachsenschneidkopfs ist somit sowohl bei seitlichen als auch bei axialen Kollisionen zuverlässig geschützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zusatzachsenschneidkopf
- 2
- Grundkörper des Zusatzachsenschneidkopfs
- 3
- Düsenkörper des Zusatzachsenschneidkopfs
- 4
- Mittenschlitten des Bewegungssystems des Zusatzachsenschneidkopfs
- 5
- Sollbruchelement
- 5a
- äußeren Ring des Sollbruchelements
- 5b
- innerer Ring des Sollbruchelements
- 6
- inneren Befestigungspunkte des Sollbruchelements
- 7
- äußere Befestigungspunkte des Sollbruchelements
- 8
- Sollbruchstellen
- 9
- Leiterschleife
- 10
- Kontaktstellen der Leiterschleife
- 11
- Kontaktstifte zur Bruchüberwachung
- 12
- Kontaktstiften für Abstandssensorik
- 13
- Düse
- 14
- Linsenhalter
- 15
- Linse
- 16
- Rückstellfedern
- 17
- Stoßdämpfungselemente
- 18
- Schiebehülse
- 19
- Schneidgas
- 20
- Ausgleichskolben
- 21
- Ausnehmungen im Sollbruchelement für Kontaktierung der Abstands
- sensorik
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- 22
- Dichtring
- 23
- Schneidgaszuleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4109567 A1 [0002, 0009, 0010]
- JP 2080192 A [0008]
